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1532020 年第 7 期 煤矿井下综采防水技术的应用 张博旷 （同煤集团挖金湾煤业公司，山西 大同 037000） 摘 要 为了提升挖金湾煤业煤矿井下 5136 综采面掘进作业的安全性，提出了采用井下超前钻孔放水的技术方案。该技 术方案采用了优化后的钻机布置结构，能够显著降低钻机作业时的不稳定性，同时能够将钻进效率提升 10 以上，在挖 金湾煤矿得到了广泛的应用。 关键词 水害防治 超前钻孔 钻进效率 中图分类号 TD745 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.07.058 Application of Fully Mechanized Coal Mining Waterproof Technology in Coal Mine Zhang Bo-kuang （Wajinwan Coal Industry Company, Datong Coal Mine Group, Shanxi Datong 037000） Abstract In order to improve the safety of the 5136 fully-mechanized face excavation in WaJinwan Coal Mine, the technical scheme of using underground advanced drilling for water drainage is put forward. The optimized drilling rig layout structure is adopted in the technical scheme, which can significantly reduce the instability of drilling rig operation, and increase the drilling efficiency by more than 10. It has been widely used in Wajinwan Coal Mine. Key words water disaster control advanced borehole drilling efficiency 收稿日期 2020-01-20 作者简介 张博旷（1991-），男，2015 年毕业于太原理工大学， 助理工程师，研究方向水文地质。 5136 综采面为挖金湾煤业新投入的综采作业 区，工作面是 5 号煤层 965m 水平 513 采区第六个 回采工作面，上距 4 号煤层平均间距 17.30m。煤层 厚度 5.8113.26m，平均为 9.70m，可采性指数为 1.2，煤厚变异系数为 19.7％，是本区的主要稳定可 采煤层。煤层结构相对复杂，一般含夹石 3 层，局 部多达 8 层，夹石单层厚度一般不大于 0.60m。煤 层顶板多为泥岩。根据 5136 底抽巷涌水特征，初 期表现为顶、底板涌水及煤壁淋水，稳定涌水量约 为 15m3/h，具有砂岩水的涌水特点，后期峰值涌水 量较大（115m3/h）且持续没有衰减，表现为煤层 充水，分析为奥灰水通过导水通道进入煤层内，给 5136 作业面的正常生产造成了较大的影响。目前挖 金湾煤业所采用的井下防水方案主要是利用钻机钻 探后确定排水孔位置，然后利用梯形管进行排水。 实际应用中发现该方案存在成本高、效率低的缺陷， 而且管口没有防突装置，当水压过大时极易出现突 水事故，给井下综采作业造成严重的影响。因此项 目组提出采用超前钻孔放水施工方案，在传统钻孔 方案基础上对该钻孔方案进行优化，提升操作效率 和安全性。根据在挖金湾煤业 5137 综采面的实际 应用表明，该超前钻孔放水技术方案能够显著降低 综采过程中出现涌水的概率，具有极好的应用效果。 1 钻孔时钻场加固 由于现在的钻机不断向着大功率、大钻进扭矩 方向发展，钻机在钻进过程中的振动冲击较大，因 此对各个系统参数和稳定性的要求均较大 [1]，在钻 进工作中提供的钻进力矩较大，因此必须要求钻进 区域的地基要牢固。