巷道仰斜探水钻孔封孔技术应用

郭旭荣

（晋能控股煤业集团裕兴煤矿，山西 高平 048400）

煤矿采掘工作面在探放顶板采空区积水、老空水、构造裂隙水等水害隐患时，需施工仰斜钻孔。传统仰斜探水钻孔主要采用水泥砂浆进行封孔，受封孔工艺、专业人员技术水平以及顶板岩性影响，封孔工艺存在封孔长度不足、封孔工艺落后、封孔后在放水时水压控制难度大等问题，本文以裕兴煤矿15206回风顺槽掘进期间探放水施工为例，对顶板仰斜钻孔封孔施工主要存在的问题进行合理分析，并根据实际生产采取有效技术措施[1-5]。

1 概述

晋能控股煤业集团裕兴煤矿15206回风顺槽位于井田二采区，巷道西部为井田边界，东部为北翼大巷，北部为15206工作面，南部为15204工作面。15206回风顺槽设计长度为1770 m，巷道沿煤层顶板掘进，支护形式为锚网支护，掘进净宽度为5 m，高3.5 m，断面面积为17.5 m2。

根据15212运输顺槽附近二采区北翼大巷、15212回风顺槽揭露情况和相邻矿井调查情况分析，该区域顶板富水性较弱，可能造成顶板淋水，但水量不大，不影响安全生产。该煤层上部有3#煤采空区，该煤层与3#煤层相距100 m以上，掘进期间上覆3#煤采空区积水不影响工作面正常掘进。根据野外实地调查，3#、15#煤层开采后地面出现裂缝或塌陷坑，因此大气降水通过裂缝或塌陷坑进入15#煤上覆K2含水层，充当上覆含水层的补给水源，对巷道影响较大。巷道掘进前期顶板涌水量为12～15 m3/h。

2 掘进前期防治水措施及问题分析

2.1 掘进前期防治水措施

（1）15206回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进570 m。巷道掘进前期主要对巷道迎头施工钻孔对上覆采空区积水进行探放，工作面每掘进100 m施工一排探水钻孔，钻孔布置在工作面迎头煤壁上，每排4个，钻孔距顶板1.5 m，钻孔间距为1.0 m。

（2）钻孔深度为100 m，钻孔仰角为10°，钻孔直径为75 mm。钻孔施工结束后对钻孔孔口处安装孔口管，每节孔口管长度为3.5 m，共计安装3节。孔口管安装后采用水泥砂浆对孔口管进行封孔处理，封孔长度为10 m。

2.2 问题分析

15206回风顺槽在前期探放水施工后，巷道在掘进过程中顶板仍然出现局部淋水现象，顶板淋水量达4.5 m3/h，未消除上覆采空区水害隐患。通过现场观察发现，巷道前期探放水施工主要存在以下问题：

（1）封孔长度不足。15206回风顺槽掘进煤层直接顶主要以泥岩为主，平均厚度为7.4 m。该岩体稳定性差，岩体裂隙发育，在进行仰斜钻孔施工时通过窥视仪观察发现，钻孔在过直接顶12 m范围内孔壁破碎严重，而15206运输顺槽前期掘进期间探放水钻孔封孔长度为10 m，未完全对破碎区进行封孔，导致在放水施工时钻孔壁渗水严重，甚至在水压作用下导致孔口管突出现象。

（2）封孔工艺落后。15206回风顺槽前期掘进过程中施工的探放水钻孔主要采用水泥砂浆进行封孔处理。水泥砂浆具有成本低、取材方便等优点，但是水泥砂浆在细小裂隙带内渗透能力差，渗透速度慢，粘接效果差，采用水泥砂浆封孔后，孔口管与孔壁之间稳固性差，当水压较大时，在放水过程中很容易造成孔口管窜动现象，卸压效果差。通过前期探放水施工发现，15206回风顺槽上覆采空区积水水压达1.2 MPa，而前期放水过程中孔口处未安装任何卸压装置，导致放水时在水压冲击作用下严重损坏了放水设备，无法控制放水水压，威胁着放水施工安全。

