大埋深底分层工作面应力集中区域防治水技术可行性研究与应用

王超 王志远 梁化磊

一、矿井概况

焦作煤业（集团）有限责任公司赵固二矿井田位于焦作煤田东部，太行山南麓，行政隶属新乡市所辖辉县市，其地理坐标为东经1133740″～1134800″～，北緯352200″～352630″。

二、12012工作面概况

12012工作面位于二盘区北部，设计标高-556～-580m，为已回采结束的12011工作面底分层。西邻二盘区大巷煤柱，东侧及北侧为F30断层防隔水煤柱，南邻12021工作面采空区。煤层倾向202～270°，倾角3.0～5.5°～根据12011工作面煤厚资料分析，底分层煤层厚0.6～3.3m，平均厚2.49m;全煤段煤厚5.8～6.1m，平均厚6.0m。

三、底板加固效果验证方案

12011工作面回采前已对底板进行注浆加固及改造，加固深度为煤层底板下85m，共完成钻孔110个，进尺18093m，总出水量5253m/h，总注浆量13808.4t。经回采验证，工作面未出现突水现象，说明煤层底板下85m隔水层厚度能够承受深部灰岩含水层水头值。考虑工作面回采后底板破坏深度，为保证安全，所以本次设计钻孔深度为煤层底板下垂距92m。

四、研究背景

赵固二矿12012工作面验证钻孔普遍设计为二级套管，设计要求一级套管直径为127mm，下至二1煤层底板垂距7m，二级套管直径为108mm，下至L9灰岩底板下垂距5m。穿巷道钻孔设计为三级套管，一级套管直径为146mm，二级套管直径为127mm，三级套管直径为108mm。设计的第三级套管原则上必须下过L8灰岩。

（一）穿巷钻孔施工中出现的异常情况

1.上2-5钻孔，为穿巷道钻孔，朝向12021工作面采空区施工，钻孔终孔验收水量为2.6m/h，注浆量达到695.79t，注浆时长为12天。

2.上3-1钻孔，为穿巷道钻孔，2019年8月31日在孔深101m出水35.7m/h，开始地面注浆，至9月3日地面泵量达到3档，井下注浆压力达到10.5MPa时，切眼通尺40m处出现顶板下沉、底板鼓起的异常情况。9月7日，透孔后，在套管内30m处，套管外61m、80m处，分析对钻孔做耐压试压，试压压力均达到15MPa，套管的下设和耐压均符合设计要求。

3.上3-11检钻孔，为切眼外侧钻孔，设计为二级套管，切眼扩刷之后，钻孔斜穿切眼巷道。2019年11月25日在孔深104.5m出水14m/h，开始地面注浆，26日注浆结束。11月27日零点班开始透孔，四点班透孔至70m，准备下设三级套管，增强钻孔抗压强度。在起钻时，孔深11m处出现卡钻现象，重新下钻顺孔，在孔深9m处套管缩径变形，Φ94mm钻头过不去，因变形深度较浅，区队计划立即报废封堵该孔。28日零点班，地测科对该孔测斜，检验下设套管长度，测斜仪前端安装Φ75mm钻头，测斜39m后起钻，向孔内下入Φ50mm抽采管21m就下不动，因抽采管下设深度浅，随即将抽采管起出，重新下Φ75mm钻头透孔，但此时75mm钻头也无法穿过9m变形处，起钻再次下抽采管，只能下设到孔深10m位置。目前，该孔已报废封孔。

4.下1-5钻孔，为穿巷道钻孔，穿过12012工作面下顺槽和12011工作面上顺槽老巷。该孔在下设二级套管之后、钻进三级套管的过程中，先后2次出水达到3m/b，均采用了井下注浆的方式堵水，注浆压力均达到15MPa。2019年11月22日钻进至53.7m，达到下设三级套管位置时，出水7.3m/h，因水量较大，与地测科商议后，于23日开始地面注纯水泥浆，地面泵量为3档，井下注浆压力为4.5MPa。11月27日四点班，该孔注浆量达到171.92t，泵量、注浆压力不变，但在钻场以里、距孔口21.5m处巷道下帮底部的一个锚索出现漏浆（锚索距底板0.5m），停止注浆后，漏浆消失。28日透孔时，孔深13m、18m处分别出现套管变形，无法下设三级套管。目前，该孔已报废封孔。

（二）异常情况原因分析

以上4起异常情况，均为穿巷道钻孔发生。其中，3起涉及到套管问题，2起发生套管变形、造成事故，且这2起事故钻孔均是在巷道掘进、扩刷之后不久施工（应力集中区域），事故发生位置均在下设二级套管之后，未下设三级套管。通过钻孔测斜判断，套管下设长度符合设计要求;而从之前的钻孔注浆情况来看，套管耐压也符合要求。此外，邻近的12021工作面的采后底板破坏深度来为33.1m（实验计算所得），其位置处于L8灰岩内，而12012工作面钻孔的二级套管设计长度为L9灰岩底板下垂距5m，距离L8灰岩顶仍有5～6m。

综合以上情况，可以得出：12012工作面底板破碎深度已达到L8灰岩位置，尤其是巷道下方，应力集中、围岩松散、不稳定，巷道断面越大，底板破坏越严重，对穿巷道钻孔的破坏也越大，且破坏速度极快。

五、实施内容

为解决应力集中区域穿巷钻孔套管变形问题，我队积极采取措施，组织技术、施工人员进行商讨，优化施工方案，最终将12012工作面上3-11检、3-12检、3-13检施工完成。

六、创新点

1.在应力集中区域施工穿巷钻孔时，调整施工顺序，待工作面切眼巷道扩刷底板稳定后进行施工，避免应力集中导致套管变形;

2.参考底板破坏深度，优化套管设计，将套管尽可能下过含水层（L8灰岩），避免钻孔遭到破坏后，形成人为导水通道，将底板深部承压水引入工作面;

3.在应力集中区域施工时，采用逐级下设套管的办法，抢时间、迅速穿过破碎带。但固管、耐压等标准需要适当降低，因破碎带裂隙发育，窜浆严重，吃浆量大，固管、试压不易上压，反复注浆、试压耽误时间，且扰动围岩。但一定保证最后一级套管的耐压强度;

4.健全能够快速反应的事故处理机制，发现事故苗头，能够快速反应，作出处理，遏制事故扩大。

七、适用范围和条件

该施工技术方案在我矿12012工作面上顺槽3号钻场施工试验成功，有效的将钻孔成孔，确保工作面安装、回采，该种施工方案不但可以用于应力集中区域工作面切眼，还可延伸至巷道中所有穿巷钻孔，看似平常的优化方案，效果却异常有效。

作者简介：王超（1985-），男，汉族，河南焦作人，地质勘探工程师。