秦 鹏 杜习成 杜 兵

（山东省天安矿业集团有限公司，山东 曲阜 273100）

1 概述

星村煤矿位于山东省曲阜市境内，井田面积32.602 4 km2。矿井于2003 年2 月开工建设，设计生产能力45 万t/a。2006 年10 月建成投产，2015年核定生产能力为90万t/a。矿井采用立井开拓方式，走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板，开采标高-600～ -1600 m。矿井主采煤层为3 煤，目前在采采区为三采区，接续采区为七采区，三采区及七采区埋深均在1200 m左右。矿井试验最短自然发火期24 d，受冲击地压影响，工作面回采速度较慢，高地温、强卸压为矿井防灭火工作带来了极大的难度。其中，工作面回采期间的注浆为该矿防灭火工作的主要工艺之一。

星村煤矿西风井地面设有注浆站，注浆管路通过西风井敷设到井下注浆地点。西风井于2009 年10 月正式开工，至2011 年9 月底施工完成，2012年2 月西风井与副井相通的回风巷道顺利贯通。西风井垂深1 187.5 m，具有通风、防灭火等功能，地面设有注浆站、消防水池等防灭火设施。西风井井筒内敷设两路Φ159 管路，作为井下防灭火注浆之用。通过西风井地面注浆站进行制浆，浆液通过Φ159 管路与井下管路网络相连，进入采空区。前期注浆过程中其中一路在井筒内发生断裂漏浆，由于无提升设备及设施无法维修使用，现改用第二路进行井下注浆工作。

由于目前只有一路注浆管路，无备用管路，一旦出现问题，将给防灭火工作带来重大隐患。因此，决定再施工一路注浆管路作为备用管路，保证防灭火注浆工作的可靠运行。若采用常规的方案在西风井井筒内重新敷设一趟Φ159 管路，作为备用注浆管路，需要在西风井工厂安设提升设施，包括井架、稳车，井筒内安设稳绳及吊盘，进行井筒内管路安装施工。工程总费用约1000 万元，该工程费用高，最重要的是井筒施工存在着一定的安全风险。由于西风井为回风井，施工完成后井口设备需要撤除，特别是井筒内吊盘等设施。管路出现问题后，无法进行再修复，修复需要重新安设设施。若保留该套设施，需要相关租赁费用，以及保养、维护。西风井井筒有淋水，使管路锈蚀加剧，造成管路使用寿命较短。

综上所述，对原注浆系统管路进行恢复，无论从安全、经济、寿命上均达不到理想效果，因此选择西风井工业广场施工地面注浆孔，同时施工井下巷道与注浆孔贯通连接的方案对注浆系统进行改造，有效地解决了上述难题，保证了矿井防灭火系统主备两路注浆管路的正常使用，确保矿井注浆系统可靠及防灭火安全。

2 深井防灭火注浆系统改造

2.1 注浆钻孔位置的确定

利用震动波CT 反演技术，在井下检测出应力场，划分出立体低应力区，如图1；利用SOS 微震监测系统，检测出西风井范围内震动能量较小区域，如图2；利用矿井三维地震勘探立体数据体，找出规划范围内地质类型相对简单区域；最终利用图层叠加，进行交叉选择，精准选择出注浆孔开孔位置以及注浆孔管道最优曲线路径。