3 封孔技术优化改进

3.1 钻孔封孔长度优化改进

为了合理确定钻孔封孔长度，保证钻孔封孔质量，决定采用煤屑量法确定封孔长度。首先在工作面煤壁施工两个校验钻孔，钻孔直径、仰角以及位置与放水钻孔相同，钻孔在施工过程中记录每米钻孔施工产生的煤屑量，然后根据每米产生的煤屑量判断孔壁岩体稳定情况。通过现场钻孔试验发现，15206回风顺槽校验钻孔在前8 m范围内，每米钻孔平均产生的煤屑量为3.4 kg；在8～14 m范围每米钻孔产生的煤屑量呈递减趋势，平均为2.6 kg；在14～30 m范围内每米钻孔产生的煤屑量趋于稳定，平均煤屑量为1.8 kg。由此可见，在0～8 m范围内钻孔处于围岩高应力区，在8～14 m段钻孔处于应力减弱区，在14 m后钻孔处于围岩稳定区，所以确定钻孔封孔长度为14 m。

3.2 封孔工艺优化

（1）15206回风顺槽掘进至500 m处时开始对探水钻孔封孔工艺进行合理优化，钻孔布置参数不变，钻孔施工至14 m后停止钻进，并及时清理钻孔内煤屑，然后更换扩孔钻头进行钻孔扩孔施工，扩孔后钻孔直径为130 mm。

（2）钻孔扩孔施工到位后，对扩孔段安装孔口管，共计安装5节，每节长度为3.0 m，直径为108 mm，相邻两节孔口管采用丝扣连接，丝扣连接长度不得低于0.1 m。

（3）孔口管安装后在封孔器安装前，对孔底处填装膨胀水泥，填充长度为0.8m。孔底膨胀水泥填装后在距孔口、底0.8 m处分别安装一个PKN型封孔器，使钻孔中部形成一个环形封堵空间，并在封堵空间内埋入一根直径为20 mm注浆软管，注浆软管另一端与2ZBQ型注浆泵连接，同时在孔口封孔器与孔口之间同样采用膨胀水泥填充。优化后15206回风顺槽探水钻孔封孔工艺示意图如图1。

图1 优化后15206回风顺槽探水钻孔封孔工艺示意图

（4）所有准备工序完成后，对孔口管与钻孔壁之间高压注入聚氨酯化学材料，注浆压力1.5 MPa，注浆时间20 min，凝固时间2 h。注浆完成后对封孔段进行注水耐压试验，注水压力为3.0 MPa，注水耐压试验时间不得低于30 min，试验合格后钻孔方可继续钻进。

3.3 安装卸压装置

为了防止放水过程中水压对孔口设备产生冲击破坏作用，决定在孔口管外露端安装一套卸压装置。

（1）卸压装置结构。卸压装置主要安装在孔口管外露端。卸压装置主要由电动控制阀、压力表、法兰盘、固定卡缆、集中控制器、控制开关、放水管等组成，如图2。

图2 15206回风顺槽卸压装置结构示意图

（2）装置卸压原理。在探放水施工过程中当放水水压大于1.2 MPa时，压力表内的压力传感器及时将压力数据上传至集中控制器；控制器接收数据信号并及时进行处理分析，并对控制开关下发“开启”指令；开关接收指令后及时对电动控制阀供电，控制阀通电后进行卸压放水。当水压低于0.7 MPa后通过控制器控制作用，电动控制阀断电，停止卸压放水，从而实现放水卸压的目的。

4 结 语

截至2020年7月24日，15206回风顺槽已掘进到位，巷道在后期掘进过程中通过对探水钻孔封孔技术进行优化后，大大提高了后期钻孔放水效果。通过现场观察分析发现，巷道在后期掘进过程中共计放水量为4578 m3，基本消除上覆采空区水害隐患，后期放水过程未出现孔口管窜动、涌水等现象，保证了探放水施工安全。