刘 欢

（潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600）

1 概述

潞安集团左权阜生煤业有限公司位于左权县寒王乡刘家庄村南，西南距左权县城约10 km，井田面积5.8196 km2，矿井设计生产能力为1.2 Mt/a。主采煤层为15#煤层，煤层平均厚度为6.5 m，煤层平均倾角为2°。

1102回风巷设计长度为1108 m，断面规格为净宽×净高=4.5 m×3.5 m，沿15#煤层底板掘进，预留顶煤厚度为3.0 m，采用综合机械化掘进工艺。15#煤层直接顶主要以炭质泥岩及煤混合岩层为主，平均厚度为5.7 m，其中煤层总厚度为2.4 m（不可采），基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为8.3 m。煤层顶板裂隙发育，不稳定。

15#煤层上覆岩层含有三层石灰岩含水层，分别是K2石灰岩（四节石）、K3石灰岩（钱石）、K4石灰岩（猴石），其中K2、K4石灰岩连续性好，K3石灰岩局部相变为中粒砂岩和泥灰岩，裂隙发育，与煤层顶板间距为14 m，积水面积达9734 m2，主要分布在施工巷道240～410 m段、577～719 m段以及985～1032 m段顶板上方，预计含水量达5274 m3,预计水压为2.4 MPa，属高承压含水层。巷道掘进至210 m处顶板出现局部淋水现象，平均淋水量达54.0 m3/h，不仅制约了巷道掘进速度，而且威胁着巷道施工安全。

为保证巷道施工安全，1102回风巷掘进采取钻孔探放水措施，但是在探放水钻孔受固结套管技术影响，在放水过程中发生2次小型透水事故，共计涌水量为184 m3。

2 探放水钻孔布置

采用扇形布置两排探水钻孔，见图1。第一排为3个仰角钻孔（1#～3#），仰角为17°，开孔位置距顶板0.5 m，间距为1.5 m，钻孔直径为75 mm，深度为60 m；第二排为3个水平钻孔（4#～6#），钻孔参数不变。

图1 1102回风巷探水钻孔布置

3 膨胀水泥固结套管问题分析

孔口采用120 mm扩孔钻头进行扩孔，扩孔深度为16 m，扩孔后安装长度为15 m，直径为108 mm止水套管，并采用膨胀水泥注浆固结，固结封堵长度为6.0 m，止水套管外露端安装阀门及排水管。存在以下问题：

1）固结套管长度不合理。由于15#煤层结构复杂，煤层含多层夹矸，破坏了煤体胶结稳定性，受围岩应力影响巷道掘进后围岩变形严重，出现片帮、顶板下沉等现象，在围岩体内形成应力破坏区、破坏减弱区、稳定区[1]。破坏范围在8～14 m范围内，而探放水钻孔固结套管长度为6 m，未完全延伸至稳定岩体内，造成放水过程中煤体渗水现象严重。

2）固结套管工艺落后。15#煤层煤体裂隙发育，在应力破坏区内岩体破碎严重，探水钻孔倾角较大，采用膨胀水泥固结套管时渗透能力、粘接效果差，不能使止水套管与煤体完全胶结，在放水时很容易出现穿线窜动现象[2]。

3）由于1102回风巷上覆岩层裂隙水属于高承压含水层，水压相对较大，而传统固结套管工艺中未安装压力表及卸压控水装置，在钻孔施工期间钻孔出现流水时无法实时监测水压，以及水压大时无法提前卸压，导致因水压大冲毁探放水设备。

4）钻场煤壁稳定性差。在放水时止水套管产生的震动对钻孔附件煤体产生扰动破坏[3]，导致钻场煤壁片帮严重，最大片帮深度为达1.7 m，降低了钻孔固结套管效果。

4 固结套管工艺优化

4.1 “两注一堵”固结套管工艺

探水钻孔采用“两堵一注”囊袋式固结套管工艺，实现全长封堵，而且采用高强度化学粘合剂作为封堵材料，渗透力强、填充效果好，提高了止水套管与煤壁粘接效果，保证了固结套管质量。

（1）当钻孔钻进16 m后停止施工，更换直径为130 mm扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔深度为16 m，扩孔后及时清理钻孔内煤屑，保证扩孔直径为130 mm。

