煤矿探放水市场化探索与思考

2021-04-06刘海涛

陕西煤炭 2021年2期

曹帅，刘海涛

(1.陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西彬州 713500；2.陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西西安 710065)

0 引言

煤矿开采过程中伴随着水害的发生，给煤矿的安全生产带来了巨大危害，严重影响了煤炭资源开采的可持续发展[1-5]。特别是随着煤矿采掘延伸，矿井水害日趋严重，淹井伤人事故时有发生，严重制约着煤炭企业的生产[6]。钻探是防治水工作中惯用的手法，能够真切地反映地层的赋水情况[7]，根据巷道水文地质特征，在有突水威胁区域运用钻孔疏排含水体[8]，有效遏制了大部分水害威胁，也大大增加了生产成本，防治水费用居高不下。在安全要求日益严格的新形势下，煤炭企业急需挖掘潜力，探寻生产成本精细管理新措施[9]。在市场观念深入人心的时代，有效办法就是引入市场机制[10]。所谓内部市场化，就是在企业内部引入市场化机制，各部门转变为内部市场的经营主体，各内部经营单元之间实现买卖关系[11-13]，是把行政隶属和经济关系有机结合的管理新机制[9]，为此许多学者展开了大量的理论研究，刘中文等[14]对市场化管理运营进行了全面的研究，张瑞玉等[15]基于内部市场化运作的煤矿成本管控体系进行了探索，山东能源龙矿集团北皂煤矿[16]对内部市场化进行了实践，王丹等[17]在煤矿企业内部市场化精细管理的机理与动因方面作了深刻探讨，刘宁宁等[18]基于内部市场化的煤矿成本精细化管理做了研究。大量研究成果推动了煤矿内部市场化的发展。针对文家坡煤矿4104工作面探放水内部市场化进行较系统的综述，希望对煤矿降本增效、安全生产有所帮助。

1 探放水现状

1.1 掘进工作面探放水

在巷道掘进期间，对掘进头前方导水构造的探查是防治水工作的重点。巷道掘进前，首先采用直流电法超前探测技术，探查掘进头前方是否存在低阻异常区，如果存在异常区则采用钻探手段进行探查和验证，对钻探查明的导水构造，采用探放水和注浆封堵治理。根据文家坡矿井目前积累的资料，4号煤层裂隙含水层、顶板砂岩含水层和直罗组砂岩含水层均有一定的富水性，且各砂岩含水层富水性极不均一，因此在巷道掘进过程中，超前探测尤为重要。超前物探的主要方法为直流电法技术，电法探测掘进头前方的含水构造及赋水异常体，这一方法在煤巷中使用效果较好，因为煤为高阻介质，在有含水构造时介质的电阻差异很大，易于发现异常；而在砂、泥岩中使用效果不好，原因是砂、泥岩为低阻层，其内的含水构造电性差异小。井下直流电法超前探测距离能达到100 m，为巷道安全掘进提供有力保障。在巷道掘进过程中，每100 m先进行井下直流电法超前探查，并根据探查结果对异常区段进行钻探验证，经查明后再进行掘进，确保巷道掘进安全。

1.2 回采工作面探放水

在采煤工作面布置的防治水工程主要是物探、钻探为主，在工作面巷道形成之后开展物探探查，在工作面切眼贯通后完成探查工作。钻探工程既要针对物探结果提供的异常区，又必须顾全整个工作面的全面疏放，主要目标是对顶板水以及可能发生的离层水进行提前疏放，为工作面安全回采提供保障。由于文家坡煤矿4号煤层顶板直罗组砂岩含水层水文地质条件复杂，且水文地质条件探查不足，因此在回采阶段应进行相应的防治水探查工作，需提前疏放含水威胁区，通过疏水降压的方式保证工作面的回采安全。探放水钻孔的布置和超前距离根据水头高低、煤(岩)层厚度和硬度等确定[19-23]。对已经施工完毕的探放水钻孔要进行水量和水压观测，对观测数据及时建立台账，以便于分析工作面回采前的水文地质条件；根据疏放水钻孔水量观测数据，对钻孔的参数及时进行优化和调整，在达到疏水降压的同时，使疏放水工程经济合理。

