煤矿仰斜探水钻孔封孔技术应用分析.pdf

煤炭与化工 Co al and Ch emic al Indu stry 第43卷第10期 2020年10月 Vo l .43 No .10 Oc t. 2020 煤矿安全环保与煤炭加工 煤矿仰斜探水钻孔封孔技术应用分析 王中奇 大同煤矿集团雁崖煤业有限公司，山西大同037003 摘要针对大同煤矿集团雁崖煤业有限公司8117运输顺槽前期掘进过程中顶板仰斜钻孔封 孔工艺差、水压大无法卸压等技术难题，为了进一步提高仰斜钻孔封孔质量，避免水害事故 发生，通过技术研究，对塔山煤矿一盘区8117运输顺槽掘进期间顶板仰斜探水钻孔提出“两 堵一注”封孔工艺，并安装了卸压控水装置，通过实际应用取得显著应用成效。 关键词掘进巷道；仰斜钻孔；两堵一注；封孔工艺；放水卸压 中图分类号TD712 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 10-0105-03 Analysis of the application of water drilling and sealing technology in mine Wang Zh o ngqi Datong Mining Group Yangya Mining Industry Corporation Ltd., Datong 037003, China Abstrac t In o rder to fu rth er impro ve th e qu al ity o f th e bo reh o l e seaEng and avo id water damage ac c idents, th ro u gh tec h nic al researc h , th e “two bl o c king and o ne injec tio n*1 seal ing pro c ess was pro po sed fo r th e to p pl ate bo reh o l e du ring th e pre-digging pro c ess o f 8117 transpo rt sh u n gro o ve o f Dato ng Co al Mining Gro u p Yangya Co al Indu stry Co mpany, and th e instal l atio n o f water pressu re c o ntro l devic e was ado pted, with signific ant appl ic atio n resu l ts. Key wo rds mining ro adway; u pward mining bo reh o l e; two bl o c king and o ne injec tio n; seal ing pro c ess; water pressu re rel ief 1概况 塔山煤矿一盘区8117运输顺槽设计长度为 1 600 m,巷道掘进断面为宽x高4.0 m x 3.1 m, 巷道掘进煤层为3号 5号煤层，煤层总厚度为14 叫 煤层内含4层夹砰，肝石总厚度为2.0 m。 3号 5号煤层宜接顶厚度为12 m,其中直接 顶往上8.0 m范围主要以炭质泥岩、高岭岩、砂质 泥岩混合岩层为主，混合岩层往上为2号煤层，厚 度为2.0 m,煤层往上为砂质泥岩，厚度为2.0 m; 基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为24 m, 3号 5号煤层上覆为山西组4号煤层三盘区东翼8106 工作面采空区，层间距为36 m,该工作面于2015 年6月回采结束并密闭。 根据水文地质资料显示，上覆采空区内含有大 量积水，积水量达8 450 m3,由于8117运输顺槽 顶板岩体裂隙发育，形成导水通道，对巷道掘进影 响较大。 2巷道掘进前期探放水施工现状及问题 分析 2.1巷道掘进前期探放水施工工艺 为了对上覆岩层采空区进行降压疏放，避免 8117运输顺槽掘进期间发生透水事故，巷道掘进 至100 m处时对巷道顶板施工仰斜钻孔进行顶板探 放水施工，每排布置3个钻孔，钻孔间距为1.5 m, 钻孔仰角为60。，钻孔深度为60 m,钻孔排距为 40 m,导向钻孔直径为75 mm,扩孔钻孔直径为 130 mo 钻孔扩孔深度为11m,钻孔施工完后对扩孔 责任编辑高小青 D0I 10.19286/j.c nki.c c i.2020J0.031 作者简介王中奇1986,男，山西大同人，助理工程师。 