探放层间距大于110米上覆采空积水技术研究及应用

刘振雄

（大同煤矿集团大同地煤青磁窑煤矿，山西 大同037000）

1 矿井基本情况

1.1 矿井概况

青磁窑煤矿始建于1957年，现矿井核定生产能力为120万吨/年，井田面积10.8851km2。井田位于大同煤田的东北部，井田的东部为煤层露头线，东部煤层倾角大，中、西部基本为近水平煤层，总体为一个走向南北的单斜构造。东部为青磁窑逆断层构成本井田的东屏障，是煤层的露头线。区内构造较为简单，断层不多，断距不大（区内f1断层落差最大为12米，其它揭露的断层落差在2米左右）；在历年的开采过程中共揭露6个陷落柱，已揭露的最大陷落柱的直径为75米。

1.2 煤层赋存情况

井田内共 6 层可采煤层， 分别为 2-2、3、7-1、11-1、12-2、14-2煤层，均为侏罗纪煤层。分为两个水平进行开采。一水平开采2#、3#、7#层；二水平开采 11-1、12-2、14-2煤层。 2#、3#煤层已开采结束， 现开采 7#、11#煤层。

1.3 矿井开拓开采方式

开拓方式：立井—斜井混合开拓方式。共有6个通向地面的井筒，分别为主井（箕斗井）、副井（罐笼井）、东山回风井、竹林寺回风井、材料斜井和旧主斜井。

开采方式：按水平进行集中开采，各煤层中部南北向布置集中大巷，集中大巷的东、西两侧分盘区进行开采。

采煤方法：刀柱式采煤和走向长壁采煤法。

1.4 主排水系统

井下有三个中央水仓和一个辅助水仓，现行的排水系统有四趟直径为6寸的水管及一趟直径为4寸水管将矿井水直接排至地面。矿井正常的排水能力为250m3/小时，最大排水能力为400m3/小时，而矿井最大涌水量平均为98m3/小时，矿井综合排水能力能满足安全生产需要。

2 水文地质条件

本区位于大同煤田北部的东南边缘，地表覆盖薄，属典型的低山丘陵地貌，黄土覆盖率低，植被稀少，降水少且强度集中，不利于大气降水的入渗补给，区内无常年地表水体，地表泄水条件良好；井田内煤层属于深部开采煤层；含水层单位涌水量＜0.1L/s.m，采掘工程不受水害影响；年平均最大涌水量66-105m3/h。矿井水文地质类型属中等型。

目前矿井采空积水量可观，预计达93万M3，是矿井的主要水害，包括井田内小窑采空积水和本矿原来的采空积水。在进行采掘活动时，必须对上述采空积水采取有效探放，排除水患，确保矿井安全生产。

3 防治水措施

3.1 建立完善的探放水管理制度

一是设立专门的地测防治水机构；二是成立了专业的探放水队；三是井下配备专用探水钻机17台，物探仪一台。探放水装备数量足，性能优，满足了矿井探放水工作需要。

3.2 严格执行“有掘必探、先探后掘、先放后采”的探放水原则

根据矿井地质构造情况，综合分析，在掘进期间，主要针对同层采空积水开展探放水工作；在回采工作面形成后，主要针对上覆采空积水进行探放。待探放水工作结束，解除水害威胁后，方可进行回采工作。

上覆采空积水的防治受多种因素的制约，一般情况层间距＜70米时，能有效利用现井下钻机，从待采工作面两顺槽向上施工放水孔，进行探水和放水作业；层间距＞70米时，必须雇佣专业队伍利用地面钻机从地面施工钻孔，先穿过上部采空积水区，下设套管，再继续向下钻进，至待采工作面的两顺槽巷或大切眼，即通过地面钻孔将上部采空积水放到待采工作面巷道，再由井下排水设备将水排出地面。

4 特殊地段探放水技术研究

青磁窑煤矿7#-11#层间距70米，3#-11#层间距为110米，因7#层部分区域为煤层冲刷带未开采，需从11#煤层施工钻孔探放3#层小窑采空积水。这样一来，3#-11#层间距＞100米，利用矿现有的ZYJ-1000/135钻机来施工放水孔，已是不可能的事，必须雇佣专业地面钻机来实施探放水工作。

地面钻探方案设计如下：

11#层406盘区8604工作面参数：长×宽×高=1400m×170m×2.5m；上覆7#层为实体煤（煤层不可采），上覆3#层为原两个小煤窑（现已关闭）的破坏区，小窑的开采方式为仓房式，采掘资料缺失，积水范围不清。针对上述情况，根据11#层底板等高线资料，初步在地面设计钻孔8个，每孔深400米；钻孔施工总费用240万元；钻孔施工期为3个月（不包括放水时间）；

