囊袋式“两堵一注”封孔工艺在煤矿地质探放水中应用_王鹏江.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 煤矿地质探放水是消除矿井水害， 避免矿井水害 事故发生的重要技术手段， 而探水钻孔封孔长度长度 合理确定以及采取有效的封孔工艺是保证探水施工 质量的前提， 本文以大同煤矿集团朔州煤电有限公司 小峪煤矿为例， 分析矿井在探水钻孔封孔期间主要存 在的问题， 并提出了囊袋式封孔工艺、 煤屑量法确定 封孔长度以及架设 “L” 钢棚对钻场煤壁进行维护。 1概述 大同煤矿集团朔州煤电有限公司小峪井田位于 大同煤田中部的东南边缘， 地处怀仁境内， 矿井设计 生产能力为 1.2Mt/a，矿井主采煤层为石炭系 2、 3、 4、 5、 8 煤层， 现回采煤层为一水平 4 煤层， 平均 厚度为 3.55m， 本矿井水文地质条件简单,井田内无古 窑水,接近河床的上层煤采空区会有少量积水， 主要 充水水源为顶板上覆岩层裂隙含水层及构造含水层， 矿井采掘期间预计正常涌水量 40～60m3/h， 最大涌水 量 90m3/h。 为了防止矿井采掘工程施工中水害事故发生， 小峪煤矿在回采工作面布置前以及巷道的掘进施工 过程中通过布置探水钻孔进行水害防治， 根据矿地测 部分统计数据可知， 2017 年小峪煤矿共计施工 427 个探水钻孔， 钻孔总长度为 4.8 万 m， 共计放水量达 5754m3。 由于小峪煤矿探放水施工期间对钻孔封孔质量 重要性重视不足以及封孔技术水平相对落后， 钻孔封 孔后在放水时经常出现钻孔四周煤壁渗水、 孔口管窜 动现象，其中在 505 皮带延伸巷 1120～1510m 以及 1730～1940m段探放水施工中，因钻孔封孔不牢固造 成三次钻孔突水事故， 盘区被迫停产 4 天， 部分机电 设备淹毁， 造成经济损失达 92.43 万元。 2探放水施工中主要存在的问题 通过对探水钻孔施工、封孔工艺等观察研究发 现， 小峪煤矿探放水过程中主要存在以下几方面不 足。 2.1钻孔封孔长度不足 1 ）小峪煤矿探水钻孔封孔时，施工技术人员对 钻孔封孔长度未进行严格计算验证， 所有探水钻孔封 孔长度确定为 8m。 囊袋式 “两堵一注” 封孔工艺在煤矿地质探放水中应用 王 鹏 江 （大同煤矿集团朔州煤电有限公司 ， 山西 朔州 038300 ） 摘要 为了提高煤矿地质探水钻孔封孔效果， 避免因封孔不牢固， 造成放水期间煤壁出现渗水、 孔 口管出现窜动现象， 导致重大煤矿突水事故发生， 本人提出了探水钻孔囊袋式 “两堵一注” 封孔工艺， 采用钻孔煤屑量法合理确定钻孔封孔长度， 对钻场煤壁采取架设 “L” 型钢棚进行维护， 并在小峪煤矿 探放水施工中进行应用， 实际应用效果表明， 取得了显著成效。 关键词 探水钻孔 ； 囊袋式 ； 封孔工艺 ； 封孔长度 ； 安全措施 中图分类号 TD74文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0007- 03 Application of bag type “two plugging and one injection“ sealing technology in coal mine geological exploration and drainage WANG Pengjiang （With the coal group Shuozhou coal company, Shanxi Shuozhou 038300 ） Abstract In order to improve the sealing effect of boreholes for geological water exploration in coal mines and avoid the seepage of coal wall and the channeling of orifice pipes due to the unstable sealing, leading to the occurrence of serious water inrush accidents in coal mines, the author puts forward the bag- type sealing technology of “two stops and one injection“ for water exploration boreholes, and reasonably deter- mines