穿软岩层放高压老空水技术

穿软岩层放高压老空水技术
平顶山四矿 欧阳广斌 邵建平 王辉

内容提要 老空水是威胁矿井安全生产的重要因素之一，我们采用煤体注浆加固技术、孔口管控水技术及双套管放水技术，解决了穿软岩层放水所遇到的技术难题，为穿软岩层放老空水摸索出了成功经验。
关键词 高压老空水 软岩层 放水 煤体注浆 孔口管控水
四矿位于平顶山矿区中部，核定年生产能力280万t，主采丁5-6、戊8、戊9-10、己15、己16-17煤层，生产采区有丁九、戊九、己一和己三4个采区。在己三采区，受褶曲影响，工作面回采后，在老空区积聚了大量老空水，工作面在掘进过程中时常受到上个阶段老空水威胁，目前，老空水已成为制约己三采区安全生产的重要因素之一，有效地解除水害的威胁，成为防治水工作急需解决的技术难题。在己16-17—23020工作面风巷集中放高压老空水时，我们采用煤体注浆加固技术、孔口管控水技术及双套管放水技术，既安全，又快速地解除了水害的威胁，为防治水工作摸索出了成功的经验，其技术已在四矿防治水工作中得到广泛应用。
1 概况
1.1 己16-17—23020工作面简介
该工作面位于己三采区西翼上部，设计为综采工作面，其南部己16-17—21220工作面于1995年6月回采结束：北部己16-17—23040工作面于2001年10月回采结束。设计可采走向长1150m，倾斜长190m，采深平均830m，煤层倾角9~12°，煤厚平均3.8m，煤层直接顶为碳质泥岩及砂质泥岩，老顶为20m厚的大占砂岩含水层；直接底为泥岩及砂质泥岩。风巷外段设计以30°夹角接近己16-17—21220工作面机巷，风巷里段与己16-17—21220工作面机巷中心对中心相距7 m，沿小煤柱掘进。
1.2 工作面充水因素分析
该工作面相邻上下阶段都已回采，风、机两巷在掘进过程中已不受老顶砂岩水威胁。但是，风巷在接近己16-17—21220工作面时，受到该工作面大量老空水的威胁，一旦发生突水事故，不但风巷被淹，而且己三采区下部的采掘工作面都要被淹没，影响矿井的正常安全生产。
己16-17—21220工作面在回采期间最大涌水量60m3/h，正常涌水量25m3/h，回采结束后，自机巷口一直有5m3/h的水向外流，积水处标高-357.6 m，积水水压0.28MPa，积水面积约10万m2，积水量约15万m3。
2 放水技术难点分析
（1）己16-17煤层属于“三软”煤层，煤体坚固性系数为0.5～1，在长期老空水的渗透、浸泡下，强度低，抗渗漏性能差，因此，需选择合理的防隔水煤柱，确保探放水安全。
（2）由于地压较大，地应力比较集中，钻进过程中易发生夹钻、卡钻，造成废孔，因此需选用功率较大的钻机。
（3）探放水孔在水流冲刷浸泡下，易塌孔，堵孔严重，疏通较困难、工作量大、安全性差。
（4）在探高压老空水过程中，钻孔流量不易控制，易失控，发生淹巷、淹面事故。
（5）通常下套管方法，不能保证安全。在高压水作用下，易导致套管失控。
3 探放水方案
通过对以上充水因素及己16-17煤层探放水难点的分析，经有关人员认真研究决定，在己16-17—23020工作面风巷实施集中探放老空水，制定的探放水方案设计如下。
3.1 钻机选型
本次探放水选用先进的MK—4型液压全自动钻机。
3.2 隔水煤柱选择
根据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水工作条例》及有关探放水的规定，同时依据四矿探放水经验，留设20m隔水煤柱。
3.3 钻窝及泵窝的布置
在己16-17—23020工作面风巷迎头掘至距己16-17—21220工作面机巷下帮24 m时停掘，靠此风巷上帮，垂直己16-17—21220工作面机巷布置一钻窝，长4 m，宽4 m，高2.2 m，全锚网加锚索支护，并套上金属梯形棚子。
在风巷的下帮布置2 个泵窝，要求长3m，宽3 m，高2 m，泵窝底部低于巷道底板2.0 m，实施全锚网支护。