在进行直径大、深度长的孔洞 钻进时还必须对该区域内的地基进行一定的处理， 避免在钻进过程中出现松动、垮塌。由于 5136 巷 道底板有浮煤及松软地层，因此项目组制定了新的 钻场加固方案，其结构如图 1 所示 [2]。 2 钻进施工 开孔是钻孔能否达到施工要求的关键。“上面 不正下面歪”，可以说明开孔与孔斜的关系。钻孔 的孔斜超标，就意味着钻孔不能达到施工目的层位 而造成钻孔报废甚至意外事故。因此开孔前一定要 做好以下工作（1）对钻机安装质量进行检查， 1542020 年第 7 期 严禁钻机不稳开孔； （2） 使用质量合格的钻具开孔， 严禁使用弯曲钻具开孔；（3）开孔时要严格按照 开孔三要素 （即轻压、 慢转、 小水量） 进行施工控制； （4）为了降低钻头在钻进过程中剥离岩石所产生 的切向力，采用了在岩石上预先凿出一个钻窝的方 案，从而在钻进时形成一个反切向力，确保钻进时 的稳定性和可靠性。 图 1 煤矿井下钻场加固结构示意图 在钻进的过程中， 由于巷道中的钻场空间所限， 采用了短钻杆的钻进技术方案。但由于采用短的钻 杆钻进，在操作过程中需要不断地停钻进行钻杆更 换，每一次更换均会导致较长时间的停滞，而且取 出钻头的时候又会将钻孔底部的碎屑留在钻孔的台 肩上，当钻头重新插入时，对钻头产生一个钻进偏 心力，影响钻进的稳定性和钻头的使用寿命。通过 多次验证后，在 5136 综采面钻进时采用在每一次换 接钻杆后重新开钻时，先不断地轻压钻杆，然后以 正常钻进速度 1/3 的转速进行钻进。虽然该方案会产 生一定的磨合期，但能够有效地确保钻进的安全性 和一致性。判断孔底钻头与岩石面是否磨合完整的 方法是， 回转压力表的指针达到小幅均匀摆动即可。 采用该钻进方案后能够将钻进效率提升 10 以上。 在煤矿井下含水层钻进过程中由于水压较大， 因此一旦触及含水层，内部的积水在水压作用下就 会溢出，逐渐超出孔口。如果此时不能采取有效的 封堵措施，往往会造成突发性的涌水事故，导致巨 大的经济损失和人员伤亡，因此探放水钻孔应安设 钻孔安全装置。在 5136 综采面钻进时要求设置钻 孔孔口管，探放水钻孔孔口管选用地质钻孔套管管 材，孔口管的长度根据钻孔可能遇到的最高水压、 钻孔孔口岩石条件等因素按煤矿防治水细则经 验值选定 [3]，如表 1 所示。由于 5136 综采面钻进时 的最大突水压力为 2.6MPa，因此孔口管的长度设置 为 15m。 表 1 孔口管长度对照表 突水压力（MPa）孔口管长度 小于 1大于 5m 1 ～ 2大于 10m 2 ～ 3大于 15m 大于 3大于 20m 探放水钻孔孔口管材质为地质勘探用无缝钢 管，上部与法兰盘焊接，管壁外以 6铅丝（或其他 可替代金属丝）缠绕，并用电焊焊牢。孔口管下部 切割为锯齿状，以便于固管时出浆。孔口管装置如 图 2 所示。 图 2 煤矿井下钻孔孔口管结构示意图 3 探放水孔钻进过程中的防突方案 在钻进过程中如果发生突水事故将造成重大的 损失，因此在 5136 综采面探放水孔钻进过程中， 首次应用了防突水装置。整体结构如图 3 所示 [4]。 1. 钻杆；2. 防突封孔器；3. 孔口高压阀；4. 孔口管；5. 钻杆逆止阀； 6. 钻头；7. 地层；8. 截止阀 图 3 煤矿井下钻孔防突水装置结构示意图 在钻孔钻进施工中，首先在管口设置一个相应 直径的高压阀，同时在钻头的后侧设置一个逆止阀， 确保钻进过程如果遇见高压水或者有害气体时能够 实现带压卸下钻具。当钻头钻入钻孔以后，在钻杆 上安装一个防止突水的封孔器，封孔器和钻杆之间 留一定的间隙，保证钻进过程中能够在钻杆上来回 滑移，避免不断的人工调整。设置完成后可以打开 封孔器侧边的截止阀，然后开始执行正常的钻进作 业。在钻进时如果遇见突水事故则可以及时关闭截 止阀，然后带压卸除钻杆，避免出现突水事故。在 卸钻头时要注意先关闭大直径孔口高压阀，最后将 防突封孔器前法兰放松与钻头一并卸出。期间可在 封孔器旁路截止阀处安置三通管路进行钻孔内压力 监测。钻孔施工完成后，可在大直径孔口高压阀外 安装管线以便进行可控放水或注浆封闭钻孔。 