煤矿探水钻孔封孔工艺的优化与应用

董 华

（晋能控股煤业集团四老沟矿，山西 大同 037031）

1 四老沟矿概况

晋能控股煤业集团四老沟矿2106巷井下位于主运大巷东北部，工作面东部为四老沟矿8102工作面，北部为四老沟矿与同忻矿矿界，西部未开拓。

2106巷设计长度为1 400 m，巷道断面规格（宽×高）为4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为3号—5号煤层，平均厚度为11.3 m，施工巷道沿煤层底板进行平行掘进，截止目前巷道已掘进500 m[1-2]。

2106巷上覆有侏罗系2号、4号采空区，对应2106巷上覆210~650 m，层间距为54 m，预计积水量约0.6万m3；在4号层有四老沟矿8401、8403、8405、8407、8409、8411采空区，位于2106巷860~1 150 m段，层间距为60 m左右，预计积水量约0.37万m3。为了保证巷道安全掘进，避免透水事故的发生[3-4]，2106巷掘进前期主要采用钻探技术手段进行放水施工，巷道迎头煤壁共计布置5个探水钻孔，钻孔具体布置参数如表1所示。

表1 2106巷前期探水钻孔技术参数表

2 2106巷掘进前期钻孔封孔工艺问题分析

1）封孔长度不合理.2106巷掘进煤层为3号—5号合并煤层，煤层平均厚度为11.3 m，巷道掘进高度为3.5 m，留顶煤厚度为7.8 m，而巷道掘进前期探水钻孔布置在工作迎头距顶板1.5 m处，钻孔仰角为25°，通过计算可知探水钻孔在顶煤段长度为22 m，而通过窥视钻孔发现，钻孔在顶煤13 m范围内钻孔壁裂隙发育，局部出现塌孔现象，而原钻孔封孔长度为9.0 m，位于顶煤破碎区内，导致钻孔封孔效果差，放水时很容易出现透水事故。

2）封孔工艺落后。2106巷掘进前期探水钻孔主要采用膨胀水泥进行封孔，封孔长度为6.0 m，膨胀水泥虽然具有凝固速度快、粘接效果好等优点，但是膨胀水泥渗透效果差，钻孔封孔段煤体高度裂隙发育，若无法对裂隙进行填充封堵，无法起到预期的封孔效果。

3）安全措施不到位。由于2106巷掘进的3号—5号合并煤层稳定性差，煤体内含多层夹矸，煤体单轴抗压强度不足20 MPa，而上覆采空区积水预计水压在0.8 MPa左右，在放水过程中高压水流冲击作用下很容易导致孔口处煤壁垮落，而前期探放水施工过程中钻场处仅仅对顶板支设一排单体液压支柱，安全措施不到位，探放水安全系数低。

3 探水钻孔封孔工艺的优化

3.1 合理确定钻孔封孔深度

为了合理确定钻孔封孔长度，保证后期探放水施工安全，决定采用煤屑量法确定钻孔封孔深度，保证钻孔封孔段延伸至稳定煤岩体内。

1）钻孔施工前在钻场煤壁施工三个煤屑量校验钻孔（钻孔编号为1号、2号、3号），校验钻孔深度为22 mm，其他参数与放水钻孔相同，每个校验钻孔在施工过程安排专人进行现场记录每米产生的煤屑量，并进行曲线图绘制。

2）通过现场记录发现，三个校验钻孔在0~6 m范围施工过程中平均产生的煤屑量为4.3 kg/m，钻孔在6~16 m范围内施工过程中产生的煤屑量为3.5 kg/m，并且呈递减趋势。在16~22 m范围内进行钻孔施工时产生的煤屑量为2.9 kg/m，并且趋于稳定，如图1所示。

图1 校验钻孔单米产生的煤屑量变化曲线图

3.2 采用囊袋式封孔工艺

为了提高钻孔封孔质量，防止放水过程中出现透水事故，决定对原封孔工艺进行优化，采用囊袋式“两堵一注”封孔工艺。

1）首先采用专用钻机配套直径为75 mm合金钻头进行钻孔施工，先施工扩孔钻孔，钻孔施工长度为16 m，钻孔施工完后将钻孔内煤矸石清理干净，然后更换直径为150 mm扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔长度为16 m。

2）扩孔到位后对钻孔内下放直径为120 mm孔口管，每节孔口管长度为3.5 m，孔口管见采用专用防漏连接套进行连接，孔口管安装到位后在孔底0.5 m范围内采用膨胀水泥进行固定孔口管，见图2。

图2 2106巷囊袋式封孔工艺平面示意图

3）孔口管采用膨胀水泥固定后在孔底处安装一个PKJW型环形封孔器，同样在孔口王0.5 m处安装一个环形封孔器，并对孔口处采用膨胀水泥进行固定，从而使孔口管中部形成一个环形封堵空间。

4）孔口管固定后对环形封堵空间内埋入一根直径为20 mm注浆钢管，软管另一端与注浆泵连接，然后进行注浆施工，注浆液采用聚氨酯化学注浆材料[3-4]，注浆压力为1.5 MPa。

5）注浆3 h后对封孔段进行注水耐压试验，注水压力为水压的3倍，注水耐压试验期间应安排专人观察孔壁渗水情况以及孔口管窜动情况，确定钻孔封孔合格后方可继续钻进[5]。

3.3 实施安全技术措施

为了保证后期探放水施工安全，防止钻场煤壁受水压影响导致煤壁垮落、顶板破碎顶现象，决定在放水前对钻场围岩采取“安装柔性纤维网+施工护帮梯形棚”联合措施进行控制。

1）铺设柔性纤维网：为了防止钻孔突水时导致整个钻场煤壁出现垮落现象，决定对钻场煤壁铺设，柔性纤维网规格（长×宽）为4.5 m×3.5m，该网采用聚氨酯纤维编织而成，网格长度为0.4 m，宽度为0.3 m，纤维网在横向最大承载拉力为580 kN/m，纵向最大承载拉力为470 N/m，每片纤维网与顶板采用长度为4.5 m槽钢进行固定，两帮采用玻璃钢锚杆进行固定，每排布置4根，玻璃钢锚杆布置间距为1.0 m。

2）护帮梯形棚支护：柔性纤维网铺设完成后，在煤壁处施工交错式护帮梯形棚，护帮梯形棚主要由纵向梯形棚、横向梯形棚和锚索组成，梯形棚主要由若干直径为20 mm圆钢焊制而成，其中纵向梯形棚长度3.2 m，宽度为0.5 m，横向梯形棚长度为4.2 m，宽度为0.5 m，每架梯形棚主要采用两根长度为4.5 m，直径为17.8 mm锚索进行固定，钻场煤壁共计施工纵向、横向梯形棚各3架，且成“井”字形布置。

4 优化工艺的应用效果

四老沟矿地测科对2106巷在后期掘进过程中施工了40个探水钻孔，其中有效放水孔28个，共计放水量为4 145 m3。矿地测科通过对原探水钻孔封孔工艺进行优化，在提出了“两堵一注”新型封孔工艺以及合理有效的安全技术措施后，巷道后期探放水施工期间未出现孔口管窜动以及煤壁渗水现象，达到了提高探水钻孔封孔效果的目的，保证了巷道安全快速掘进，取得了显著的应用成效。