（2）扩孔完成后对钻孔内安装止水套管，采用D108×4钢管，每节长度2.8 m，共计7节，相邻两节套管采用丝扣式连接[4]。

（3）止水套管安装后对孔底采用膨胀水泥进行局部封堵，封堵长度为1.0 m，封堵后及时安装一个PKN型固结套管器，同时在距孔口1.0 m处安装一个固结套管器，并对孔口1.0 m范围内采用膨胀水泥封堵，使止水套管与孔壁之间形成一个环闭式封堵空间，见图2。

（4）在安装固结套管器期间对环闭式封堵空间埋入一根直径为16 mm注浆软管，软管另一端与2ZBQ-5/4注浆泵连接，高压注入化学粘接材料，注浆压力控制在1.0～1.5 MPa范围内。

（5）止水套管封固2 h后对固结套管段进行注水耐压试验，注水压力为承压水水压的1.5倍，即注水压力控制在2.4～3.6 MPa范围内，注水10 min后止水套管无窜动、渗水等现象确定为固结套管合格。

图2 “两堵一注”囊袋式固结套管工艺

4.2 孔口安装卸压控水装置

通过安装孔口卸压控水装置，避免在钻进时因水压大出现顶钻现象。

（1）卸压控水装置主要由压力表、法兰盘、控制闸阀、控水电控液阀、环形抱箍、PLC控制器、联锁开关（60A）等部分组成，见图3。

（2）法兰盘安装在止水套管外露端，法兰盘长度为0.5 m，在法兰盘上安装有电控闸阀以及压力表，电控闸阀与联锁开关连接，压力表主要检测水压，压力表通过集控装置与PLC控制器连接。

（3）在法兰盘外端依次安装电控液阀及环形抱箍，电控液阀与联锁开关连接，环形抱箍由橡胶材料制成，可通过人工旋转顶丝扳手实现抱箍与钻孔牢牢固定。

（4）联锁开关额定电流为60 A，联锁开关分别与电控液阀、电控闸阀以及PLC控制器连接，实现断送电动作，PLC控制器主要用于信号采集、传输以及指令下达等作用。

图3 卸压控水装置结构

（5）钻杆在钻进出现流水时压力表对水压进行实时监测，当水压大于1.2 MPa时压力表及时将数据通过集控装置传输至PLC控制器，控制器接收信号后对数据信号进行处理，并将“开启”指令发送至联锁开关，联锁开关接受指令后及时对电控液阀通电，电控液阀打开进行放水卸压，同时人工及时拧动顶丝扳手使环形抱箍固定钻杆，防止钻孔喷出。

4.3 钻场煤壁加固技术措施

为保证探放水施工安全，对钻场附近煤壁及顶板进行“注浆+T型钢棚”联合加固措施。

（1）注浆加固。对钻场煤壁施工一排注浆钻孔，共计布置4个，钻孔间距为1.2 m，钻孔施工在距顶板1.0 m处且以17°仰角布置，钻孔深度为5.0 m，孔径为40 mm；钻孔施工完后采用注浆泵对钻孔内高压注射聚氨酯粘合剂，注浆压力为0.9 MPa，注浆后及时对钻孔进行封堵。

（2）安装T型钢棚。为了防止放水期间出现顶板破碎、冒落现象，在钻场附近架设5架T型钢棚，棚距为1.0 m，并用水泥背板背帮，确保钢棚能够对煤壁起到均匀支护作用。

5 应用效果分析

1102回风巷掘进期间共计施工探水钻孔76个，其中出水孔为58个，干孔为18个，共计放水量为5031 m3，实际放水水压为2.1 MPa。采用“两堵一注”囊袋式固结套管工艺，并在孔口安装卸压控水装置，对钻场附近煤壁及顶板进行“注浆+T型钢棚”联合加固措施，放水过程中未出现止水套管窜动现象，钻场煤壁及顶板未出现片帮、冒落现象，工作面未出现大面积顶板淋水现象，局部淋水不足1.2 m3/h，基本消除了顶板含水层对巷道掘进影响，保证了巷道施工安全。