煤矿探放水钻孔新型封孔装置的分析与应用

陈守磊 张帅 刘渠 王挥

摘要：煤矿采掘工作面在探放顶板采空区积水、老空水、构造裂隙水等水害隐患时，需施工仰斜钻孔。传统仰斜探水钻孔主要采用水泥砂浆进行封孔，受封孔工艺、专业人员技术水平以及顶板岩性影响，封孔工艺存在封孔长度不足、封孔工艺落后、封孔后在放水时水压控制难度大等问题，本文主要分析煤矿探放水钻孔新型封孔装置的分析与应用。

关键词：煤矿掘进；探放水；封孔装置；结构；应用

引言

当前，在井下采掘的过程中，只有充分发挥地质探放水施工的技术优势，才可以有效地提高施工的安全性。在实施探水施工的过程中，探水钻孔封孔施工是非常重要的一个环节，封孔质量的优劣直接决定探放水的安全。可是在实施煤矿开采时，由于煤矿工人职业素养低下，不重视封孔质量，从而导致封孔质量下降，最终大大制约了探放水施工的效率。由此可以看出，必须严格把控煤矿地质探方水钻孔封孔的质量。

1、探放水现状

1.1掘进工作面探放水

公路行驶过程中，驾驶员前方导水结构的探索是水利控制工作的重点。采用直流法，首先采用先进的检测技术，确定前驱前是否存在异常低阻力区域。如果存在异常区域，则采用钻孔方法进行检测和验证。对于钻井识别的水道侧结构，排水和注浆用于堵塞和控制。根据目前收集到的矿址数据，断含水层、顶板岩层含水层和砂岩含水层为煤层知罗组。4某一含水性质，而每一砂岩含水层的含水性质极不均匀，因此在巷道过程中预先识别尤为重要。先进地球物理勘探的主要方法是直流法，该法检测隧道掘进前的导水结构和导水异常体。该方法对煤加载有良好的效果，因为煤是一种高度持久的介质，介质的阻力在存在导水结构时变化很大，因此很容易发现异常；但在砂土石中的应用效果不好，因为砂泥石是阻力较低的地层，其中导水结构的电差较小。地下直流法的扩展探测距离可达100 m，为行车安全提供了有力的保证。在连续推进过程中，每隔100 m采用地下直流法进行先进的勘探，根据勘探结果对异常段进行钻探和验证，然后在确定后进行涡激，以确保连续推进的安全性。

1.2回采工作面探放水

煤炭开采区组织的水利控制项目主要是地球物理勘探和钻探。地球物理勘探是在工作面巷道形成后进行的，勘探工作是在工作面打开后完成的。钻探技术不仅应针对地球物理勘探结果提供的异常区域，而且还应充分考虑到整个开采的总体排水目标。主要目标是预先推导屋顶水和可能分离的水，以确保安全开采工作区。由于志洛组砂岩含水层在#煤层顶板的水文地质条件。4在煤矿复杂，水文地质条件研究不足的情况下，应在开采阶段进行相应的水资源开采控制工作，事先对水资源威胁区进行排水，以确保通过排水和减压术的方式进行工作面的开采安全。采排水井的布置和预布置是根据井口高度、煤层(岩石)厚度和硬度等确定的。对建造的径流井的水量和水压进行观测，及时建立观测数据，分析降解前的水文地质条件。根据径流孔水量观测数据，及时优化调整井的参数，实现排水和减压率，使径流工程具有经济效益和意义。

2、新型封孔装置的结构与工艺

2.1新型封孔装置结构

该新型封孔装置包括如下几个单元：法兰盘单元、固定锚索、注浆软管、注浆泵、压力表、封堵材料等。1）每个节孔口管的长度设置为1.5m长，其直径设定为127mm，材料为无缝钢管，相邻两节孔口管选用丝扣式连接。2）在孔口管外端位置设置法兰盘单元以及压力表，具体如下：将法兰盘与放水管进行连接，通常压力表的功能是显示放水过程中，水压的大小，进而能够更好地控制放水流量。3）通常将封堵材料分为两种：第一种，底部封堵材料，其是由膨胀水泥组成。第二种，豁接化学材料，其主要是由聚氨醋黏合剂组成。通常膨胀水泥由膨胀剂、固体速凝剂、水、水泥组成，其质量比例为：1∶1∶5∶5。通常，聚氨醋是由浇筑型组合聚醚、PAPI组成，在制作的过程中，将两者以等比例混合。4）选择型号为3ZBQ20/24的注浆泵，将供气压力设定为0.2~0.63MPa，注浆泵额定排浆压力可以达到18MPa。

