煤矿探水钻孔封孔技术应用

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摘要:店坪煤矿3022巷掘进前期探水钻孔施工时，因封孔工艺原因，放水时频繁出现塌孔、孔口管窜动问题。针对此，对原封孔工艺进行了优化，提出了“两堵一注”封孔技术，并利用煤屑量法重新确定封孔长度，确保了封孔质量。实践表明，煤屑量法确定的3022巷探水钻孔封孔长度为12．5m是有效的，能够保证施工安全;“两堵一注”封孔工艺能够有效提高封孔质量，实践中钻孔封孔质量提高了95%以上，确保了3022巷后期探放水施工安全，再未出现钻孔塌孔、透水现象。

关键词:掘进巷道;探放水施工;封孔工艺优化;应用分析

探放水施工过程中钻孔封孔质量直接影响探放水效率及施工安全。在煤矿井下探放水施工过程中，由于施工人员责任心不强、探放水施工设计不合理等［1-5］因素，会导致探水钻孔封孔长度不足、封孔质量差［6-9］，造成后期探放水施工时出现塌孔、孔口管窜动以及钻孔壁渗水等现象，严重制约着探放水施工效率及施工安全。因此，合理优化钻孔封孔工艺，提高钻孔封孔质量，对探放水施工安全具有重要意义。以店坪煤矿3022巷为研究对象，分析巷道掘进前期探水钻孔封孔工艺主要存在的问题并进行合理优化，提出了“两堵一注”封孔技术，基于煤屑量法重新确定了封孔长度。

1工程概述

1．1巷道四邻关系霍州煤电集团有限责任公司3022巷地表位于闫家山村北部，从东向西依次穿过赤土咀、柏林墕圪梁、闫家沟、徒优条垅、南咀沟。徒优条垅附近有少量耕地，属丘陵梯田，其余为坡地。工作面位于－900m水平三采区中部，东与－900m水平胶带巷相通，西为实体煤，南与3-3012巷相邻，北为实体煤。工作面下部为5号煤层实体煤，3号煤层与5号煤层层间距为13～28m。

1．2巷道掘进3022巷担负着3-302回采工作面的运煤、进风、行人等任务，巷道设计长度为1015m。掘进的3号煤层煤体结构简单，预计工作面揭露煤层厚度为1.30～1.85m，平均厚度1.53m。工作面范围内煤层、煤体结构较稳定，含有0～1层夹矸，夹矸多为砂质泥岩。煤层倾角1°～4°下山，属于近水平煤层。煤层顶板、底板均为砂质泥岩。3022巷掘进煤层岩性特征见表1。

1．3水文地质情况3022巷东与900m水平胶带巷相通，西为实体煤，南与3-3012巷相邻，北为实体煤;3-3022巷周边未开采无采空区，其掘进期间不受周边采空区影响。3022巷顶板方向主要含水层为二叠系山西组砂岩裂隙含水层，以细、中、粗砂岩为主，平均厚度为22.97m，单位涌水量为0.00014～0.04700L/s·m，渗透系数为0.1591～0.2042m/d，水位+1060.20～+1062.66m。该含水层属于中等富水性，水质为HCO3·SO4-Ca·Mg型，矿化度0.7378g/L，积水水压为0.5～0.7MPa，与巷道垂直层间距32m，掘进过程中局部顶板出现裂隙淋水。

2巷道探放水设计及问题分析

2．1巷道探放水设计受上覆顶板含水层影响，巷道前期掘进过程中顶板淋水，决定对顶板施工放水钻孔进行放水，实行有掘必探，探放100m，掘进70m。探放水布孔设计如图1所示。①巷道每排布置3个顶板钻孔(编号为1、2、3号钻孔)，钻孔间距为1．5m，钻孔深度为100m，钻孔直径为75mm，钻孔与顶板仰角为20°;②3个探水钻孔布置在3022巷掘进面煤壁上，钻孔与底板间距为2．0m，其中1、3号钻孔分别与进行左帮、右帮夹角30°;③钻孔施工深度为10m时停止钻机，将原导向钻头更换为直径为130mm的扩孔钻头，扩孔深度为10m，扩孔段直径为130mm，扩孔后及时用风管将扩孔段内煤泥清理干净确保封孔质量;④扩孔后及时在钻孔内安装4节孔口管，孔口管每节直径110mm、长3．0m，安装到位后用水泥砂浆封堵孔口管与孔壁之间间隙;⑤封孔完成后将扩孔钻头更换为直径75mm的导向钻头继续钻孔，钻孔延伸至积水区后及时在孔口处安装阀门、压力表进行放水施工。

