劉 歡

（潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

1 概述

潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司位于左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)劉家莊村南，西南距左權(quán)縣城約10 km，井田面積5.8196 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a。主采煤層為15#煤層，煤層平均厚度為6.5 m，煤層平均傾角為2°。

1102回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1108 m，斷面規(guī)格為凈寬×凈高=4.5 m×3.5 m，沿15#煤層底板掘進(jìn)，預(yù)留頂煤厚度為3.0 m，采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝。15#煤層直接頂主要以炭質(zhì)泥巖及煤混合巖層為主，平均厚度為5.7 m，其中煤層總厚度為2.4 m（不可采），基本頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為8.3 m。煤層頂板裂隙發(fā)育，不穩(wěn)定。

15#煤層上覆巖層含有三層石灰?guī)r含水層，分別是K2石灰?guī)r（四節(jié)石）、K3石灰?guī)r（錢石）、K4石灰?guī)r（猴石），其中K2、K4石灰?guī)r連續(xù)性好，K3石灰?guī)r局部相變?yōu)橹辛Ｉ皫r和泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，與煤層頂板間距為14 m，積水面積達(dá)9734 m2，主要分布在施工巷道240～410 m段、577～719 m段以及985～1032 m段頂板上方，預(yù)計(jì)含水量達(dá)5274 m3,預(yù)計(jì)水壓為2.4 MPa，屬高承壓含水層。巷道掘進(jìn)至210 m處頂板出現(xiàn)局部淋水現(xiàn)象，平均淋水量達(dá)54.0 m3/h，不僅制約了巷道掘進(jìn)速度，而且威脅著巷道施工安全。

為保證巷道施工安全，1102回風(fēng)巷掘進(jìn)采取鉆孔探放水措施，但是在探放水鉆孔受固結(jié)套管技術(shù)影響，在放水過程中發(fā)生2次小型透水事故，共計(jì)涌水量為184 m3。

2 探放水鉆孔布置

采用扇形布置兩排探水鉆孔，見圖1。第一排為3個(gè)仰角鉆孔（1#～3#），仰角為17°，開孔位置距頂板0.5 m，間距為1.5 m，鉆孔直徑為75 mm，深度為60 m；第二排為3個(gè)水平鉆孔（4#～6#），鉆孔參數(shù)不變。

圖1 1102回風(fēng)巷探水鉆孔布置

3 膨脹水泥固結(jié)套管問題分析

孔口采用120 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔深度為16 m，擴(kuò)孔后安裝長(zhǎng)度為15 m，直徑為108 mm止水套管，并采用膨脹水泥注漿固結(jié)，固結(jié)封堵長(zhǎng)度為6.0 m，止水套管外露端安裝閥門及排水管。存在以下問題：

1）固結(jié)套管長(zhǎng)度不合理。由于15#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層含多層夾矸，破壞了煤體膠結(jié)穩(wěn)定性，受圍巖應(yīng)力影響巷道掘進(jìn)后圍巖變形嚴(yán)重，出現(xiàn)片幫、頂板下沉等現(xiàn)象，在圍巖體內(nèi)形成應(yīng)力破壞區(qū)、破壞減弱區(qū)、穩(wěn)定區(qū)[1]。破壞范圍在8～14 m范圍內(nèi)，而探放水鉆孔固結(jié)套管長(zhǎng)度為6 m，未完全延伸至穩(wěn)定巖體內(nèi)，造成放水過程中煤體滲水現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）固結(jié)套管工藝落后。15#煤層煤體裂隙發(fā)育，在應(yīng)力破壞區(qū)內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重，探水鉆孔傾角較大，采用膨脹水泥固結(jié)套管時(shí)滲透能力、粘接效果差，不能使止水套管與煤體完全膠結(jié)，在放水時(shí)很容易出現(xiàn)穿線竄動(dòng)現(xiàn)象[2]。

3）由于1102回風(fēng)巷上覆巖層裂隙水屬于高承壓含水層，水壓相對(duì)較大，而傳統(tǒng)固結(jié)套管工藝中未安裝壓力表及卸壓控水裝置，在鉆孔施工期間鉆孔出現(xiàn)流水時(shí)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓，以及水壓大時(shí)無法提前卸壓，導(dǎo)致因水壓大沖毀探放水設(shè)備。

4）鉆場(chǎng)煤壁穩(wěn)定性差。在放水時(shí)止水套管產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)鉆孔附件煤體產(chǎn)生擾動(dòng)破壞[3]，導(dǎo)致鉆場(chǎng)煤壁片幫嚴(yán)重，最大片幫深度為達(dá)1.7 m，降低了鉆孔固結(jié)套管效果。

4 固結(jié)套管工藝優(yōu)化

4.1 “兩注一堵”固結(jié)套管工藝

探水鉆孔采用“兩堵一注”囊袋式固結(jié)套管工藝，實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)封堵，而且采用高強(qiáng)度化學(xué)粘合劑作為封堵材料，滲透力強(qiáng)、填充效果好，提高了止水套管與煤壁粘接效果，保證了固結(jié)套管質(zhì)量。

（1）當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)16 m后停止施工，更換直徑為130 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔深度為16 m，擴(kuò)孔后及時(shí)清理鉆孔內(nèi)煤屑，保證擴(kuò)孔直徑為130 mm。

（2）擴(kuò)孔完成后對(duì)鉆孔內(nèi)安裝止水套管，采用D108×4鋼管，每節(jié)長(zhǎng)度2.8 m，共計(jì)7節(jié)，相鄰兩節(jié)套管采用絲扣式連接[4]。