the boreholes byusing the ofborehole cuttings. The length ofsealing hole is adopted to maintain the coal wall ofdrilling ground byerecting“L“ shaped steel shed, and is applied in the construction ofwater exploration and drainage in Xiaoyu Coal Mine. The practical ap- plication results showthat remarkable results have been achieved. Key wordDrillinghole drilling； Bagtype；Sealingprocess ； Sealinglength；Safetymeasures 7 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 2 ） 由于小峪煤矿回采煤层属于石炭系煤层， 煤层 裂隙发育， 受钻孔施工扰动影响， 钻孔在轴向方向依 次形成卸压破坏带、 应力集中带和原始应力带， 若钻 孔封孔区域处于轴向卸压破坏带内， 钻孔封孔后在放 水过程中受水压影响， 造成积水从钻孔卸压破坏带煤 体裂隙内渗入， 导致煤壁渗水现象， 通过现场观察发 现小峪煤矿钻孔封孔长度在 8.0m范围内未完全处于 原岩应力带中， 是造成钻孔煤壁渗水主要原因之一。 2.2封孔工艺落后 1 ） 小峪煤矿探水钻孔主要采用水泥砂浆进行封 孔，注浆压力为 1.2MPa, 封孔 5h 后进行注水耐压试 验， 平均耐压值为0.8MPa， 耐压试验合格 3h 后进行探 放水施工。 2 ）由于钻孔在施工期间钻孔四周煤壁受扰动 力、 地应力等影响， 在钻孔在径向煤体产生充分卸压 区、 非充分卸压区、 卸压扩展区和原岩应力区， 而小峪 煤矿采用水泥砂浆进行封孔且注浆压力为 0.8MPa， 无法使注浆液完全渗入到卸压扩展区， 且注浆液凝固 时间长， 对煤体裂隙粘接填充效果差， 通过现场窥视 孔观察发现，小峪煤矿探水钻孔卸压区延伸长度达 3.0m， 而水泥砂浆渗入煤体裂隙捏长度仅为 1.4m。 2.3钻场加固措施不到位 1 ）小峪煤矿在探放水施工中，对钻场主要采用 支设木柱法进行加固，钻场四周支设两排长度为 3.5m， 直径为 30mm 木柱， 木柱间距为 1.5m， 第一排 木柱紧贴钻孔煤壁， 木柱间采用长度为 2.0m， 宽度为 0.3m木板加固。 2 ）由于石炭系煤层成破碎状，破碎煤体单轴抗 压强度不足 35MPa,钻孔附近破碎煤体胶结稳定性及 承载能力差， 钻孔在放水时受水力作用下会导致孔口 向里一定范围内煤体冲垮现象， 从而造成钻孔封孔失 效， 发生透水事故。 3囊袋式封孔工艺应用 为了提高钻孔封孔质量， 通过研究决定对小峪煤 矿探水钻孔采用煤屑量法确定封孔长度， 采用囊袋式 “两堵一注” 封孔工艺、 以及采用注浆及架设 “L” 钢棚 对钻场进行维护。 3.1封孔长度确定 1 ） 探水钻孔在施工过程中钻孔煤体应力变化会 造成不同深度的煤屑量发生变化， 所以根据钻孔内产 生的煤屑量多少，合理判断出钻孔轴向卸压破坏带、 应力集中带和原始应力带， 将孔口至煤体原始应力带 最短距离确定为封孔距离。 2 ） 通过对小峪煤矿一水平 4 煤层施工 3 个长度 为 20m的试验钻孔观察发现，在 0～7 每个 m范围内 每个钻孔平均煤屑量为 4kg/m， 在 7～10m范围内煤屑 量成递增趋势， 10～12m 范围内煤屑量达到最大值 5.4kg/m，从 11.5～20m 范围内煤屑量成下降趋势， 最 终趋于稳定， 如图 1 所示， 由此可见煤体原始应力带 位于 11.5m之外， 所以将钻孔封孔长度确定为 12m。 图 1试验钻孔钻孔深度与产生煤屑量变化曲线示意图 3.2囊袋式封孔工艺 1 ）原理 囊袋式 “两堵一注” 带压注浆封孔技术 主要是通过高压注浆液对封闭环形空间进行封堵， 将 高压注浆液完全挤入至钻孔附近煤体应力扰动沟通 裂隙内， 从而提高了钻孔周围煤体稳定性， 达到密封 微孔裂隙的目的。 2 ） 施工设备及材料孔口管 4 根，每根长度为 3.0m，直径为 120mm；导向合金钻头 5 个，直径为 75mm， 三翼扩孔钻头 3 个， 直径为 150mm； PKJW 型 封孔器 2 个； 三棱高压密封钻杆 20 根， 长度为 1.0m， 直径为 65mm； 高压注浆泵一台以及压力表、 阀门等； FKL- 1 型矿用封孔注浆材料。 