仰上钻孔探放顶板砂岩水在3上502 工作面防治水中应用

张洪强 崔 岩 刘恒明

（枣庄矿业集团高庄煤业有限公司，山东 微山 277605）

1 工作面概况

3上502 工作面为高煤公司首个提高开采上限工作面，开采山西组第3上煤层，浅部靠近煤层露头保护煤柱，深部为3上504 采空区。工作面总体为一单斜构造，煤岩层产状稳定，倾角10°～30°，平均19°。根据16-31、17-36、2003-1、2015-4、2015-5 钻孔资料，3上煤层上部基岩依次为山西组砂岩、第四系松散层，基岩厚度两端小中间大，厚度35～118.4m，平均76.7m，岩性以中、细粒砂岩为主，有时为粉砂岩、砂质泥岩，泥、钙质胶结，裂隙稍发育，富水性中等强度。根据工作面涌水量预计，正常涌水量30m3/h，最大涌水量252m3/h。预计顶板水涌水量大，突水可能性大，对工作面开采构成威胁。

2 工作面富水情况

根据工作面瞬变电磁物探情况，材料巷4#～5#导线点、5#点前72m～7#导线点、9#～15#导线点存在顶板富水异常区，视电阻率3～5。尤其是9#～15#顶板富水异常区面积大，与揭露构造、现场淋水位置相吻合。见图1、图2。

图1 材料巷顶板探测结果

图2 材料巷顶板探测结果

3 探放水方案

为消除威胁，确保工作面开采不受突水影响，采用施工仰上钻孔，一方面在工作面两巷选择合适位置对顶板砂岩水进行探放，探测顶板富水情况和第四系底部含水层岩性和富水特征，另一方面利用仰上孔对顶板砂岩水进行疏放，超前疏解顶板砂岩水威胁。

4 钻孔设计及钻机选型

（1）钻场布置、钻孔设计

根据探放水原则和“探放水地点要尽量接近富水性较强的顶板砂岩，并且便于施工”的原则，此次探放水在材料巷布置五个钻场：① 5#点后5.2m处为1#钻场；② 6#点前16.7m 处为2#钻场；③ 11#点后20.5m 处为3#钻场；④ 13#点处为4#钻场；⑤ 20#点后55m 处为5#钻场。每个钻场布置1 个钻孔，均为斜上孔，钻孔参数见表1。

表1 钻孔具体参数

钻孔深度以进入第四系垂直厚度10m 为准。5个钻孔结构、设计参数类似，用一个图代替说明，见图3。

图3 钻孔剖面

施工顺序：本次钻探施工顺序按5#、4#、3#、2#、1#钻孔依次施工。单孔工艺流程为：摆钻→固定钻机→开孔→下套管→注浆→扫孔→打压试验→变换钻头钻进至终孔→封孔。封孔要求：全孔封闭，材料用水泥或水泥-水玻璃双液浆。

（2）钻机设备

本次打钻采用煤科院西安分院生产的ZDY1900S 型 钻 机； 钻 进 深 度300m， 输 出 扭矩1900N.m，输出转速85～300r/min，钻杆直径73/63.5mm，最大起拔力77kN，给进力112kN，功率37kW，能够满足钻探要求。

（3）止水套管

五个钻场最低底板标高-134.0m，第四系水位标高+31.6m。取钻孔出水最大水压为1.65MPa。根据《煤矿防治水细则》第48 条 “岩层中探水钻孔超前钻距和止水套管长度”的规定，5 个钻孔的止水套管长度分别取12m。

（4）钻孔结构

根据钻机性能和钻探目的确定钻孔结构为：钻孔开孔孔径为Φ127mm，钻进13m，下108mm 套管12m 后，变孔径为Φ75mm 钻进至终孔。

5 施工安全措施

（1）钻机队根据探放水设计编制施工安全技术措施，同本设计一并传达、学习，每名钻探工必须经考试合格，持证上岗作业。

（2）开钻前由地测科测量人员对设计钻孔角度放线，确保准确钻进至设计位置。

（3）施工过程中要做到记录清楚，孔深丈量准确，坚持每日上报地测科。

（4）钻杆后面和机头附近严禁站人。套管外壁要焊上钢筋，防止水压过大套管崩出。打压实验压力要达到2.5MPa，时间要持续0.5h 以上。

（5）由设计室设计水仓尺寸，区队按设计在钻场内施工水仓，并形成两台排量30m3/h 泵及配套4 寸排水管。

（6）施工前必须设置钻场与调度室的直通电话，以便发现问题及时向调度室汇报。

（7）打钻过程中要密切注意观察钻场附近巷道的变化情况，如果钻进时发现煤岩层变软、片帮来压或钻孔水压、水量突然增大以及有顶钻异常时，必须停止打钻，但不得拔出钻杆，现场负责人要立即报告矿调度，及时采取措施进行处理。同时要通知受水害威胁地点人员撤至安全地点。

（8）在钻进中，严格执行“三看”、“二听”、“一及时”，仔细判断孔内情况。“三看”即看给进压力和进尺速度，看泵压表和孔口上返水情况，看水接头情况；“二听”即听机器运转声音，听孔内震动声；“一及时”即发现异状及时处理。

（9）调度室及施工区队要确保撤人报警系统安全可靠，一旦遇有特殊情况能及时撤离现场人员。

6 探放水工程量、效果分析

6.1 探放水工程量

在3上502 工作面材料巷共施工5 个顶板基岩厚度探测孔兼探放水钻孔，总进尺391m。探测切眼附近基岩最薄，为45.2m，总体粘土层厚约1m，粘土层厚度较薄。1#孔涌水量18.3m3/h，2#孔涌水量2.3m3/h、3#孔涌水量3m3/h，切眼附近4#钻孔和5#钻孔不出水。钻探出水均在钻孔进尺约30m 左右，特别是1#孔，以倾角60°施工该顶板孔，当进尺达23m 时钻孔出水达18.3m3/h，停止钻进放水，疏放两天以后出水未明显减小，继续钻进至83m，探测到第四底界砂层，水量未增大。出水原因：靠近砂岩层露头，且工作面南约100m 粘土层缺失，砂岩层水量补给丰富，是出水的主要原因。其中对3#孔出水进行水质化验，氨离子和硝酸根离子含量较低，分析水源为顶板砂岩水。历经3 个多月疏放，1#、2#、3#钻孔出水分别减小至4m3/h、0.5m3/h、1m3/h，累计放出水量20064m3。至3上502 工作面回采结束时上述钻孔已全部推过处于采空区内，由采空区流出动水稳定在5m3/h 左右。施工仰上钻孔较好地实现了疏放砂岩含水层裂隙水的目的，为降低工作面突然涌水量做了长足准备。

6.2 效果分析

工作面下运且无泄水巷，造成工作面抗突水能力极差，一旦工作面突水，就会给工作面生产安全带来严重影响。3上502 工作面在物探富水区和现场淋水点调查基础上，采用仰上钻孔成功疏放顶板含水层水，改变以往依靠工作面回采期间基本顶自然垮落疏放顶板水的单一治理模式，超前工作面精准疏放上部含水层水，有效降低了顶板含水层水压，在消减工作面回采期间顶板突水量、突水强度和突水峰值方面发挥了重大作用，具有极大的应用和推广价值。