引用格式王中奇.煤矿仰斜探水钻孔封孔技术应用分析[J].煤炭与化工，2020 , 43 10 105-107, 111. 105 2020年第10期煤炭与化工第43卷 段安装孔口管，孔口管每节长度为3 m,孔口管直 径为110 mm,共计安装5节孔口管，孔口管安装 后对孔口管与钻孔壁之间采用膨胀水泥进行封堵, 封堵深度为8.0 m,封堵长度为2.0 mo钻孔封孔后 对孔口外露段孔口管安装控水阀门及压力表，所有 工序完成后进行放水施工。 2.2探放水施工现状 8117运输顺槽掘进至140 m施工第二排探水 钻孔时，位于巷道顶板中部钻孔出现流水现象，其 它2个钻孔为干孔;当巷道掘进至280 m处时顶板 3个钻孔全部为湿孔，单孔流水量为6.7 m3/h ,水 压达 1.2 MPa。 受封孔工艺影响，8117运输顺槽在放水期间 仰斜钻孔附近岩体渗水现象严重，巷道掘进至340 389 m段，受Fl、F2、F3三条断层影响，顶板 裂隙发育充分，导致在此区域共发生3次孔口管脱 落事故，2次钻孔涌水事故。由于原钻孔不具有卸 压作用，导致钻孔放水时孔口管窜动现象严重，孔 口管受水压作用出现2次断管事故，威胁着巷道探 放水施工安全。 2.3问题分析 （1） 封孔长度不足。由于8117运输顺槽直接 顶主要以炭质泥岩、高岭岩、砂质泥岩以及煤层等 混合岩层为主，岩体稳定性差，在钻孔施工扰动影 响下加剧了裂隙带贯穿力度，导致巷道顶板局部破 碎严重。而原仰斜钻孔仰角为60。，安装孔口管 长度为11m,封孔长度为2.0 m,封孔段位于泥岩 与2号煤层之间，未对钻孔裂隙发育区完全覆盖, 导致在放水期间钻孔壁裂隙渗水现象严重。 （2） 封孔工艺落后。巷道掘进前期原探水钻 孔主要采用膨胀水泥进行封孔,封孔长度为2.0叫 由于膨胀水泥在裂隙带处渗透能力差，对裂隙带封 堵、粘接效果差，而且原封孔工艺采用常压封孔, 导致孔口管封孔后孔口管不稳定，在放水水压作用 下，孔口管易窜动。 （3 ）卸压效果差。根据前期探放水施工监测 发现，上覆8106采空区积水水压在1.0 1.5 MPa, 水压大，在前期放水时水压冲击作用对孔口放水设 备损坏严重，无法控制放水水压，不利于探放水施 工安全。 3新型钻孔封孔工艺分析 为了进一步提高仰斜钻孔封孔质量，合理确定 钻孔封孔深度，保证钻孔放水安全，决定采用煤屑 量法确定钻孔封孔长度，采用”两堵一注”新型封 孔工艺及安装卸压控水装置。 3.1煤屑量法应用原理 为了合理确定封孔长度，保证钻孔封孔长度延 伸至煤体稳定区内，决定采用煤屑量法确定封孔长 度，探水钻孔施工前在煤壁处施工3个校验钻孔, 钻孔深度为30 m,仰角为17。，钻孔宜径为75 mm,在钻孔施工过程中记录开口至终孔段每米产 生的煤屑量，通过记录发现，在0 8m钻孔施工 期间平均产生的煤屑量为3.9 kg/m,在8 13 m平 均产生的煤屑量为3.2 kg/m,在13 30 m平均产 生的煤屑量为2.62.6 kg/m,且趋于稳定。由此可见在 13 m后煤体区域稳定，因此将封孔长度确定为14 m,如图1所示。 丁 2 ・ 2 ・ 、 * 嘤蟆 一 耀 4 3 2 1 最大僖（3.4 kg） 2号钻孔3号铅孔 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 钻孔深度/in 图1校验钻孔深度与产生煤屑量变化曲线 Fig. 1 Variatio n c u rve o f bo reh o l e depth and th e amo u nt o f c o al du st pro du c ed 3.2两注一堵封孔工艺 （1 ）扩孔施工。在工作面安装ZQJC架柱式 钻机，调整钻杆角度进行顶板仰斜钻孔施工。钻杆 安装宜径为75 mm合金钢钻头进行钻孔施工，钻 孔钻进15 m后立即停止钻进并更换直径为130 mm 扩孔钻头，采用湿式扩孔确保扩孔后孔壁光滑，扩 孔深度为14 m,扩孔直径为130 mm,扩孔后及时 清理钻孔内煤屑。 （2） 安装孔口管。为了提高孔口管抗压强度, 孔口管采用高强度聚氨酯材料，孔口管直径为108 mm,每节孔口管长度为3 m,共计安装5根孔口 管，管与管之间采用丝扣连接。 （3） 两注一堵封孔工艺。