3.4 钻孔布置
在钻窝迎头共设计放水孔3个，见图1，其中1号孔居中并垂直于己16-17—21220工作面机巷，2号、3号孔扇形分列在两边，均与1号孔呈25°夹角，钻孔开孔高度1m，终孔位置为己16-17—21220工作面机巷顶板以下0.4m处，3孔倾角以实测标高计算后确定。
如果前两个放水孔已达到放水目的，第3个孔不再施工。
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3.5 钻孔结构
三个钻孔结构相同见图2，设计钻窝前煤柱20m，下Φ110 mm的套管10m，前方钻孔Φ56mm。套管外端接4吋阀门，再接孔口密封装置（防喷装置）以保证有控制放水。
放水钻孔堵孔严重，达不到放水效果时，需要在原套管内下第二层Φ73mm套管，套管长22 m，一直下至采空区内，如图3所示。
3.6 放水
正常2个放水孔，最大放水量可达100m3/h左右，放水时间需2个月。
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4 探水施工
4.1 煤体注浆加固
（1）开孔。开孔前要重新标定钻机定轴方位和倾角，然后用Φ42mm钻杆，接Φ130mm钻头开孔。钻进至10.3m时停钻，准备下套管。
（2）注浆固套管。将Φ110mm长10m套管前方接Φ110mm锯齿钻头，边回转边下入孔内，在下入最后3m套管时要缠上海带，在制浆容器内制好水泥浆，要求水泥浆的水灰比为1：1.2，容重1.6t/m3，然后用注浆泵将水泥浆压入套管内，当水泥浆由套管外环间隙返浆到孔口时，停止注浆，用碎布，捣实。停1h后再补注1次。
（3）测压。固管水泥养护24h后，用Φ89mm钻头将套管内水泥柱扫清，套管外口接测压装置测水压，直到套管内水压达到0.5MPa时停止测压。
如测压时压力值未到0.5MPa而套管外即漏水，需采取注浆加固补救措施。
4.2 孔口管控水
套管经测压没问题后开始探水。套管外端依次用法兰盘连接4吋球形高压闸阀、孔口密封装置（防喷装置），然后将Φ42㎜钻杆接Φ56㎜钻头下入孔内，将剩余孔段打透。探出水后，如水压水量不大，继续向前钻进3~5m后停钻，拧紧孔口密封装置的压盖，关闭排碴管，慢慢退出钻具。待钻头从球形高压闸阀内退出以后，关闭闸阀，稳定10min后记下水压值，水压为0.3MPa，然后去掉孔口密封装置，打开4吋球形高压闸阀放水。
4.3 双套管放水
在放水过程中，由于煤体较软，堵孔、塌孔较为严重，而疏通孔既困难、麻烦，又较危险。为解决放水过程中的堵孔、塌孔难题，我们采用双套管放水技术，即在原套管控水的基础上，再下一层套管。[page]
将Φ73mm的厚壁套管前端接Φ75mm的合金锯齿钻头，用MK—4型钻机带动套管直接钻进，将套管一直下到采空区内2m，将套管固定，并与Φ110mm套管连为一体，在Φ73mm套管外端接3吋高压球形闸阀（抗压能力不低于0.5MPa），再用Φ42mm钻杆接Φ56mm钻头，将Φ73mm套管内的煤碴扫净，然后进行放水。
5 效果
由于采取措施得当，技术可靠，既保证了放水施工安全，又加快了放水速度，原计划两孔出水量为100m3/h，现在两孔出水量可达150 m3/h，提前20d完成放水计划，取得了可观的经济及社会效益。
6 结论
（1）采用注浆加固技术，能够有效起到防渗漏作用，该技术不仅可应用于软岩放水工程，还可应用于注浆加固巷道顶底板、注浆堵水等等。
（2）采用孔口管控水装置，能够保证探放水安全，有效控制出水量，避免因水压、流量过大，造成突水事故，以致淹巷、淹面。
（3）采用双套管放水技术，能够加快放水速度，减少疏通孔次数，提高放水效率。但是，该技术应用时，应从地应力、煤体与套管间摩擦系数、水压等方面，对内套管的稳定性做一评价，我矿一般应用于水压不大于0.35MPa的情况下。当然，我们还可根据管路的排水能力适当扩大内外套管的直径，或下更多层套管，以达到有效、快速放水的目的。