3317工作面采空积水超前探放技术的研究与应用

2021-08-09张丽波

山东煤炭科技 2021年7期

张丽波

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西长治 046100）

郭庄煤矿在回采期间，随着煤层顶板的垮落，顶板砂岩裂隙水得以释放，形成采空区积水。针对这一问题，采用超前探放采空区积水技术[1]。由于该技术的可靠性较高，投入成本较小，治理效果较好，因此，在3317工作面回采期间，根据水文地质条件进行探放水钻探施工，以消除工作面的水害威胁。

1 水文地质概况

3317工作面位于山西组中下部，属3号可开采稳定煤层，煤层均厚6.02 m，煤质呈块状黑色，局部含有一层夹矸。煤层顶板的岩性依次为厚度3 m的砂质泥岩、厚度3.77 m的细粒砂岩、厚度6.07 m的粉砂岩、厚度3.63 m的细粒砂岩、厚度0.74 m的泥岩、厚度3.67 m的粉砂岩、厚度0.9 m的泥岩、厚度6.4 m的细粒砂岩、厚度11.01 m的粉砂岩；底板的岩性依次为厚度3 m的细粒砂岩、厚度2 m的砂质泥岩、厚度10.08 m的砂质泥岩、粉砂岩，厚度4.92 m的细粒砂岩、厚度2.78 m的粉砂岩。

工作面3号煤层的直接充水含水层是顶板和底板砂岩裂隙含水层，工作面顶底板的含水层具体示意图如图1。在回采过程中，过大的采动力会使岩层发生移动，采空区上方的岩层就出现局部塌陷和裂隙，破坏了隔水层的完整性，降低了岩层的隔水性能，在含水层与采空区含水层之间发生一定的水力联系，从而在采空区的蓄水地段形成采空区积水。可见，采空区积水是造成工作面安全回采的主要因素，在进行回采前，要对采空区的积水进行探放，以确保工作面回采的安全性。

图1 工作面顶底板的含水层示意图

2 探放水钻孔设计

2.1 钻孔布置

为了对3号煤层上覆采空区积水进行疏放，使顶板水害对回采的影响降到最低，采用探放水技术。在探测的异常区域设计8个钻场，每个钻场设计3个钻孔，共设计24个钻孔。在水平和竖直方向上，钻场都呈扇形方式布置[2]。在探测的非异常区域，每间隔100 m进行一次钻孔施工，对3号煤层顶板采空区积水进行探放。

2.2 施工工序及要求

（1）开孔。开孔时用金刚石钻头在煤层中钻进10.5 m，在达到预定的深度后，停止钻探，并对钻孔内部进行清洗。在钻孔时，要确保终孔钻入采空区内，开孔的孔径要大于止水套管的外径[3]，终孔的孔径要小于75 mm。

（2）下套管止水。止水套管在煤层中的总长度要达到10 m，分段将止水套管下入钻孔中，每一节的长度为1～2 m，中间用外丝进行连接，丝扣的长度是100 mm。止水套管在放入时要超出孔口10～15 m，便于连接法兰盘和高压闸阀。

（3）固定套管。先在套管的上环形间隙处插入一根3 m长的小气管，用铁丝进行固定，然后在小气管的端口处安装一个小闸阀[4]，用水泥浆进行封堵，再将水泥浆灌入钻孔和套管环形间隙中。当稠水泥浆从小气管中流出时，要停止注浆，封堵小气管。此时，继续向套管内灌入水泥浆，在达到一定压力后，停止注浆，同时关闭高压闸阀，待水泥浆凝固后，用封孔器进行封孔，使用锚索和钢丝绳固定封孔器，防止封孔器鼓出。

（4）扫孔试压。在止水套管周围的水泥浆凝固后，进行扫孔试压测试，确保扫孔深度大于止水套管0.5 m，然后通上高压水进行压力测试。试压的压力为预期水压的1.5～2倍，持续时间在0.5 h以上，同时详细记录测试时的压力，观察止水套管外部和周围的情况，一旦发现有渗水和跑水的现象，立即停止压力测试，重新固定止水套管，直到压力测试达到要求为止。

（5）安装压力装置。在止水套管的管口处分别安装测压表和球阀，当压力表的读数大于5 MPa时，即为达到压力要求。钻孔的结构示意图如图2。

图2 钻孔结构示意图

（6）终孔。在扫孔试压测试结束后，使用与终孔孔径一致的钻头继续钻至采空区。在预期的钻孔水压超过1.5 MPa时，要配合反压措施，安装防喷装置。

2.3 钻场支护技术

在探放水过程中，为了减少煤壁出现垮落，在钻场附近安装工字钢棚进行支护。工字钢棚包括顶梁、连接梁、棚腿以及底座，其中顶梁长1.5 m，棚腿长3.5 m。在垂直于钻场的煤壁处安装4架L型钢，每架钢棚的间距为1 m，棚腿与煤壁之间留有0.2 m的距离。用地锚将底座与底板固定，用4根螺栓将棚腿与底座连接并进行预紧，用卡兰将顶梁与棚腿固定，用固定锚杆将顶梁与顶板固定，用圆钢将钢棚与钢棚连接，圆钢的长度为1 m，直径为20 mm，用水泥背板将棚腿与煤壁连接，水泥背板的长度为1.2 m，宽度为0.3 m。

3 应用效果

郭庄煤矿在3317工作面进行探放水试验，在上覆采空区，施工钻孔4个、效果检验钻孔1个，钻探总掘进213 m，注水泥浆4.25 t，下入止水套管50 m。其中F1钻孔最大出水量为25 m3/h，F2钻孔最大出水量为23 m3/h，F3钻孔最大出水量为32 m3/h，F4钻孔最大出水量为35 m3/h。在4个钻孔的水都疏放完后，将钻机退出2 m，并施工检验钻孔，出水量为1 m3/h。具体的钻孔排水位置如图3。在巷道1580 m、1610 m以及1855 m，分别用离心水泵、潜水泵将积水排到井底水仓，然后再集中排到地面上。采用超前探放水技术，截至目前，共计排放水总量为6539 m3，水压从0.09 MPa降到0.02 MPa，约下降77%，有效缓解了采空区的积水情况，治理效果显著，为工作面的安全回采奠定基础。