①孔口管安装后, 在扩孔底部0.8 m处采用膨胀水泥进行封堵,膨胀 水泥封堵后安装1根K-H町型环形封孔器并使其 膨胀；②在孔口管与孔壁之间安装1根直径为10 mm注浆软管，然后在距孔口 0.8 m处同样安装1 个环形封孔，采用膨胀水泥进行封孔，扩孔段前后 封孔后中部段形成1个环形封堵空间，封堵空间长 度为11.4m,如图2所示；③钻孔封孔完成后，将 106 王中奇煤矿仰斜探水钻孔封孔技术应用分析2020年第10期 注浆软管一端与2ZBQ-5/4注浆泵连接，对封堵环 形空间进行注浆施工，注浆材料采用XZFKL-I型 封孔材料，该材料有粘度高、小裂隙渗透能力强、 凝固时间短等优点，注浆时采用“先孔底后孔口、 先高压后低压”注浆原则；④封孔后对孔口管依次 安装固定法兰盘、卸压装置、压力表，并采用锚杆 将固定法兰盘与顶板进行固定。 图2 “两堵一注”囊袋式封孔工艺示意 Fig. 2 “Two bl o c ks and o ne po u r* bagtype h o l e seal ing pro c ess 3.3安装卸压控水装置 3.3.1 装置结构组成 1 8117运输顺槽仰斜探水钻孔安装的卸压 控水装置主要由压力表、电控液阀、法兰盘、环形 抱箍、控水管、PLC控制器及联锁开关等部分组 成，如图3所示。 2PLC控制器主要实现数据采集、信号处 理及指令发送等，环形抱箍宽度为0.3 m,通过抱 箍可对钻杆进行固定，防止钻杆喷出现象。 3 压力表内安装信息采集器且与PLC控制 器连接，电控液阀安装在控水管上，分别与PLC 控制器及额定电流为80 A的联锁开关连接。 图3卸压控水装置结构示意 Fig. 3 Stru c tu re o f pressu rerel ief water c o ntro l devic e 3.3.2 工作原理 钻孔施工期间，当上覆采空区积水区水压大于 1.1 MPa时，压力表内信息采集器及时将水压数据 信号传递至PLC控制器，控制器接受信号后进行 处理，并对联锁开关下发”开启”指令，联锁开关 及时对电控液阀送电，电控液阀内部接触器吸合, 电控液阀打开实现放水卸压作用；当水压低于0.8 MPa时，压力表内信息采集器再次将水压信号传递 至PLC控制器内，经信号处理及指令发送，联锁 开关“关闭”电控液阀电源，电控液阀内接触器断 开，停止放水卸压动作。 3.4实际应用效果分析 截止2020年4月21日，8117运输顺槽已掘 进到位，共施工120个顶板仰斜探水钻孔，共计放 水量为8 127 n,通过对仰斜探水钻孔封孔工艺进 行优化后，巷道在后期探放水施工时，未出现钻孔 孔口管窜动、钻孔透水以及水压顶钻等现象，保证 了巷道探放水施工安全。 4结论 针对8117运输顺槽前期掘进阶段仰斜探水钻 孔封孔工艺差，探放水施工安全系数低等技术难 题，通过技术研究对原探水钻孔封孔工艺进行优 化，通过实际应用取得了显著应用成效。 1优化后封孔工艺采用煤屑量法确定煤体 下转第111页 107 刘洋洋深部厚煤层综放开采瓦斯抽采技术研究2020年第10期 上，同时采场与采空区瓦斯体积分数最大值为 0.60,不会发生瓦斯超限。 因此，150502工作面采用的U型通风系统配 合大直径穿透钻孔、大直径定向钻孔方案，瓦斯超 限治理效果显著，实现了深部厚煤层的高效、安全 开采。 3结论 （1） 通过分析多巷道通风系统瓦斯超限问题, 结合麦捷煤业有限公司150502工作面地质及开采 参数，利用数值模拟对比分析深部厚煤层大采高采 中3种不同通风方案下，采场及采空区瓦斯含量及 分布规律，结果表明，普通多巷道通风系统存在漏 风现象，风流多集中于采空区的上隅角处；定向抽 采系统漏风现象缓解，气体流场较为稳定；U型通 风系统配合定向钻孔和穿透钻孔方案中进风口、出 风口风流增大，使得采空区深部流场更为均匀稳 定，空气流动性降低，更有利于瓦斯抽采，瓦斯超 限治理效果最佳。 （2） 针对深部厚煤层大采高采场普通多巷道 通风系统中存在的问题，基于U型通风系统简单、 高效的方案优势，150502开采工作面建立了以U 型通风系统为基础，结合大直径定向钻孔和大直径 穿透钻孔采空区大流量抽采技术，避免了回采工作 面气流场循环漏风现象，有效的提高了采空区瓦斯 抽采量，从而解决了采场和采空区瓦斯超限问题。 参考文献 [1] 黄义通，戴华宾，孙 翔，等.高瓦斯坚硬厚煤层综放开采 瓦斯治理技术研究[J].煤炭技术，2019, 38（2） 94-96. 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