急倾斜松散薄煤层探放水钻孔施工技术

胡仲国 何顺强 康发坤 李 虎 殷光莲 潘永安

(四川川煤华荣能源股份有限公司太平煤矿)

太平煤矿煤层赋存南北走向，东西倾斜，地质构造复杂，断层较多，坡度变化较大。矿井以主平硐为中心分为南北两翼，南翼煤层赋存相对简单，倾角普遍在45°以上；北翼煤层赋存相对复杂，倾角普遍在25°～45°。矿井以11#煤层为标志层分为上下组，随着矿井采掘不断开展，+900 m水平回采工作基本结束，逐步转入深部+700 m水平。11#煤层硬度低且黏结差，属松散煤层，为保证巷道快速安全掘进，需施工探放水钻孔探明上方积水和前方开采情况。

1 工作面概况

31112工作面是+700 m水平南一采区11#煤层第一区段第一个工作面，其上方为采空区，煤层倾角最大为49°，最小为41°，平均为46°，属急倾斜煤层。31112工作面煤层结构相对简单,总厚度为0.48～2.00 m,平均厚1.35 m,煤层利用厚度为0.45～1.48 m,平均为1.12 m，煤层普氏硬度系数为1～2，属松散煤层；煤层含13层夹矸，夹矸厚0.03～0.54 m,平均厚0.23 m,岩性为炭质泥岩、泥岩、粉砂质泥岩和粉砂质泥岩夹煤线。

该煤层直接顶板为灰白色至灰黑色薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩夹煤线，平均厚10.1 m，向内600 m至工作面切眼煤层直接顶变为砾岩。老顶为灰白色至灰黑色薄层状粉砂岩，平均厚12 m。直接底为灰白色至灰黑色薄层状粉砂岩，平均厚15.6 m。老底为灰白色至灰黑色薄层状粉砂岩，平均厚9.1 m。

2 探放水钻孔施工

2.1 钻孔布置

由于该煤层属松散煤层，煤层硬度低且黏结度弱，若按照普通钻孔施工方式将钻孔布置在煤层中，极易发生塌孔和埋钻现象，延长打钻时间，而且增加了投入。为缩短打钻时间，降低成本，充分利用急倾斜煤层工作面回采后煤层顶底板冒落及移动规律，将钻孔开口位置布置在煤层的顶底板中，其中1#、3#、4#、5#钻孔布置在煤层顶板中，2#、6#钻孔布置在煤层底板中，所有钻孔开孔位置布置在距煤层0.3 m 处，钻孔方向沿煤层走向按一定倾角呈扇形布置，终孔布置在煤层中。探放水钻孔布置见图1、图2,钻孔参数见表1。

2.2 钻孔施工工艺

2.2.1 钻孔机具

选用ZL-500型煤矿用坑道钻机，电机功率为7.5 kW。该钻机采用液压传动，体积小，重量轻，操作简便，解体性能好，数分钟之内便可完成分解或组合，便于搬迁，不仅占地面积小而且能适应各种不同工作环境的需要。钻进深度为150 m，开孔直径为115 mm，终孔直径为56 mm，钻杆直径为42 mm。

2.2.2 钻孔施工过程

巷道施工至允掘最大距离时停止巷道掘进工作，施工钻孔所需的钻场，然后在钻场内采用“四压两戗”对钻机进行稳固。钻机安设好后，首先按1#钻孔布置位置、方位、倾角进行施工，采用φ115 mm钻头开孔，钻进5 m后安设止水套管并固定后，再采用φ56mm钻头钻进至设计终孔长度。1#钻孔施工到位后，按1#钻孔施工方式依次施工顶板侧的3#、4#、5#钻孔，再施工底板侧2#、6#钻孔，所有钻孔按设计施工完毕后，将钻机移出钻场。

图1 钻孔平面布置

图2 钻孔开孔位置

钻孔编号钻孔方位/(°)钻孔倾角/(°)钻孔长度/m开孔位置距巷道底板高度/m距煤层距离/m终孔位置1#28+170煤层顶板1．20．311#煤层中2#30+170煤层底板1．10．311#煤层中3#16+1274煤层顶板1．50．311#煤层中4#7+1947煤层顶板1．750．311#煤层中5#351+3131煤层顶板20．311#煤层中6#299+5022煤层底板1．350．311#煤层中

2.2.3 技术质量保障措施

(1)由于探放水钻孔布置在煤层顶板岩石中，防止因反推力使钻机移位，钻进过程中必须保持钻机自身的稳定，在钻孔施工前必须将钻机压柱和戗柱打设牢固。

(2)ZL-500型煤矿用坑道钻机共分为4个档位，除“0”位，其余3个档位分为高速、中速和低速，该钻孔布置在岩石中，钻进速度不宜太快，选择低中速档位较为适宜。

(3)由于探放水钻孔布置在煤层顶板岩石中，当压力较小时钻进速度极为缓慢，且钻头磨损较为严重，压力较大时钻杆不能承受，造成弯曲，导致钻孔不直，从而达不到设计要求，根据实际施工情况，钻机压力控制在3 MPa为宜。

(4)1#、2#钻孔主要探明巷道前方煤层采掘活动，其施工长度决定巷道允许掘进距离；3#、4#、5#、6#钻孔主要探明巷道上方煤层采掘活动和积水情况，所有钻孔终孔位置必须打设至煤层中。

(5)止水套管直径选择主要取决于开孔和终孔直径，本次钻孔开孔直径为115 mm，终孔直径为56 mm，故止水套管选用φ63 mm钢管制作，在钻孔两侧开小孔，灌注水泥浆进行固定，为缩短固定时间，可在水泥浆中添加水玻璃。

3 结 语

该探放水施工方式充分运用了急倾斜煤层开采后顶底板岩石运动规律，通过煤层顶底板完整性判定煤层的采掘活动，该施工方式不仅提高钻孔进度和成孔率，而且每个钻孔均达到设计长度要求。采用该钻孔施工技术，3～4个小班能完成一次探放水6个钻孔的施工，较钻孔布置在煤层中速度提高了2～3倍；缩短钻孔施工时间1.5个月，单进水平提高到140 m/月，工作面提前3个月形成，多生产原煤6万t，较大程度缓解了矿井单翼生产过于集中和接续紧张局面，具有良好的经济效益和社会效益。