鉆孔泄壓技術(shù)在淺部礦井防治水中的應(yīng)用研究

徐立軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)晉中有限公司，山西 晉中 030600）

引言

井下水害的發(fā)生具有事故發(fā)生突然性、事故后果嚴(yán)重性等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅井下煤炭資源的安全開采，極大的降低了礦井開采效率[1]。傳統(tǒng)的鉆孔泄壓防止水害的過程中，由于工作面水壓較大，在鉆孔鉆進(jìn)富水區(qū)的過程中經(jīng)常發(fā)生噴管事故，造成工作面積水，威脅作業(yè)人員人身安全。通過在控水管上增加安全閥門，在控水管法蘭盤上增加錨固裝置，能極大的減少鉆孔泄放水時(shí)的噴管現(xiàn)象，增加鉆孔泄壓的安全性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 富水區(qū)的水害破壞機(jī)理分析

煤層開采過程中的采動(dòng)壓力和煤層開采后的頂板冒落破壞了上覆巖層的整體結(jié)構(gòu)，在上覆巖體中形成大量的裂隙，地表水體和承壓水層的水通過巖層裂隙形成的水力通道作用在綜采工作面煤巖體上,工作面上覆煤巖體在水力腐蝕作用下，從強(qiáng)度較高的固體形態(tài)緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度較低的液體形態(tài)，在綜采工作面形成水壓較大的區(qū)域，當(dāng)下層煤層工作面開采至該區(qū)域附近時(shí)，綜采工作面與水壓集中區(qū)域間的距離逐漸減小，兩者間煤巖體承載富水區(qū)水頭壓力的承載能力逐漸減小，地表水體或承壓水層的水壓在工作面上覆巖層上逐漸積累，同時(shí)腐蝕水壓集中區(qū)域煤巖體，降低煤巖體的強(qiáng)度，當(dāng)工作面前方水壓集中區(qū)域前方水壓強(qiáng)度和工作面上方土壓強(qiáng)度的合力大于工作面與水壓集中區(qū)之間煤巖體的承載能力時(shí)，工作面上覆煤巖體破壞失穩(wěn)，工作面發(fā)生突水事故。綜采工作面與富水區(qū)間煤巖體受力簡(jiǎn)圖，如圖1 所示。

圖1 綜采工作面與富水區(qū)間煤巖體受力圖

如圖1 所示，p0表示富水區(qū)的水頭壓力，p1表示工作面上覆巖層的土壓力，p2表示綜采工作面與富水區(qū)之間煤巖體的承載能力。工作面上方煤巖體在采動(dòng)應(yīng)力發(fā)生破壞變形產(chǎn)生裂隙，形成水力通道，富水區(qū)壓力直接作用在綜采工作面上覆巖層上，當(dāng)富水區(qū)的水頭壓力p0與工作面上覆巖層的土壓力p1的合力大于綜采工作面與富水區(qū)之間煤巖體的承載能力p2時(shí)，富水區(qū)水體沿著裂隙突涌至綜采工作面內(nèi)，造成水害事故；當(dāng)富水區(qū)的水頭壓力p0與工作面上覆巖層的土壓力p1的合力小于綜采工作面與富水區(qū)之間煤巖體的承載能力p2時(shí)，工作面上方煤巖體承載上方水土壓力的作用力，約束工作面上方煤巖體變形，確保工作面安全穩(wěn)定性。在對(duì)同一水平煤層開采過程中，綜采工作面上覆巖層的土壓力p1變化不大，富水區(qū)的水頭壓力成為造成工作面上方煤巖體破壞，工作面水害事故發(fā)生的主要影響因素；當(dāng)綜采工作面上覆巖層內(nèi)存在富水區(qū)C 時(shí)，隨著綜采工作面的掘進(jìn)，綜采工作面與富水區(qū)之間的距離越來越小，綜采工作面與富水區(qū)之間承載富水區(qū)水頭壓力的煤巖體的厚度逐漸減小，對(duì)富水區(qū)水頭壓力的約束能力越來越小，如果綜采工作面穿過富水區(qū)時(shí)不采取防治水措施，則容易在綜采工作面內(nèi)產(chǎn)生突水或頂板冒落事故，影響礦井井下安全開采。