1552020 年第 7 期 4 结论 该技术方案采用了优化后的钻机布置结构，同 时对超前探放水钻孔的探放水施工技术方案和防突 方案进行了论述，结果表明 （1）在进行直径大、深度长的空洞钻进时还 必须对该区域内的地基进行一定的处理，避免在钻 进过程中出现松动、垮塌。 （2）在钻进的过程中，由于巷道中的钻场空 间所限，采用了短钻杆的钻进技术方案。在每一次 换接钻杆后重新开钻时，先不断地轻压钻杆，然后 以正常钻进速度 1/3 的转速进行钻进，能够有效地 确保钻进的安全性和一致性。该方案在确保钻进安 全的前提下能够将钻进效率提升 10 以上。 （3）在钻孔处设置防突水装置，能够有效地 降低在钻进过程中发生突水事故的概率。 【参考文献】 ［1］ 郝哲， 王介强， 刘斌.岩体渗透注浆的理论研究[J]. 岩石力学与工程学报，2001（04）492-496. ［2］ 高建光，范三阳，姜福磊 . 开拓巷道小岩柱过承 压含水层防治水措施 [J]. 煤炭工程，2007（11） 65-67. ［3］ 韩磊，陈建生，陈亮 . 帷幕灌浆扩散半径及数值 模 拟 的 研 究 [J]. 岩 土 力 学，2012，33（07） 2235-2240. ［4］ 刘波，贺雷，罗立平 . 流 - 固耦合作用下防隔水 煤柱留设的数值模拟 [J]. 采矿与安全工程学报， 2009，26（04）445-449454. （上接第 149 页） 经现场实践，采用双层初期支护施工时，初期 支护结构基本稳定，无混凝土剥落、钢拱架扭曲与 侵陷现象发生。选取 YK77740 断面进行分析，围岩 变形量明显减弱，拱顶最大下沉量 159.7mm，最大变 形速率为 11.3mm/d，最大周边收敛量 93.4mm，最大 周边收敛速率 6.8mm/d。因此可得出，采用双层初期 支护使大变形得到了有效的控制。YK77740 断面拱 顶沉降及周边收敛与时间关系曲线如图5、图6所示。 5 结论 （1）分析了分水岭隧道大变形特征为变形时 间长，变形速率快，变形量大，且大变形可总结为 三个阶段上台阶支护完成到下台阶开挖之前的变 形急剧增加阶段、下台阶支护完成到仰拱闭合的正 常增加阶段和仰拱闭合后的缓慢增加阶段。 （2）研究了分水岭隧道围岩变形控制技术 采用三台阶法施工、双层初期支护并扩大预留变形 量为 450mm。通过现场应用实践，该技术有效地控 制了该隧道施工中的大变形问题。 【参考文献】 ［1］ 魏来，刘钦，黄沛 . 高地应力软岩隧道大变形机 理及控制对策研究综述 [J]. 公路，2017（07） 302-311. ［2］ 孙绍峰 . 兰渝铁路软弱围岩隧道特征及大变形控 制 技 术 [J]. 现 代 隧 道 技 术，2012，49（03） 125-130. ［3］ 李新亮 . 峡口隧道高地应力软弱围岩段变形施工 技术研究 [J]. 山西建筑，2014，40（17）170- 172. ［4］ 方贻立，李睿哲，陈建平，等 . 软弱围岩隧道大 变形机理分析 [J]. 华东公路，2013（06）56-59. ［5］ 王胜国 . 高地应力软弱围岩隧道大变形分级标准 研究 [J]. 铁道建筑技术，2016（04）40-43. ［6］ 孙钧，钦亚洲，李宁 . 软岩隧道挤压型大变形非 线性流变属性及其锚固整治技术研究 [J]. 隧道建 设 中英文 ，2019，39（03）337-347. ［7］ 李晓红 . 隧道新奥法及其量测技术 [M]. 科学出版 社，2002. （上接第 152 页） 采，提高社会和经济效益。 【参考文献】 ［1］ 徐胜利 . 王坡井田水文地质条件及水害特征分析 [J]. 煤矿开采，2013（04）24-25. ［2］ 何修仁 . 关于注浆压力及扩散半径计算方法的 讨论 [J]. 有色金属 矿山部分 ，1982（01） 3854-57. ［3］ 武强，赵苏启，董书宁，等 . 煤矿防治水手册 [M]. 煤炭工业出版社，2013. 因墙体内部含流动水，空间较大，采取从下而上的 注浆方式，下部注浆，上部排水，累计注入水泥 107t、水玻璃 4.8t 后注浆完成，墙体无渗水。 3 结语 通过对会宝岭铁矿不良钻孔注浆治理，总结注 浆经验，为矿井防治水工作提供科学指导，不断加 强矿井水害治理技术研究，保证地下矿山的安全开