张丽波
(山西潞安郭庄煤业有限责任公司,山西 长治 046100)
郭庄煤矿在回采期间,随着煤层顶板的垮落,顶板砂岩裂隙水得以释放,形成采空区积水。针对这一问题,采用超前探放采空区积水技术[1]。由于该技术的可靠性较高,投入成本较小,治理效果较好,因此,在3317工作面回采期间,根据水文地质条件进行探放水钻探施工,以消除工作面的水害威胁。
3317工作面位于山西组中下部,属3号可开采稳定煤层,煤层均厚6.02 m,煤质呈块状黑色,局部含有一层夹矸。煤层顶板的岩性依次为厚度3 m的砂质泥岩、厚度3.77 m的细粒砂岩、厚度6.07 m的粉砂岩、厚度3.63 m的细粒砂岩、厚度0.74 m的泥岩、厚度3.67 m的粉砂岩、厚度0.9 m的泥岩、厚度6.4 m的细粒砂岩、厚度11.01 m的粉砂岩;底板的岩性依次为厚度3 m的细粒砂岩、厚度2 m的砂质泥岩、厚度10.08 m的砂质泥岩、粉砂岩,厚度4.92 m的细粒砂岩、厚度2.78 m的粉砂岩。
工作面3号煤层的直接充水含水层是顶板和底板砂岩裂隙含水层,工作面顶底板的含水层具体示意图如图1。在回采过程中,过大的采动力会使岩层发生移动,采空区上方的岩层就出现局部塌陷和裂隙,破坏了隔水层的完整性,降低了岩层的隔水性能,在含水层与采空区含水层之间发生一定的水力联系,从而在采空区的蓄水地段形成采空区积水。可见,采空区积水是造成工作面安全回采的主要因素,在进行回采前,要对采空区的积水进行探放,以确保工作面回采的安全性。
图1 工作面顶底板的含水层示意图
为了对3号煤层上覆采空区积水进行疏放,使顶板水害对回采的影响降到最低,采用探放水技术。在探测的异常区域设计8个钻场,每个钻场设计3个钻孔,共设计24个钻孔。在水平和竖直方向上,钻场都呈扇形方式布置[2]。在探测的非异常区域,每间隔100 m进行一次钻孔施工,对3号煤层顶板采空区积水进行探放。
(1)开孔。开孔时用金刚石钻头在煤层中钻进10.5 m,在达到预定的深度后,停止钻探,并对钻孔内部进行清洗。在钻孔时,要确保终孔钻入采空区内,开孔的孔径要大于止水套管的外径[3],终孔的孔径要小于75 mm。
(2)下套管止水。止水套管在煤层中的总长度要达到10 m,分段将止水套管下入钻孔中,每一节的长度为1~2 m,中间用外丝进行连接,丝扣的长度是100 mm。止水套管在放入时要超出孔口10~15 m,便于连接法兰盘和高压闸阀。
(3)固定套管。先在套管的上环形间隙处插入一根3 m长的小气管,用铁丝进行固定,然后在小气管的端口处安装一个小闸阀[4],用水泥浆进行封堵,再将水泥浆灌入钻孔和套管环形间隙中。当稠水泥浆从小气管中流出时,要停止注浆,封堵小气管。此时,继续向套管内灌入水泥浆,在达到一定压力后,停止注浆,同时关闭高压闸阀,待水泥浆凝固后,用封孔器进行封孔,使用锚索和钢丝绳固定封孔器,防止封孔器鼓出。
(4)扫孔试压。在止水套管周围的水泥浆凝固后,进行扫孔试压测试,确保扫孔深度大于止水套管0.5 m,然后通上高压水进行压力测试。试压的压力为预期水压的1.5~2倍,持续时间在0.5 h以上,同时详细记录测试时的压力,观察止水套管外部和周围的情况,一旦发现有渗水和跑水的现象,立即停止压力测试,重新固定止水套管,直到压力测试达到要求为止。
(5)安装压力装置。在止水套管的管口处分别安装测压表和球阀,当压力表的读数大于5 MPa时,即为达到压力要求。钻孔的结构示意图如图2。
图2 钻孔结构示意图
(6)终孔。在扫孔试压测试结束后,使用与终孔孔径一致的钻头继续钻至采空区。在预期的钻孔水压超过1.5 MPa时,要配合反压措施,安装防喷装置。
在探放水过程中,为了减少煤壁出现垮落,在钻场附近安装工字钢棚进行支护。工字钢棚包括顶梁、连接梁、棚腿以及底座,其中顶梁长1.5 m,棚腿长3.5 m。在垂直于钻场的煤壁处安装4架L型钢,每架钢棚的间距为1 m,棚腿与煤壁之间留有0.2 m的距离。用地锚将底座与底板固定,用4根螺栓将棚腿与底座连接并进行预紧,用卡兰将顶梁与棚腿固定,用固定锚杆将顶梁与顶板固定,用圆钢将钢棚与钢棚连接,圆钢的长度为1 m,直径为20 mm,用水泥背板将棚腿与煤壁连接,水泥背板的长度为1.2 m,宽度为0.3 m。
郭庄煤矿在3317工作面进行探放水试验,在上覆采空区,施工钻孔4个、效果检验钻孔1个,钻探总掘进213 m,注水泥浆4.25 t,下入止水套管50 m。其中F1钻孔最大出水量为25 m3/h,F2钻孔最大出水量为23 m3/h,F3钻孔最大出水量为32 m3/h,F4钻孔最大出水量为35 m3/h。在4个钻孔的水都疏放完后,将钻机退出2 m,并施工检验钻孔,出水量为1 m3/h。具体的钻孔排水位置如图3。在巷道1580 m、1610 m以及1855 m,分别用离心水泵、潜水泵将积水排到井底水仓,然后再集中排到地面上。采用超前探放水技术,截至目前,共计排放水总量为6539 m3,水压从0.09 MPa降到0.02 MPa,约下降77%,有效缓解了采空区的积水情况,治理效果显著,为工作面的安全回采奠定基础。
图3 钻孔排水位置图
(1)3317工作面直接充水含水层是顶底板砂岩裂隙含水层,对工作面进行钻孔布置,给出具体的施工工艺,确保掘进工作面的安全。
(2)在工作面上进行试验,采用超前探放水技术后,排放水总量为6539 m3,水压从0.09 MPa降到0.02 MPa,约下降77%,有效缓解了采空区的积水情况,治理效果显著,为工作面的安全回采奠定基础。