富水區(qū)內(nèi)水壓的計(jì)算公式，如式（1）所示：

式中：p0為富水區(qū)水頭壓力，kPa；h 為富水區(qū)水頭高度，m；γ 為水的重度。

從公式（1）中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水的重度不變時(shí)，水頭壓力隨水頭高度增加而增加。煤層上覆巖層在采掘活動(dòng)活動(dòng)中產(chǎn)生大量裂縫，形成地表水體或承壓水在裂縫中自由流動(dòng)，水體下滲，在工作面上方巖層內(nèi)形成富水區(qū)。富水區(qū)的形成，增大了水頭高度h，當(dāng)水的重度不變時(shí)，富水區(qū)水頭壓力隨著水頭高度的增加而增大，造成工作面水害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，降低了采掘工作面安全性。

2 鉆孔泄壓技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔泄壓技術(shù)原理

如圖1 所示，工作面水害發(fā)生機(jī)理為當(dāng)富水區(qū)的水頭壓力p0與工作面上覆巖層的土壓力p1的合力大于綜采工作面與上方富水區(qū)之間煤巖體的承載能力p2時(shí)，工作面上方煤巖體發(fā)生破壞變形，造成水害事故，在對(duì)同一水平煤層開采過程中，工作面上覆巖層的土壓力變化幅度較小，井下水害事故的發(fā)生與地表水體或承壓水層的水壓、水壓集中區(qū)域之間煤巖體的承載強(qiáng)度有直接關(guān)系。利用鉆孔泄壓技術(shù)降低富水區(qū)的水頭壓力p0，同時(shí)利用注漿技術(shù)在綜采工作面后方頂板處加固工作面上方煤巖體的承載能力p2，使富水區(qū)的水頭壓力與工作面上覆巖層的土壓力的合力小于綜采工作面與上方富水區(qū)之間煤巖體的承載能力，確保綜采工作面的穩(wěn)定性，防止水害事故的發(fā)生。

2.2 富水區(qū)水體探測(cè)

煤層開采前對(duì)礦區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘探，探明礦區(qū)承壓水層位置，為煤層開采時(shí)防治水工作提供水體數(shù)據(jù)。煤層開采過程中，注意收集工作面異常信息，當(dāng)綜采工作面出現(xiàn)水壓異常增大、水溫異常升高、出水量異常增大或隔水層出水等異常信息時(shí)，則停止工作面掘進(jìn)，利用探測(cè)鉆孔探明綜采工作面上方巖層富水區(qū)位置、水壓大小等信息，預(yù)估富水區(qū)的水頭壓力和積水量，從而確定鉆孔泄壓的鉆孔深度、工作壓力等泄壓參數(shù)。對(duì)工作面上方巖層內(nèi)的富水區(qū)進(jìn)行鉆孔泄壓，當(dāng)工作面上方巖層內(nèi)的富水區(qū)的水體壓力滿足要求后恢復(fù)綜采工作面掘進(jìn)[2]。

2.3 鉆孔泄壓裝置安全冗余設(shè)計(jì)

在鉆孔泄壓的過程中，由于富水區(qū)水壓較大，泄壓孔鉆進(jìn)至水壓集中區(qū)域附近時(shí)經(jīng)常發(fā)生噴管事故，造成工作面積水，威脅作業(yè)人員人身安全。為了控制鉆孔泄壓時(shí)的管內(nèi)壓力，提高鉆孔泄壓的安全性，設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的泄壓設(shè)備上增加安全閥門和固定裝置，提高鉆孔泄壓的安全性，避免產(chǎn)生噴管事故，安全冗余鉆孔泄壓裝置簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。