存在问题：该工作面对应地表为山地，沟谷纵横，钻孔定位困难，测量工程量大；对应地面无路，大型钻探设备受地形影响，搬运困难，还需增加修路费用；地面钻机在施工过程中，还需供水，附近无水源，供水只能通过汽车拉运，费用也不少；3#层为原两个小煤窑 （现已关闭）的破坏区，小窑的开采方式为仓房式，采掘资料缺失，积水范围不清，施工的钻孔有可能进入3#层煤柱，导致钻孔报废，还需重新选位开钻，钻孔成功的几率最大为50%，增加了钻探工程量，费用将成倍增加，工期延长，将严重影响矿井的采掘接替。

综上所述，探放11#层406盘区8604工作面上覆3#层采空积水困难多，利用施工地面钻孔的方案，无法及时达到预期的目的。

为此，矿尝试用井下ZYJ-1000/135钻机进行极限作业，在该工作面顺槽口向上部3#层施工放水孔，钻孔仰角设计为70度，按100米层间距计算，打到3#层需钻进107米。钻杆每米重25kg，则钻机要克服2.7吨重钻杆的重量，钻探难度大，尤其快到末端时，加装钻杆危险大，存在重大安全隐患。

在严格安全技术措施情况下，向极限冲刺。当钻进至90米时出现了钻机上水不足、油管崩裂、油缸迸裂、钻杆滑落、马达声音异常、钻机启动困难等一系列问题。矿组织技术人员在井下现场进行技术攻关，同时在厂家的配合下成功解决了探放层间距大于110米上覆采空积水的难题。

4.1 改进封孔措施

层间距大于100米的水压大于1MPa，必须有可靠的封孔措施。

①加长封孔器，采用2.5米长胶囊式封孔装置。

②封孔器采用锚杆固定和单体支柱支撑两种方法。

③在阀门前设置引流弯头，可随时将高压积水引流至应急排水系统。

④设置防冲板，防止高压积水伤及工作人员。

4.2 确定最佳钻孔参数

通过对煤层间岩层结构、钻杆重量、钻杆和钻孔壁之间的摩擦力等因素的综合计算分析，确定钻孔仰角在50-65度之间为最佳仰角；预测积水位置，根据层间对照图确定钻孔方位角，提高探放效率。

4.3 改进钻机支撑系统

原回转钻机支撑系统为单液压立柱，受钻杆推进力矩作用，钻具稳定性小，钻杆摆动大。改进为双液压立柱支撑系统可使钻具受力均衡，稳定性和工作效率大大提高。

4.4 改进钻具推进系统

钻具推进系统由托架、滑道、拖板、液压油缸、液压摆线马达、钻机泵及其回转装置等组成，将钻机泵改用63/10型，流量可达到90L/min，马达改用490型，油缸缸径为100mm,推进力为原来的1.5倍,额定转矩为1300-1400N.M，改进后可大大提高了破岩速度，增加钻程。

4.5 改进钻杆挾持装置

原钻机在加装钻杆或退杆时，上部钻杆由人工用特制扳手固定，结构虽然简单，但钻杆多的时候，钻杆自重大，容易出现钻杆固定不牢，发生滑落，作业人员安全受到很大威胁。在整个施工过程中，操作人员又靠近钻机，若发生钻机油管崩裂，油管在空中飞舞，作业人员易受到伤害。为此，和厂家协商，钻机加装了液压挾持钻杆装置，这样一来，提高了钻机加装钻杆或退杆的可靠性，作业人员可远离钻机进行操控，提高钻探作业过程的安全。

5 钻机改进后，探放水实施情况

经过一个多月的探索研究，改进钻机2台，改进后的钻机在一个月时间内，成功地在井下11#层406盘区8604工作面巷道向上施工了11个放水孔，钻孔深度在110-130米之间，其中3个孔有水，3个孔进入3#层煤柱报废，5个孔和3#层采空打通无水。截止目前3个孔累计排放上部3#层小窑采空积水248000立方米，彻底解放了11#层406盘区8604工作面上覆积水压煤储量90余万吨，保证了矿井的正常接替。

6 经济效益分析

改进后的探放技术，适用于多种钻探需要，工艺适用性强，可用于井下钻进地质勘探孔、放顶孔、抽放瓦斯孔、注水孔、放水孔、电缆孔及其他工程用孔。钻孔位置精确，精度高。

通过改进后的探放技术的应用，成功实现了层间距110米以上上覆采空积水的探放水作业，不仅及时排除了安全隐患，而且创造出巨大的经济效益。

以青磁窑煤矿11#层406盘区为例，通过改进后的探放技术的应用，探放水队向3#层小窑破坏区成功施工钻孔21个（包括8602工作面），效果好，成本低。如聘请外委单位从地面施工21个孔，每一个孔400米深，单钻探费用将达到630万元，不包括配套设施费用，并且施工工期长，准确率低，不能满足生产的需要。

新技术的应用不仅节省了大量人力和物力，而且为青磁窑煤矿的安全生产赢取了宝贵时间。

［1］煤矿防治水规定[S].