2 探放水工作市场化探索

2.1 探放水方案

2.1.1 4104工作面水文地质条件分析

4104工作面范围内煤层上覆多个含水层，延安组和直罗组含水层富水性相对较弱，虽然其与煤层距离较近但是对工作面回采影响较小；宜君组含水层厚度有限，砾岩胶结致密，含水层富水性相对较弱；洛河组含水层为主要含水层，厚度大，富水性中等；宜君组和洛河组为整合接触，地层之间无明显隔水层段，两者之间存在一定的水力联系。根据槽波勘探、电法勘探、地面钻孔勘探、掘进揭露及4号煤层顶板低阻异常平面图，分析4104工作面共有6个异常区需要钻探疏放。

2.1.2 4104工作面探放水思路

工作面回采前必须对顶板水提前进行预疏放，核准断层产状、位置，分析断层带的富(导)水性，并在平面图和剖面图上确定断层与工作面的空间几何关系；巷道通过导水或可能导水断层前，必须超前探水，对与强含水层连通的导水断层，必须按规定留设防水煤柱。采用物探与钻探相结合的方法探查冲刷带、离层水。采取地面启封，重新封堵的方法处理封闭不良钻孔，防治封闭不良钻孔导通上部含水层，造成水害事故。

2.1.3 4104工作面探放水设备

煤矿用全液压坑道式钻机，具体参数见表1。

表1 钻机参数Table 1 Drilling rig parameters

2.1.4 钻探工程布设

为准确查清4104工作面水文地质条件，查明4号煤层顶板富水情况，需布设工作面专门探放水孔，共布设钻孔12个，按照由切眼到停采线方向依次施工，根据现场施工条件布设在回风顺槽7个，运输顺槽5个，累计钻进2 372 m，开孔高度1.8 m。钻孔布设参数和位置见表2。

表2 4104工作面疏放水工程量Table 2 Quantity of drainage works in 4104 working face

2.1.5 钻孔施工

钻孔结构与施工工序：钻孔结构设计为一次变径，便于下入孔口管护孔，下入层位为开孔深度20 m。一开φ133 mm钻进至孔深10 m，下入φ108 mm套管；二开φ73 mm钻进至终孔。

钻孔结构见表3，其设计如图1所示。

图1 钻孔结构设计示意Fig.1 Drilling structure design

表3 钻孔结构参数Table 3 Drilling structure parameters

孔口安全装置：孔口安全装置由孔口管、泄水短管、三通、水压表、泄水阀、孔口水门和钻杆逆止阀等装置组成，如图2所示。

图2 探查孔孔口安全装置示意Fig.2 Schematic diagram of probe hole safety device

钻孔施工技术要求：下入孔口管采用标号不低于42.5R水泥，水灰比0.6～0.8∶1，注浆固结24 h后，进行扫孔，超过原孔深0.1 m后，进行耐压试验，试验压力不低于3.4 MPa，试验压力稳定30 min以上，孔口及围岩无松动无跑漏水现象，视为合格，否则重新对套管进行注浆。孔口安装高压阀门和压力表，安设排水管路。在钻孔施工过程中需做好水质、水压、水量、水温的观测。钻孔出现明显的涌水现象时需做详细观测。水量发生突变和终孔时，均停钻测稳定水压(水位)、水量和水温，采样并化验水质。施工过程中需加强孔斜监控，终孔进行孔斜测量，发现有孔斜趋势及时纠偏。探放水过程中需对异常情况进行观测，详细记录卡钻、塌孔等现象。钻探进入破碎带内可使用泥浆钻进，完整地层则一律清水钻进。探查钻孔施工前，需挖好水沟做好排水措施，确保有效排水能力达到要求。监测有毒有害气体，发现问题及时采取对策。

2.1.6 钻孔施工结果

工作面共设计疏放钻孔12个，实际施工钻孔12个，钻孔施工均达到设计要求。钻孔施工过程中均未发现明显的出水现象，钻孔涌水量为1～2 m3/h，表明工作面范围内直罗组含水层富水性较弱。