圖2 安全冗余鉆孔泄壓裝置圖

如圖2 所示，與傳統(tǒng)的鉆孔泄壓裝置相比，安全冗余鉆孔泄壓裝置利用冗余技術(shù)原理，設(shè)計(jì)兩道確保鉆孔泄壓安全的技術(shù)措施，一是在泄壓裝置控水管上加裝一個(gè)安全閥門2，根據(jù)綜采工作面前方水頭壓力大小確定安全閥門的開啟壓力，在鉆孔泄壓裝置鉆孔過程中，當(dāng)管內(nèi)水壓大于安全閥預(yù)設(shè)開啟壓力時(shí)，安全閥門打開放出管內(nèi)水，降低管內(nèi)水壓，防止發(fā)生噴管事故，確保鉆孔作業(yè)安全；二是在控水管的連接法蘭盤上加裝兩道植入工作面煤巖體中的錨固裝置3，將鉆孔泄壓裝置固定在工作面煤巖體上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的錨固裝置長(zhǎng)度。鉆孔泄壓在降低工作面前方水頭壓力的同時(shí)，在頂板進(jìn)行鉆孔作業(yè)也破壞了頂板的整體性，降低了頂板的承載能力，為了確保鉆孔泄壓處頂板的安全，可以對(duì)頂板進(jìn)行注漿加固。

3 鉆孔泄壓技術(shù)應(yīng)用

3.1 富水區(qū)鉆孔探測(cè)

在150101 工作面機(jī)巷頂板上植入兩個(gè)探測(cè)長(zhǎng)鉆孔，孔徑65 mm，孔深600 m，鉆孔軸線與頂板成25°夾角以確保頂板整體穩(wěn)定性。在探測(cè)孔植入工作面前方煤巖體的過程中，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)探測(cè)孔的涌水量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 150101 工作面機(jī)巷頂板探測(cè)孔涌水量

如圖3 所示，圖中探測(cè)孔A、B 的涌水量數(shù)據(jù)多段線圖形走向趨勢(shì)基本相同，一致性較好，說明探測(cè)孔A、B 的涌水量數(shù)據(jù)具有一定的真實(shí)準(zhǔn)確性。隨著探測(cè)孔A 和探測(cè)孔B 植入深度的增加，探測(cè)孔內(nèi)涌水量基本成階梯狀增長(zhǎng)，符合探測(cè)孔涌水量增長(zhǎng)的一般規(guī)律。當(dāng)探測(cè)孔的孔深在0 m～50 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量基本為0 m3/h；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到50 m～100 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量快速增長(zhǎng)至35 m3/h；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到100 m～180 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量穩(wěn)定在35 m3/h～40 m3/h 范圍內(nèi)；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到180 m～250 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量快速增長(zhǎng)至80 m3/h；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到250 m～360 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量穩(wěn)定在80 m3/h～90 m3/h；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到360 m～430 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量快速增長(zhǎng)至160 m3/h；當(dāng)探測(cè)孔的孔深達(dá)到430 m～600 m時(shí)，孔內(nèi)涌水量穩(wěn)定在160 m3/h～170 m3/h，圖3 表明，在探測(cè)孔內(nèi)涌水量快速增長(zhǎng)的孔深50 m～100 m、180 m～250 m、360 m～430 m范圍內(nèi)為工作面上覆巖層富水區(qū)，在鉆孔泄壓過程中，需要對(duì)該富水區(qū)范圍內(nèi)的水壓進(jìn)行泄放。