2.2钻孔封孔长度优化改进

为了合理确定钻孔封孔长度，保证钻孔封孔质量，决定采用煤屑量法确定封孔长度。首先在工作面煤壁施工两个校验钻孔，钻孔直径、仰角以及位置与放水钻孔相同，钻孔在施工过程中记录每米钻孔施工产生的煤屑量，然后根据每米产生的煤屑量判断孔壁岩体稳定情况。通过现场钻孔试验发现，15206回风顺槽校验钻孔在前8m范围内，每米钻孔平均产生的煤屑量为3.4kg；在8~14m范围每米钻孔产生的煤屑量呈递减趋势，平均为2.6kg；在14~30m范围内每米钻孔产生的煤屑量趋于稳定，平均煤屑量为1.8kg。由此可见，在0~8m范围内钻孔处于围岩高应力区，在8~14m段钻孔处于应力减弱区，在14m后钻孔处于围岩稳定区，所以确定钻孔封孔长度为14m。

2.3合理确定钻孔封孔深度

为了合理确定钻孔封孔长度，保证后期探放水施工安全，决定采用煤屑量法确定钻孔封孔深度，保证钻孔封孔段延伸至稳定煤岩体内。1）钻孔施工前在钻场煤壁施工三个煤屑量校验钻孔（钻孔编号为1号、2号、3号），校验钻孔深度为22mm，其他参数与放水钻孔相同，每个校验钻孔在施工过程安排专人进行现场记录每米产生的煤屑量，并进行曲线图绘制。2）通过现场记录发现，三个校验钻孔在0~6m范围施工过程中平均产生的煤屑量为4.3kg/m，钻孔在6~16m范围内施工过程中产生的煤屑量为3.5kg/m，并且呈递减趋势。在16~22m范围内进行钻孔施工时产生的煤屑量为2.9kg/m，并且趋于稳定。

2.4实施安全技术措施

为了保证后期探放水施工安全，防止钻场煤壁受水压影响导致煤壁垮落、顶板破碎顶现象，决定在放水前对钻场围岩采取“安装柔性纤维网+施工护帮梯形棚”联合措施进行控制。1）铺设柔性纤维网：为了防止钻孔突水时导致整个钻场煤壁出现垮落现象，决定对钻场煤壁铺设，柔性纤维网规格（长×宽）为4.5m×3.5m，该网采用聚氨酯纤维编织而成，网格长度为0.4m，宽度为0.3m，纤维网在横向最大承载拉力为580kN/m，纵向最大承载拉力为470N/m，每片纤维网与顶板采用长度为4.5m槽钢进行固定，两帮采用玻璃钢锚杆进行固定，每排布置4根，玻璃钢锚杆布置间距为1.0m。2）护帮梯形棚支护：柔性纤维网铺设完成后，在煤壁处施工交错式护帮梯形棚，护帮梯形棚主要由纵向梯形棚、横向梯形棚和锚索组成，梯形棚主要由若干直径为20mm圆钢焊制而成，其中纵向梯形棚长度3.2m，宽度为0.5m，横向梯形棚长度为4.2m，宽度为0.5m，每架梯形棚主要采用两根长度为4.5m，直径为17.8mm锚索进行固定，钻场煤壁共计施工纵向、横向梯形棚各3架，且成“井”字形布置。

3、探放水施工安全技术措施

钻孔在施工过程中应实时掌握钻孔的钻进长度、直径、位置、方向、角度等参数，在进行钻孔作业时要在钻杆上做好钻孔深度的标志，当钻孔钻到设计深度时施工人员要及时停钻，并将钻孔内的煤泥清洗干净。煤壁无片帮现象时，可对钻场支设一排木柱，若煤壁片帮严重时可对煤壁采取注浆加固处理，并对顶板安装Ｌ型钢棚进行加固。在放水过程中应安排专职的瓦斯监测孔对钻场附近有害气体进行实时监测，发现钻场或钻孔内瓦斯异常时必须立即撤人，并加强通风。在进行探放水施工过程中应实时掌握钻孔钻进深度，穿层岩性，掘进至积水区时应测量钻孔终孔深度，并进行详细记录及对比分析。在放水过程中应控制好水压，当水压较大时应采用反压法进行放水施工，放水完成后应采用补充钻孔进行验证，并采用水泥砂浆对钻孔进行封孔处理。放水完成后应计算放水量，并通过施工校验孔对积水区是否放水充分进行校验，校验孔参数与探水钻孔参数相同。

结束语

巷道掘进施工前必须采用物探、钻探等技术手段，明确掘进区域水文地质条件，巷道掘进过程中必须采取合理有效的探放水施工设计，对巷道四邻可能存在的水害进行疏水降压，只有这样才能保证巷道安全快速掘进，防止透水事故发生；但是在实际煤矿探放水施工过程中，受使用条件、钻探技术水平、防治水人员责任心等影响，探放水施工设计不合理，主要表现在钻孔数量不足、钻孔位置不正确、钻孔封孔质量差、探放水安全技术措施不到位等，导致巷道掘进过程中水害事故频繁发生，造成煤矿重大经济损失。

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