矿井老空积水防治技术的综合应用

赵亚鑫

(同煤集团大斗沟煤业有限公司地测科，山西 大同 037024)

引 言

同煤某矿目前开采的11#煤层424盘区，其22406巷道设计长度2 230 m，每天的涌水量为6 000 m3～7 000 m3，距下层巷道的平均间距为65.7 m，在开采过程中顶板岩层出现移动，接触到一些含水层，含水层周围的岩体也在开采过程中受到破坏，不能承受含水层的静态压力，导致地下水沿顶板的裂隙进入老空巷道，形成老空积水[1]。为了对老空巷道的积水进行处理，根据矿区的地质条件，提出精确长钻孔技术方案，极大地提升了开采的安全性。

1 老空积水危害分析

22406巷道在开采过程中的涌水量较大，开采的时间也较长，在上层可能存在老空积水，根据煤层顶板导水裂隙带的发育高度计算见公式[2](1)。

H=(100∑M/1.2∑M+2.0)+8.9

(1)

其中，H为导水裂隙带的高度，m；M为煤层的厚度，m。

22406煤层厚度为6.45 m，计算出导水裂隙带的高度为75.12 m，可见其裂隙带的发育高度大于与下层的平均间距，会导致在进行工作面回采后，裂隙带发育到老空区，出现老空积水现象，影响对工作面的安全开采。

2 长钻孔技术方案

精确长钻孔技术是在随钻测控技术的基础上，通过跟踪测量和控制实际钻孔的轨迹，对老空积水区进行探放，以减少水害事故的发生。如果矿井老空区的位置确定，则可以确定长钻孔中靶目标区域，如果矿井老空区的位置不能确定，则需要对老空区进行超前钻孔探查，便于排出老空区的积水，同时通过施工分支孔，提高积水的排放能力。精确长钻孔技术探放水的原理如图1所示。

图1 精确长钻孔技术原理图

精确长钻孔技术主要采用随钻测量的定向钻来进行，其机身有很大的调角范围，通过控制孔底钻具的钻进方位和倾角，使其按照设定的轨迹进行钻进[3]。在实际钻进施工过程中，受煤层厚度、岩性特征、地质构造、钻进参数等影响，使得实际的钻孔轨迹发生变化，因而使用随钻测量仪器对实际钻进方位和倾角等参数和轨迹信息进行显示，以及时调整钻具的参数，确保按照设定的轨迹进行钻进。

3 钻孔关键工艺

由于老空区积水的水压不是很高，因此对老空积水钻孔探测主要从套管孔段、定向造斜孔段、定向稳斜孔段三部分来进行，老空积水探测的钻孔成孔工艺流程如第163页图2所示。

3.1 套管孔段设计

精确长钻孔技术在钻进过程中采用的是清水，因而在不稳定的层段进行套管封闭，且套管孔的长度设计是根据老空积水水量以及地下水压的大小来确定，一般在30m，为了确保顺利钻进，套管选用Φ127 mm的最小规格，钻头根据套管大小来定，在实际应用中，钻头的规格一般略大于套管规格，开孔的方位和倾角与设定值保持一致，且不超出允许的最大值，在进行钻进时，采用大直径的螺旋钻杆来进行，为了得到光滑的钻孔轨迹，在套管下入前，先用扫孔钻具进行扫孔，在套管下入时，为确保套管一直处于中间位置，每隔一定的距离设置扶正器，在套管孔口处固定特殊的卡夹装置，用钻机顶住，同时在孔口上方用钢丝绳固定锚杆，确保注浆时的安全，在施工完成后，使用测量仪器对钻孔轨迹进行测量，为定向造斜孔的钻具选择提供依据。

图2 老空积水探测的钻孔成孔工艺流程图

3.2 造斜孔段设计

根据地层变化状况设计定向造斜孔，选用Φ96 mm的钻孔直径，根据螺杆钻具的造斜能力以及通缆钻杆的弯曲强度，设计造斜的合理方位和倾角，以尽快调整钻孔的轨迹，如，1.25°的螺杆钻具，用来进行稳斜钻孔，设计的造斜强度一般为(1°～1.2°)/3 m，1.5°的螺杆钻具，用来进行强造斜钻孔和分支孔，设计的造斜强度一般为(1°～2°)/3 m[4]。如果要使钻进的速度加快，可以选用大扭矩的四级螺杆钻具来实现，也可以适当增大钻孔和岩层的夹角来实现，按照高于预测值10%～20%的造斜效率选择螺杆钻具，按照80%～90%的造斜能力设计钻孔轨迹，且在造斜钻进时，尽可能地及早扭方位，以控制钻孔的间距，保证顺利中靶，在钻进过程中，要先设计较高的造斜率，再逐渐减小，确保钻具平稳地进入稳斜孔。

3.3 稳斜孔段设计

在顺利通过造斜孔段后，钻孔进入到定向稳斜孔阶段，采用随钻测量定向钻进工艺进行施工，钻孔的直径仍然选用Φ96 mm，通过固定定向孔的方位和倾角，在出现偏差时在钻孔的上下以及左右位移的合理值内进行小范围的调整，在岩层的硬度很高时，施工分支孔来促进积水的排放，通过在分支点重复地使用低速磨削分支法来提高分支施孔的成功率，同时为了提高孔壁的质量，在每钻进一段距离后，要进行一次短程起下钻。

4 应用分析

同煤某矿22406巷道煤层厚度为6.45 m，隔水层厚度在24 m～27 m，水压为4.8 MPa～5.4 MPa，对大斗沟煤矿老空区积水进行探测，一共施工7个钻孔，其中5个主孔，2个分支孔，总进尺达3 306 m，长钻孔的实际参数如表1所示，在实际的钻孔施工中，每钻进6 m进行一次钻孔轨迹测量，并根据偏差对钻具的方位和倾角及时进行调节，确保实际轨迹与设定的轨迹偏差最小，在终孔后得到实际钻孔的轨迹如图3所示。

表1 实际钻孔参数表

图3 实际钻孔轨迹图

在现场的施工过程中，每个钻孔都钻进了目标靶点，从图3中可以看出，钻孔实际轨迹与设定的轨迹偏差较小。从表1可以看出，钻孔的最大出水量高达5.1 m3/h，主孔的孔深最高达432 m，在采用精确长钻孔对老空区的积水进行排放后，在后期的回采过程中没有出现老空区积水现象，保障了开采的安全进行。

5 结论

针对同煤某矿22406巷道长时间开采后在老空区形成积水现象，严重影响下层工作面的安全回采，根据煤矿巷道的地质特性，提出采用精确的长钻孔技术方案，对老空区积水进行探测，应用结果表明：

1) 根据顶板导水裂隙带的发育高度可知，在22406巷道上存在大量的老空区积水，影响正常回采的安全性。

2) 通过对精确长钻孔技术方案的分析，确定套管孔段、造斜孔段以及稳斜孔段的钻孔关键工艺技术并在大斗沟矿上进行实际验证，可以看出，钻孔的实际轨迹与设定的轨迹偏差很小，且主孔的孔深高达432m，最大出水量高达5.1 m3/h。

3) 设计的精确长钻孔方案能满足对老空区积水排放的要求，且积水排放效果明显。