提高探水钻孔套管加固技术措施研究

左龙飞

（潞安集团司马煤业公司，山西 长治 047105）

1 概述

潞安集团司马煤业公司1207巷位于井田二采区，巷道设计长度为1611m，巷道断面规格为宽×高=5.0×4.5m，回采煤层为二叠纪3#煤层，平均厚度为6.95m，煤层成层状，结构复杂，含多层夹矸。

根据三维地震及电法勘探显示，1207巷掘进范围内顶板往上7.0～9.5m范围共有富水区域2处，为顶板砂岩裂隙含水层水。同时由于工作面范围内地质条件较为复杂，断层及较大的褶曲构造发育，工作面内煤层起伏变化较为明显。在断层附近和褶曲转折端会造成煤层及顶板裂隙发育，出现顶板锚索淋水现象，向斜轴部还会形成积水区。根据地测科提供水文地质资料及邻近1206综采工作面回采过程中顶板淋水情况，预计积水量达8744m3，水压为0.95MPa,威胁着巷道掘进安全。

为了保证巷道掘进安全，1207巷掘进前期采用探水钻孔对顶板积水进行探放，掘进巷道迎头共计布置5个（1#～5#）探水钻孔，钻孔深度为70m，仰角为5°，具体参数如表1所示。

表1 1207巷探水钻孔技术参数

2 前期探放水钻孔套管安装主要存在的问题

（1）孔口套管安装深度不足。1207巷前期掘进阶段，探放水施工过程中套管安装深度确定为12m，封孔终孔位置位于掘进煤体卸压区内，煤体松软不稳定，钻孔套管安装后继续施工导向钻孔，然后在套管外露端安装法兰盘、压力表以及控制闸阀，对顶板上覆岩层积水区进行放水。由于积水区水压较大，在放水过程中，积水在压力作用下从卸压区煤体裂隙渗出，不仅增加煤体破碎范围，而且很容易出现透水事故。

（2）孔口套管加固工艺不合理。1207巷前期探水钻孔施工且安装孔口套管后，采用水泥砂浆进行套管加固，由于水泥砂浆渗透效果、粘接性差，采用该方法进行套管加固后，对孔口壁及四周煤壁岩体裂隙区封堵效果差。通过实际钻孔观察发现，水泥砂浆渗透深度仅为1.2m，封孔效果差，在放水时容易出现钻孔窜动、喷管现象。

（3）安全措施不到位。由于1207巷掘进煤层为二叠系3#煤层，煤层胶结稳定性差，煤体单轴抗压强度不足15MPa，受钻孔施工扰动及积水压力影响，在放水过程中，工作面煤体很容易出现片帮现象，顶板出现破碎、冒落现象，不仅降低了钻孔封孔质量，而且很容易出现掘进工作面煤体大面积垮落事故。

3 提高探水孔套管加固效果技术措施

司马矿探放水队通过技术研究，为了提高钻孔套管安装质量决定通过施工校验钻孔确定钻孔深度，并采用“两堵一注”工艺进行套管加固。同时为了保证探放水施工安全，决定采用注浆支护加强煤体稳定性，安装π型钢棚加强顶板支护。

3.1 封孔深度确定

通过施工校验钻孔，根据钻孔施工过程中每米产生的煤屑量确定煤体内稳定区深度，保证套管安装终孔位置位于稳定岩体内。

3.1.2 钻孔煤屑量法原理

受巷道开挖应力、上覆岩层重力以及构造应力等集中作用，巷道在掘进过程中煤体前方一定范围内出现应力破坏现象，从而使煤体往里依次形成应力破坏区（破碎区）、应力破坏减弱区（卸压区）以及应力稳定区三个区域。

在煤体内施工校验钻孔时，破碎区内煤体胶结稳定性差，导致钻孔成型效果差，钻孔出现塌孔现象，施工钻孔时产生的煤屑量多；随着钻孔深入，在卸压区内煤体受压逐渐降低，钻孔成型效果得到改善，产生的煤屑量逐渐减少；当钻孔深入至稳定区内，围岩应力趋于平衡，钻孔成型效果好，且每米钻孔产生的煤屑量相对稳定。

3.1.2 施工工艺

（1）首先采用钻机在工作面施工三个校验钻孔（1#、2#、3#），钻孔深度为30m，钻孔间距为1.5m。安排技术人员记录钻孔每米产生的煤屑量，并绘至煤屑量变化曲线图。