3.2 安全冗余鉆孔泄壓裝置應(yīng)用

利用安全冗余鉆孔泄壓裝置對(duì)150101 工作面進(jìn)行水害防治，在150101 工作面機(jī)巷頂板上植入定向鉆孔，孔徑65 mm，孔深430 m，涵蓋工作面上覆巖層的3 個(gè)富水區(qū)，鉆孔前實(shí)用兩根錨固裝置將控水管固定在工作面頂板煤巖體內(nèi)，控水管與頂板煤巖體間隙使用水泥砂漿封堵，增大控水管和頂板煤巖體間的摩擦力；泄壓孔鉆進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控控水管上壓力表數(shù)值和鉆孔深度，當(dāng)鉆孔到達(dá)富水區(qū)時(shí)，注意觀察壓力表數(shù)值，當(dāng)壓力表數(shù)值大于0.5 MPa 時(shí)，打開控水管上的泄壓閥門，富水區(qū)水體壓力隨著放水泄壓的進(jìn)行而逐漸降低，當(dāng)控水管上壓力表數(shù)值小于0.5 MPa時(shí)，定向鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，直至鉆孔深度達(dá)到預(yù)定要求或控水管上壓力表數(shù)值大于0.5 MPa，在對(duì)150101 工作面機(jī)巷頂板進(jìn)行泄壓防水防水的過程中，定向鉆孔達(dá)到預(yù)定深度之前，控水管上壓力表的數(shù)值小于0.5 MPa，定向鉆孔一次成孔。150101 工作面機(jī)巷頂板泄壓防水過程中泄壓孔的涌水量，如圖4 所示。

圖4 150101 工作面機(jī)巷頂板泄壓防水過程中泄壓孔的涌水量

如圖4 所示，在使用安全冗余鉆孔泄壓技術(shù)一次成孔后，對(duì)巖層內(nèi)富水區(qū)水體壓力進(jìn)行泄放，并定期記錄泄放孔涌水量數(shù)據(jù)，前期涌水量較大時(shí)，可以適當(dāng)增大涌水量記錄頻次。在對(duì)泄放孔涌水量數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，在泄壓防水初期，泄壓孔內(nèi)涌水量急劇增加，最大值達(dá)到172 m3/h，與探測(cè)孔A、B 的探測(cè)到的巖層內(nèi)富水區(qū)水壓數(shù)據(jù)基本一致；泄放孔的泄壓過程一般可以在2 d～3 d 內(nèi)完成，富水區(qū)水體壓力泄放后，泄壓孔內(nèi)的涌水量急速減少，最終穩(wěn)定在5 m3/h 左右，工作面上覆巖層內(nèi)富水區(qū)水壓得到控制。在使用安全冗余泄放裝置對(duì)150101 工作面機(jī)巷頂板鉆孔泄壓過程中，未發(fā)生噴管或突水事故，未發(fā)生頂板冒落或破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，安全冗余泄放裝置在防止噴管和冒頂問題上具有一定的實(shí)用價(jià)值[3]。

實(shí)踐表明，鉆孔泄壓技術(shù)能降低工作面上覆巖層內(nèi)富水區(qū)的水頭高度，降低富水區(qū)水頭壓力，極大的降低了綜采工作面發(fā)生突水的可能性；利用冗余原理設(shè)計(jì)的安全冗余鉆孔泄壓裝置能有效防止鉆孔泄壓過程中發(fā)生噴管或頂板冒落事故，提高了采掘工作面上覆巖層內(nèi)富水區(qū)水壓泄放的安全性，具有一定的使用價(jià)值。

4 結(jié)論

1）闡明了綜采工作面上覆巖層中水體壓力的來源和特點(diǎn)，闡明了上覆巖層中水體壓力的破壞機(jī)理。

2）闡明了鉆孔泄壓參數(shù)選擇方法，并設(shè)計(jì)了安全冗余鉆孔泄壓裝置，提高鉆孔泄壓安全性，防治噴管或突水事故。

3）利用安全冗余鉆孔泄壓技術(shù)對(duì)某礦150101 工作面進(jìn)行水害防治，結(jié)果表明，安全冗余鉆孔泄壓技術(shù)能明顯降低工作面上覆巖層內(nèi)水體壓力，提高綜采工作面安全性。