煤矿地测防治水卸压控水装置的设计与应用

杨剑萍

(山西汾西矿业集团 南关煤业有限责任公司， 山西 晋中 031304)

0 引言

探放水施工是消除采区水患，保证矿井安全生产的重要技术手段。目前煤矿施工探水钻孔进行排水，包括短孔超前钻探(钻孔<100 m)及深孔定向钻探，主要对积水区按照设计施工若干钻孔，然后在孔口处安装空口管及控水装置进行放水[1]。但在实际生产过程中，由于积水压力不同，采用传统控水装置进行放水时，会导致喷孔事故。

山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司1209回风巷位于井田一采区。1209回风巷东西布置，东为盘区大巷，南为实煤区，西为1207工作面，北为井田边界。

1209回风巷设计长度为1 100 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.0 m，工作面所采煤田属霍西煤田，2#煤层，煤厚2.10～2.40 m,均厚2.30 m，1209回采工作面的水文地质条件中等。1209回风巷下山掘进，标高由920 m到750 m。根据井田专门水文地质勘查报告可知，1209回风顺槽北侧49 m处含有两处小煤窑采空区，预计积水量为5 799 m3，水压为1.1～1.4 MPa,预计本工作面掘进期间正常涌水量为9 m3/h，最大涌水量为21 m3/h。

为了保证巷道安全掘进，1209回风巷施工超前钻孔对老窑采空区进行放水，工作面每掘进20 m在巷帮布置2个探水钻孔，钻孔深度为60 m，钻孔施工后安装空口管及控水装置进行放水。由于传统控水装置不具有卸压功能，所以在积水水压作用下经常出现喷管现象。根据矿地测科统计发现，1209回风巷在前期共计施工20个探水钻孔，在放水期间有13个钻孔出现喷管事故，导致巷道积水量加大，不仅降低了巷道探放水施工效率，还严重威胁着巷道掘进安全。对此，南关煤矿通过技术研究，设计了一套卸压控水装置，并在1209回风巷后期掘进中进行应用。

1 卸压控水装置的结构

1) 卸压控水装置主要由环形抱箍、控水管、控制闸阀、压力表接头、顶丝扳手、控水阀门、法兰盘、钻头套管等部分组成，如图1所示。

2) 钻头套管应根据封孔长度进行确定。1209回风巷钻头套管由PVC材料制成，直径为130 mm，总长度为12 m，单管长度为4 m，共计三节，管与管之间采用丝扣式连接[2]，套管外露长度为1.0 m。

3) 由于钻孔扩孔深度为11 m，钻孔扩孔直径为150 mm，钻头套管与孔壁之间存在间隙。为了保证钻头套管与孔壁连接稳固，采用ZBQ120型注浆泵向间隙处注入膨胀水泥砂浆进行充填。

4) 套管外露端分别安装压力表、控制阀闸、控水管、环形抱箍及控水阀门等。环形抱箍为环形橡胶塑料材质，在其上下端分别安装顶丝扳手，通过顶丝扳手可实现抱箍完全固定钻杆。

5) 压力表主要是对钻孔放出的积水水压进行检测；控水阀门位于控水管下端，当水压较大时可以人工开启控水阀门进行卸压；控制闸阀主要对钻孔出水时进行临时堵水。

1-钻杆； 2-环形抱箍； 3-控水管； 4-控制闸阀； 5-压力表； 6-钻孔； 7-水泥砂浆； 8-钻头； 9-钻头套管； 10-法兰盘； 11-控水阀门； 12-顶丝扳手。图1 煤矿防治水卸压控水装置结构

2 卸压控水装置的工作原理

1) 当钻孔施工深度达11 m后，钻孔停止施工，对钻孔内安装钻头套管，相邻套管间采用丝扣式连接。钻头套管安装到位后，采用ZBQ120型注浆泵向套管与孔壁的间隙高压填充膨胀水泥进行封孔处理[3]，封孔后套管稳固时间不得低于2 h。

2) 钻头套管安装稳固后，在外露端依次安装控水装置的其他配件。待全部安装完毕后，钻孔继续钻进。当钻孔施工至积水区时水压小于0.5 MPa时，直接拔出钻杆，通过闸阀控制放水流量，进行放水施工。

3) 当水压大于0.5 MPa时，为了防止水压大导致钻头套管出现喷管现象，钻孔出现流水时禁止拔出钻头，人工拧紧顶丝扳手使橡胶环形抱箍紧紧抱住钻杆，从而有效防止在水压作用下出现钻杆射出。钻杆固定后，及时打开控水阀门进行卸压放水。在卸压放水时，应通过闸阀控制放水流量，防止水压大使控水阀门失灵。

4) 当放水卸压且压力低于0.5 MPa后，及时关闭控水阀门，人工反方向拧开顶丝扳手，使环形抱箍与钻杆脱离，然后拔出钻杆进行钻孔放水。

3 卸压控水装置的优缺点

3.1 装置优点

1) 结构简单。该装置结构相对简单，便于人员操作，装置故障率低，整套装置的成本费用仅需0.24万元，成本费用较低[4]。

2) 安全性能好。与传统控水装置相比，该装置实现了卸压功能，可根据水压大小实时对积水进行放水卸压，有效防止了因水压大在放水时导致套管脱落、喷管、钻杆射出等事故，安全性能好，可保障巷道安全放水施工。

3) 实用性强。该装置可用于不同复杂地质条件下探水钻孔内，不受地质条件及施工环境影响，而且还可以用于其他领域中(如隧道、地铁施工等)，实用性强，适用区域广。

3.2 装置缺点

1) 由于在钻孔施工时粉尘浓度大，且压力表密封差，导致压力表内附着粉尘较大，从而影响了压力表精度，需定期更换。

2) 环形抱箍橡胶材料具有一定的弹性，长期张紧使用使材料弹性降低，需定期更换。

4 实际应用效果分析

南关煤矿1209回风巷掘进至300 m处，在探放水施工时，对探水钻孔安装了卸压控水装置。截至2019年2月，1209回风巷已掘进完成，在后期掘进期间共计施工80个钻孔，其中64个为湿孔，16个为干孔，共计放水量为4 981 m3，平均水压为1.2 MPa。通过现场观察发现，采用卸压控水装置后，在放水过程中未发生一起因水压大导致套管窜动、喷管及透水等事故[5]。该装置可承受最大水压为2.5 MPa，有效保证了巷道放水施工安全，预计全年可为煤矿节约成本费用约72.4万元。

5 结论

山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司通过技术研究，对采掘工作面原探放水控水装置主要存在的问题进行了分析，并设计了一套卸压控水装置。通过实际应用表明，该装置结构简单，放水效果好，解决了传统控水装置无法卸压等技术难题，保证了钻孔安全高效放水，取得了显著的安全、经济效益，具有很好的推广意义。