（2）通过实际观察记录发现，三个校验钻孔在前8m范围内平均产生的煤屑量4.4kg/m；在9～21m范围内平均产生的煤屑量3.5kg/m，且趋于下降趋势；在22～30m范围内平均产生的煤屑量为2.9kg/m，且趋于稳定。如图1所示。

（3）根据校验钻孔产生的煤屑量分析可知，钻孔在0～8m范围内为煤体破碎区，在9～21m范围内为煤体卸压区，在22～30m范围内为煤体稳定区。为了保证封孔质量，应将孔口套管底端安装在稳定区内，所以最终确定1207巷孔口套管安装深度为24m。

图1 校验钻孔单米产生的煤屑量变化曲线图

3.2 “两堵一注”套管加固工艺

（1）首先采用ZDY4000S型探放水钻机配套直径为75mm合金钻头以及中空钻杆进行钻孔施工，钻孔具体位置及相关技术参数严格按照现场技术人员及规程措施要求进行施工。

（2）探水钻孔开口25m后停止钻进，将普通钻头更换为直径150mm扩孔钻头，并对钻孔进行扩孔施工，扩孔后及时将钻孔内煤屑清理干净。

（3）扩孔后对钻孔内安装孔口管，每节孔口套管长度为5.0m，直径为120mm，共计安装5节。相邻两节孔口管采用丝扣式连接,在孔口套管外露端分别安装压力表及法兰盘。

（4）孔口套管安装后对管底部注射膨胀水泥进行封底，封底长度为0.5m，如图1所示。封底后在其底端安装一个型号为PKJW型环形封孔器，封孔器膨胀压力为0.5～0.9MPa，封堵长度为0.5m。

（5）孔口管底端封堵后，在管壁与煤壁之间埋入一根直径为20mm注浆钢管，埋管深度为18m，注浆钢管外露端分别与流量控制阀、高压注浆泵进行连接。注浆钢管埋入后在距孔口1.0m处安装一个PKJW型环形封孔器，并采用膨胀水泥进行封口处理，使封孔段形成环形封堵空间，如图2所示。

（6）采用高压注浆泵向环形封堵空间内高压注射PKL-1型封孔注浆材料，注浆压力为1.1MPa。注浆时先高压后低压，先大流量后小流量，注浆一段时间后压力稳定不变且保持10min以上停止注浆。

（7）封孔3h后，对封孔段进行注水耐压试验，注水压力为2.0MPa，时间不得低于20min。耐压试验期间孔口附近煤体无渗水、孔口管无窜动现象时，确定为封孔质量合格。

图2 “两堵一注”孔口套管加固施工示意图

3.3 安全技术措施

为了进一步提高钻孔孔口套管加固质量，防止防水过程中因煤壁、顶板破碎，导致降低钻孔套管安装质量，发生透水施工，决定在放水施工前对封孔附近煤壁进行注浆加固，对顶板架设π型钢棚。

（1）注浆加固技术。在注水钻孔孔口1.0m处施工四个注浆钻孔，钻孔成环形布置，钻孔直径为40mm，深度为8m，注浆钻孔与注水钻孔倾斜角一致。注浆钻孔施工完后采用ZBQ50/6型气动注浆泵对钻孔注射马丽散粘合剂，注浆压力为0.9MPa。

（2）架设π型钢棚。π型钢棚主要由顶梁、棚腿、底座等部分组成。探水钻孔施工前，在工作面煤壁处架设一排π型钢棚，共计架设5架，间距为1.0m。钢棚架设后，在棚腿与煤壁之间安装水泥背板（预留探水钻孔位置），防止放水时压力大，冲垮煤壁，发生透水事故。

4 结束语

潞安集团司马煤业公司探放水队通过技术研究，对巷道前期掘进阶段探水钻孔孔口套管安装过程中主要存在的问题进行合理分析，提出了钻孔校验法确定了套管安装深度为24m，以及提出了“两堵一注”套管加固工艺，并对煤壁采取了注浆以及架设π型棚进行加固。通过实际应用观察发现，施工巷道在后期共计施工45个探水钻孔，其中干孔为11个，放水孔为34个，共计放水量为8212m3（前期已放水529m3）。在放水过程中未出现一次因套管安装质量不合格，出现钻孔窜动、煤壁渗水等现象，提高了封孔质量，防止了透水事故发生，取得了显著成效。