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）

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。

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1：1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。

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。