仰孔分段注水法钻探与高抽巷优化布置研究

吕立斌

（阳泉煤业（集团）有限责任公司 一矿，山西 阳泉 045008）

高抽巷是阳泉矿区常用的邻近层卸压瓦斯抽采方式。目前高抽巷的设计和支护主要依靠现场经验，对高抽巷的最佳布设位置缺乏深入研究，制约了高抽巷的使用效果。高抽巷优化布置的关键是确定覆岩变形破坏范围。目前覆岩探测方法种类很多，如经验公式法，数值模拟，材料模拟，钻探和常规物探等，但都存在一定局限性。为了获得覆岩变形破坏精细探测数据，确定试验区覆岩变形破坏范围和高抽巷优化布置方案，开展了本项目研究。

本项目以阳煤一矿81401工作面为试验地点，通过仰孔分段注水法钻探，确定阳煤一矿81401工作面覆岩变形破坏范围，提出高抽巷优化布置方案。

1 技术方法

井下仰孔分段注水观测法在井下采煤工作面周围选择合适的观测场所，例如在相邻工作面的平巷或所测工作面的停采线或开切眼以外的巷道中开掘钻场，向采空区上方打仰斜钻孔，钻孔应避开冒落带斜穿裂隙带，达到预计的裂隙带顶界以上一定的高度，使用“钻孔双端封堵测漏装置”沿钻孔进行分段封堵注水，测定钻孔各段水的漏水流量，以此了解岩石的破裂松动等相关情况，确定裂隙带的上界高度。

2 钻孔布置方案

选择在停采线附近，其次要考虑钻孔开工处没有大的地质构造围岩要有完整性，以便于巷道峒室的维护和在观测过程中孔口的完整，还应考虑水源、通风行人的方便。综合考虑上述因素，决定将观测剖面设在81401工作面停采线附近的进风巷内，停采线外距离停采线10 m处施工2个探测钻孔，其中1#探测钻孔为采后观测钻孔，2#探测钻孔为采前观测钻孔。2个探测钻孔的方位、倾角、孔径、长度参数见钻孔参数如表1所示，钻孔布置见图1。

图1 钻孔布置

1#探测钻孔与81401进风巷中线成30°角，见图1（a）；高度控制在98 m左右，水平上终孔位置在工作面以里54 m。

2#探测钻孔与81401进风巷中线成25°角，见图1（b）；高度控制在85 m左右，水平上终孔位置在工作面以外38 m。

本次裂隙带探测工程共设计2个钻孔，即1#探测钻孔和2#探测钻孔。其中表1中的孔深均为从煤层顶板处开始算起。

表1 设计钻孔参数一览表

观测地点除能放置一台钻机及其钻杆等配套器材外，还需容纳4～6人进行钻机作业与观测，场地面积应不小于8 m2，高度控制在2.5 m上下，不宜过高。作业场所内应配备不小于1 MPa的高压水源管路及相应的阀门和接头。

3 探测过程

2017年3月10日，华北科技学院技术人员3人，带着探测仪器入驻现场。通过与阳煤一矿通风工区王工、刘队长等相关技术人员讨论，明确了项目现场实施地点、钻孔施工参数及测试所需的静压水管、注水泵连接等事宜，并在地面焊接了转换接头4个。在矿领导及相关技术人员的大力支持下，至3月16日，顺利完成了2个探测孔的现场探测工作，累计分段注水测点102个。

3月11日钻机到位，开始施工1#探测钻孔（采后钻孔），孔径94mm，3月13日早班下井开始测试，由于钻杆加上捆绑的钢编管直径约90mm，导致探测装置在孔内输送不顺畅，与矿上技术人员讨论，改用113mm钻孔进行扩孔，之后再进行探测。

3月14日1#钻孔扩孔完成，下午下井进行探测。井下系统性检查探测装置密封性后，开始送入钻孔进行探测，从钻孔3.5 m深度（送入钻孔2根钻杆，单根钻杆长1.5 m，单根胶囊长度约0.5 m）开始测试。

1）首先打开井下静压水管阀门，调节起胀平台上进水阀门，控制注水压力为0.5 MPa，探测装置的上、下胶囊膨胀实现封孔，钻孔内形成一段封闭测试空间。

2）2）打开注水泵，压力水通过钻杆内部空间进入钻孔内部封闭测试段（钻杆连接处用麻绳缠绕保持密封性），调节注水平台进水阀门控制注水压力为0.1 MPa，观测并记录每分钟的注水量。

3）关闭注水平台进水阀门，打开气胀平台进水阀门使上、下胶囊泄压收缩，观测并记录注水平台上压力表数值，此为探测装置所处高度处的管路静水压力，简称“高程静压”。

4）孔外添加1根1.5 m钻杆，将探测装置继续推进钻孔1.5 m，按照上述步骤进行测试，注水压力为前个测试段的高程静压加上0.1 MPa，观测并记录每分钟的注水流量。

5）按照上述程序，逐段推进（每次推进1.5 m），逐段上行测试每分钟的注水流量。钻孔内测试段裂隙发育区域注水量较大，根据注水量大小可分析判断出覆岩裂隙带的发育情况。

3月15日晚班施工完成2#探测钻孔，钻孔长度90 m，按照上述测试方法完成了钻孔的上行逐段探测工作。

4 探测结果

图2为1#和2#探测孔的注水流量曲线图。由图可见，1#探测孔（采后钻孔）在15#煤上方3～20 m之间，由于钻孔未进入采动影响范围，注水流量较小，普遍低于6 L/min；在20～71 m之间，此时已进入采空区上方裂隙带内，注水流量较大，大部分高于10 L/min，最大流量达18 L/min，此段裂隙发育，处于采动影响裂隙带内。从73.8 m开始，注水流量显著减小，之后6个测试点的注水流量均为2 L/min，其中1个点测值为0，钻孔开始进入弯曲下沉带（压实）范围。2#探测钻孔为对比分析钻孔，未受到采动影响，整个测试过程注水流量均较小，最大流量值为8 L/min，大部分均小于6 L/min，其中3个点测值为0。

图2 探测结果

综上分析，将测试段注水流量大于10 L/min作为裂隙带高度判据。根据现场探测成果，阳煤一矿81401工作面钻探位置裂隙带高度为71～73.8 m，最大发育高度73.8 m。

5 结语

通过在一矿81401工作面停采线附近的进风巷内，停采线外距离停采线10 m处施工2个探测钻孔，采用井下仰孔分段注水观测法对覆岩变形破坏进行钻探探测。根据现场探测成果，阳煤一矿81401工作面钻探位置裂隙带最大发育高度73.8 m。钻探位置裂隙带发育高度位于55～98 m的主关键层和亚关键词之间，说明钻探位置停采40天后亚关键层已破断，但裂隙尚未发育至主关键层。

研究建立的覆岩变形破坏精细探测技术及提出高抽巷优化布置方案，有利于一矿及相似地质条件矿井合理布置高抽巷层位。同时，由于该项目技术含量高、经济及社会效益显著，不仅能够有效指导矿井工作面高抽巷布置，提高瓦斯抽采效果，而且对水害防治和水资源保护提供了开采上限的依据。为矿井安全高效生产提供技术支撑。

〔1〕范志胜，等.应用井下仰孔分段注水观测导水断裂带高度[J].矿业安全与环保，2010，37（6）.

〔2〕张 朋.仰孔分段注水技术在黄陵二号煤矿采空区顶板裂隙带探测中的应用[J].科学与财富，2016，8（4）.