（3）止水套管安裝后對(duì)孔底采用膨脹水泥進(jìn)行局部封堵，封堵長(zhǎng)度為1.0 m，封堵后及時(shí)安裝一個(gè)PKN型固結(jié)套管器，同時(shí)在距孔口1.0 m處安裝一個(gè)固結(jié)套管器，并對(duì)孔口1.0 m范圍內(nèi)采用膨脹水泥封堵，使止水套管與孔壁之間形成一個(gè)環(huán)閉式封堵空間，見圖2。

（4）在安裝固結(jié)套管器期間對(duì)環(huán)閉式封堵空間埋入一根直徑為16 mm注漿軟管，軟管另一端與2ZBQ-5/4注漿泵連接，高壓注入化學(xué)粘接材料，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa范圍內(nèi)。

（5）止水套管封固2 h后對(duì)固結(jié)套管段進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力為承壓水水壓的1.5倍，即注水壓力控制在2.4～3.6 MPa范圍內(nèi)，注水10 min后止水套管無竄動(dòng)、滲水等現(xiàn)象確定為固結(jié)套管合格。

圖2 “兩堵一注”囊袋式固結(jié)套管工藝

4.2 孔口安裝卸壓控水裝置

通過安裝孔口卸壓控水裝置，避免在鉆進(jìn)時(shí)因水壓大出現(xiàn)頂鉆現(xiàn)象。

（1）卸壓控水裝置主要由壓力表、法蘭盤、控制閘閥、控水電控液閥、環(huán)形抱箍、PLC控制器、聯(lián)鎖開關(guān)（60A）等部分組成，見圖3。

（2）法蘭盤安裝在止水套管外露端，法蘭盤長(zhǎng)度為0.5 m，在法蘭盤上安裝有電控閘閥以及壓力表，電控閘閥與聯(lián)鎖開關(guān)連接，壓力表主要檢測(cè)水壓，壓力表通過集控裝置與PLC控制器連接。

（3）在法蘭盤外端依次安裝電控液閥及環(huán)形抱箍，電控液閥與聯(lián)鎖開關(guān)連接，環(huán)形抱箍由橡膠材料制成，可通過人工旋轉(zhuǎn)頂絲扳手實(shí)現(xiàn)抱箍與鉆孔牢牢固定。

（4）聯(lián)鎖開關(guān)額定電流為60 A，聯(lián)鎖開關(guān)分別與電控液閥、電控閘閥以及PLC控制器連接，實(shí)現(xiàn)斷送電動(dòng)作，PLC控制器主要用于信號(hào)采集、傳輸以及指令下達(dá)等作用。

圖3 卸壓控水裝置結(jié)構(gòu)

（5）鉆桿在鉆進(jìn)出現(xiàn)流水時(shí)壓力表對(duì)水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)水壓大于1.2 MPa時(shí)壓力表及時(shí)將數(shù)據(jù)通過集控裝置傳輸至PLC控制器，控制器接收信號(hào)后對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，并將“開啟”指令發(fā)送至聯(lián)鎖開關(guān)，聯(lián)鎖開關(guān)接受指令后及時(shí)對(duì)電控液閥通電，電控液閥打開進(jìn)行放水卸壓，同時(shí)人工及時(shí)擰動(dòng)頂絲扳手使環(huán)形抱箍固定鉆桿，防止鉆孔噴出。

4.3 鉆場(chǎng)煤壁加固技術(shù)措施

為保證探放水施工安全，對(duì)鉆場(chǎng)附近煤壁及頂板進(jìn)行“注漿+T型鋼棚”聯(lián)合加固措施。

（1）注漿加固。對(duì)鉆場(chǎng)煤壁施工一排注漿鉆孔，共計(jì)布置4個(gè)，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔施工在距頂板1.0 m處且以17°仰角布置，鉆孔深度為5.0 m，孔徑為40 mm；鉆孔施工完后采用注漿泵對(duì)鉆孔內(nèi)高壓注射聚氨酯粘合劑，注漿壓力為0.9 MPa，注漿后及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵。

（2）安裝T型鋼棚。為了防止放水期間出現(xiàn)頂板破碎、冒落現(xiàn)象，在鉆場(chǎng)附近架設(shè)5架T型鋼棚，棚距為1.0 m，并用水泥背板背幫，確保鋼棚能夠?qū)γ罕谄鸬骄鶆蛑ёo(hù)作用。

5 應(yīng)用效果分析

1102回風(fēng)巷掘進(jìn)期間共計(jì)施工探水鉆孔76個(gè)，其中出水孔為58個(gè)，干孔為18個(gè)，共計(jì)放水量為5031 m3，實(shí)際放水水壓為2.1 MPa。采用“兩堵一注”囊袋式固結(jié)套管工藝，并在孔口安裝卸壓控水裝置，對(duì)鉆場(chǎng)附近煤壁及頂板進(jìn)行“注漿+T型鋼棚”聯(lián)合加固措施，放水過程中未出現(xiàn)止水套管竄動(dòng)現(xiàn)象，鉆場(chǎng)煤壁及頂板未出現(xiàn)片幫、冒落現(xiàn)象，工作面未出現(xiàn)大面積頂板淋水現(xiàn)象，局部淋水不足1.2 m3/h，基本消除了頂板含水層對(duì)巷道掘進(jìn)影響，保證了巷道施工安全。