图 2探水钻孔囊袋式 “两堵一注” 带压注浆封孔施工示意图 3 ） 施工方法①探水钻孔施工 12.5m后停止钻 进， 并更换三翼扩孔钻头进行扩孔， 扩孔后钻孔直径 为 150mm， 长度为 12m， 并将钻孔内煤屑清理干净； ②钻孔扩孔后及时安装孔口管， 共计安装四根， 相邻 两根孔口管之间采用丝扣进行连接； ③孔口管安装后 采用注浆泵在孔底 0.5m范围内注入膨胀水泥，并在 孔内 0.5m 及 11.5m 处安装一个 PKJW 型封孔器， 每 个封孔器封孔长度为 0.5m，两个封孔器之间形成一 8 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 个封孔环形空间； ④利用高压注浆泵及注浆小管对环 形封闭空间内高压注射 FKL- 1 型矿用封孔注浆材 料， 注浆压力不得低于 2.5MPa， 注浆期间发现煤壁有 浆液渗出时停止注浆，并采用膨胀水泥对孔口往里 0.5m范围内继续封堵， 如图 2 所示。 3.3钻场煤壁维护措施 为了进一步提高钻场煤体放水期间稳定性， 防止 因煤壁垮落造成透水事故， 钻孔施工后放水前决定对 钻场煤壁采取注浆及架设 “L” 型钢棚进行联合维护。 1 ） 在钻场煤体施工三个注浆钻孔，钻孔深度为 5.0m， 直径为 45mm， 钻孔施工完后采用注浆泵向钻 孔内注射马丽散与催化剂配比为 11 浆液， 注射压力 不低于 1.0MPa。 2 ） 煤体注浆 3h 后， 在煤体处架设 “L” 型钢棚， 钢 棚主要由棚腿和顶梁组成，且采用卡缆进行固定； 棚 腿长度为 3.5m （巷高 ） ， 顶梁长度为 1.5m， 棚腿与顶梁 上各焊制一个直径为 25mm圆孔。 3 ） 架设钢棚时首先采用地锚将棚腿与底板固定， 钢棚两边采用两根长度为 1.0m，直径为 22mm 螺纹 钢锚杆将钢棚与煤壁及顶板进行锚固， 如图 3 所示。 图 3工作面探水钻场架设 L 型钢棚断面示意图 4 ） 钢棚架设后在钢棚与煤壁间隙处填塞水泥背 板， 确保钢棚对煤壁起到有效的支护作用。 3.4应用效果分析 对小峪煤矿传统探放水施工主要存在的问题进 行合理分析， 并提出了囊袋式 “两堵一注” 封孔工艺， 通过实际应用主要取得了以下显著效果 1 ） 通过煤屑量法合理确定了钻孔封孔长度， 从而 对钻孔轴向煤体卸压区能够及时进行封堵， 提高钻孔 封孔质量， 该方法可应用于不同地质条件下探水钻孔 施工中。 2 ） 采用囊袋式 “两堵一注” 带压注浆封孔技术大 大提高了对钻孔径向煤体裂隙带填堵， 2018 年 1 月 - 7 月小峪煤矿共计施工 255 个探水钻孔，共计放水 量为 2311.4m3， 放水期间未出现一次因钻孔封孔不牢 固发生透水事故，减少了放水期间出现煤体渗水、 孔 口管窜动现象。 3 ） 通过对钻场煤体进行注浆加固并架设 “L” 型钢 棚进行联合维护，提高了孔口附近煤体单轴抗压强 度，注浆后通过实验发现煤体单轴抗压强度提高至 74MPa,采取联合维护措施后， 在后期放水时未出现钻 场煤壁垮落现象。 4结束语 探水钻孔封孔质量直接关系着探放水施工效果， 通过实际应用效果表明， 小峪煤矿探水钻孔通过煤屑 量合理确定封孔长度， 采用囊袋式 “两堵一注” 带压注 浆封孔技术以及 “注浆 架设 L 型钢棚” 联合维护措 施后， 有效提高了矿井探放水施工效率， 避免了放水 期间透水事故发生， 为其它煤矿不同地质条件下探放 水施工提供了有力的实践依据。 参考文献 [1] 谭千钟. 茶陵县沙坪煤矿项目 ZK405 涌水钻孔封孔方法 的探讨[J].西部探矿工程， 2016 （02） 45- 46 [2] 姚兴柏.高家堡项目 15- 1 号涌水钻孔封孔探讨[J].山西煤 炭.2011 （01） 99- 101 [3] 刘冲.探水钻孔孔口管加固技术研究应用[J].能源与节能. 2012 （02） 76- 78 [4] 冯建国.提高探水钻孔封孔效果措施研究[J].山东煤炭科 技.2009 （05） 167- 169 [5] 张安生.聚氨酯在煤矿探水钻孔封孔中应用[J].中州煤炭， 2007 （03） 8- 9 作者简介 王鹏江 （1989.04-） ， 男， 毕业于大同煤炭职业技术学院 矿山地质专业， 大专， 助理工程师， 现就职于大同煤矿集团朔 州煤电有限公司地质资源管理部， 从事煤矿水文地质技术管 理工作。 （收稿日期 2018- 8- 17） 9 ChaoXing