2．2存在问题及原因分析3022巷掘进400m时，布置了4个探水钻场共计12个钻孔，钻孔共计放水量为457m3。前期探放水施工中发现，上覆含水层实测水压0．58MPa，放水过程中由于水压较大频繁出现孔口管窜动现象，且发生2起孔口管射管事故，钻场煤壁渗水严重，威胁巷道探放水施工安全。综合分析出现孔口管窜动、煤壁渗水的主要原因有:①钻孔封孔质量差。探水钻孔主要为水泥砂浆封孔，砂浆流动性差、黏结性弱，封孔过程中无法对钻孔壁裂隙完全填充、封堵;同时砂浆的凝固时间较长导致孔口管黏结效果差［10］，在水压作用下很容易松动。②封孔长度不足。探水钻孔封孔长度10m，未对钻孔孔口处松动煤岩体进行充分封孔，放水过程中水流沿未封孔区域煤岩体渗出，导致孔口处煤岩体垮落。

3探水钻孔封孔工艺优化

为保证3022巷后期探放水施工安全，针对原探放水施工中主要存在的问题，对探水钻孔封孔工艺进行了优化。

3．1封孔长度确定采用煤削量法确定钻孔封孔长度。钻孔施工过程中，从孔口至孔底分别经过岩体压力松动区、岩体压力减弱区以及岩体稳定区［11-13］，钻孔封孔段必须位于岩体稳定区内方可保证探放水施工安全，钻孔在施工过程中由于受松动围岩影响，不同应力区围岩钻孔施工时产生的煤屑量不同，从而确定钻孔围岩“三区”。在钻场处施工2个校验钻孔，其开口位置与探水钻孔相同。校验钻孔直径为75mm、孔深30m，与顶板仰角为20°，钻孔施工过程中准确记录每钻进1.0m产生的煤削量。记录数据表明，2个钻孔在前6.0m平均产生的煤削量为3.4kg/m，6.0～12.0m区域平均产生的煤屑量为2.7kg/m，12m后钻孔平均产生的煤屑量为2.1kg/m且区域稳定。分析可知，0～6.0m范围内钻孔壁岩体处于应力区内，煤岩体稳定性差，钻孔施工时受钻孔扰动影响，产生的煤削量大;6.0～12.0m范围钻孔壁围岩处于应力减弱区，钻孔施工时产生的煤屑量逐渐减少;在12.0m后钻孔围岩处于稳定区，钻孔施工时产生的煤削量稳定。因此，钻孔封孔长度确定为12.5m。

3．2“两堵一注”封孔工艺为提高钻孔封孔效果，防止放水过程中因水压作用导致孔口管窜动现象，对原钻孔封孔工艺进行了优化，采取“两堵一注”封孔工艺，即对扩孔段钻孔两端处进行封堵，使钻孔中部形成环形封堵空间，再对此环形封堵空间进行注浆加固。探水钻孔“两堵一注”封孔示意如图2所示。具体实施步骤为:①采用导向钻头进行钻孔施工，钻孔施工深度为12．5m，施工到位后换扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔深度为12m，扩孔到位后及时清理钻孔煤岩屑。②扩孔后在钻孔内安装3根孔口管(底部孔口管必须安装到位)，孔口管与钻孔壁之间安装1根直径为12mm的注浆小管，在孔口以里0．5m范围内采用膨胀水泥进行封堵。③待膨胀水泥完全凝固后，将注浆小管与专用注浆泵连接进行高压注浆施工，注浆压力为3．0MPa，注浆液采用聚氨酯浆液;封孔完成后对封孔处进行高压注水耐压试验，以校验封孔质量。④钻孔封孔完成后，将扩孔钻头更换为导向钻头继续钻孔施工，封孔过程中若发现孔壁处岩体破碎严重，需对孔壁岩体采用注浆加固;为保证探放水施工安全，孔口安装的法兰盘、控制阀用2根锚索固定在钻孔壁煤岩体上。

4实施效果

基于煤削量法，确定了封孔长度为12.5m，采用“两堵一注”封孔工艺后，3022巷在后期掘进过程中，布置了6个探水钻场计18个探水钻孔，共计放水量755m3，未发生钻孔孔口管窜动以及煤壁渗水现象。实践证明，确定的封孔长度及优化的封孔工艺合理有效。

5结语

针对店坪煤矿3022巷掘进前期探水钻孔施工时出现的问题，基于煤削量法确定了封孔长度为12．5m，采用“两堵一注”封孔工艺对原探放水施工工艺进行了优化。应用表明，合理确定钻水钻孔封孔长度及优化封孔工艺，可有效消除孔口管窜动等不利用探放水钻孔施工和安全的隐患，提高了施工效率，保证了施工安全，为类似工程实践提供了有益借鉴，具有一定的推广价值。

作者:张端 单位:霍州煤电集团有限责任公司