根据图1、图2 综合考虑与计算，钻孔位置选择距离风井井口30 m，距离变电所8 m。地面标高+55 m，孔底标高-1120 m。设计终孔深度为1177 m。

图1 波速异常系数与波速变化梯度分布图（-1070 m）

图2 震源分布图

2.2 注浆钻孔结构

设计钻孔采用二级结构，其中一开为表土段，下Ф273 mm 护壁管，二开为基岩段，下Ф146 mm高锰耐磨套管，详见表1 和图3。

表1 钻孔结构简表

图3 钻孔结构示意图

根据设计要求，使用双千钻机，NB850/6泥浆泵，24 mA 型钻塔，以及钻机配套设备。

2.3 注浆钻孔施工

按照钻前阶段、钻进扩孔阶段、下管、水泥封固、扫水泥塞及抽放浆液阶段的程序进行施工。

2.3.1 钻前阶段

（1）根据批准的孔位进行孔口的确定，并按照钻机类型的需要进行场地平整。

（2）保证钻机基础坚实、稳固、平整。根据场地情况按照相关要求进行泥浆池、循环槽的施工。按规定安装施工设备，并对设备安装质量进行检查，并做好记录。

（3）根据地基土层情况和施工时钻塔负荷等做好钻塔的基础，做好设备检查和安装，把好安装关，确保“三点一线”，保证孔眼轨迹垂直符合要求。

2.3.2 钻进扩孔阶段

（1）全孔采用牙轮钻头、复合片钻头、泥浆正循环钻进。

（2）首先采用Φ215 mm 钻头钻进至60 m 处；扩孔采用Φ325 mm 钻头，井深50 m 下入护壁管；然后再采用Φ215 mm 钻头，钻进至井深1177 m，下入套管，壁后注浆。

（3）钻具配置：Φ215 mm 牙轮钻头+Φ178 mm 加重管+127 mm 钻杆+Φ89 mm 钻杆+立轴，组成由下至上直径逐渐缩小的塔式钻具，以保证钻具有稳定的轴心压力，确保钻孔垂直。

（4）设计全井采用泥浆作为冲洗液。泥浆为低固相聚合物泥浆，采用人工钠土、广谱护壁剂（GSP）、PAC—141、烧碱（NaOH）和清水进行配浆。

2.3.3 下套管及壁后注浆

（1）设计下入Φ273 mm×6 mm 套管作为护壁管，下入Φ146 mm×12 mm 高锰耐磨套管为注浆管能够满足要求。

（2）采用安全卡、对卡子的方法下入Φ273 mm套管。要求所有焊接部位连接牢靠，密封性良好。采用合适型号的焊接材料和焊接方法，Φ146 mm套管下入采用漂浮法，套管底部安装浮鞋。下套管过程中及时向套管内灌注清水，为便于观察和防止套管内水泥串浆，壁后注浆前必须保证套管内清水注满。下套管采用套管夹板固定安全卡二级保护、钢丝绳套提拉，套管采用丝扣连接，接箍要符合相关规定，丝扣无损坏。

（3）为保证壁后注浆的顺利完成和注浆质量，设计采用逆止阀壁后注浆方法，即在套管的底部安装逆止阀，下部接2.0 m 长的Φ108 mm 套管（割10 个直径3 cm 的水眼作为注浆通道，底部封堵）作为支架支撑。在套管下入后立即下钻杆与孔内套管底端的逆止阀对接后，立即用泥浆泵打开逆止阀，循环好泥浆。

（4）采用Φ108 mm 提桶提出管内浆液，管内浆液残余不大于0.2 m3，以减少管内液柱压力对下步巷道施工的影响。

2.4 注浆钻孔与井下巷道贯通

根据钻孔设计及施工的最终位置，与井下巷道精准贯通，通过西风井联络巷原有注浆管路与新施工的注浆钻孔连接，随后进行新管路打压试验确保主备注浆管路正常使用。

3 结语

（1）注浆防灭火是深井煤矿厚煤层开采防灭火的必要手段。随着矿井生产的进行，原注浆系统老化，按原注浆系统方案建设成本高，安全隐患多，影响连续生产。通过研究相对独立的注浆输送系统，有效解决了原有系统受地理环境限制、重置施工成本高、危险系数大、对生产及效益影响大等问题，在深井防灭火注浆系统技术研究方面取得了创新性成果，对于类似条件下防灭火注浆系统建设和改造具有积极的推广和借鉴意义。

（2）应用SOS 微震监测系统、震动波CT 反演技术、三维地震勘探立体数据体等技术与独立注浆输送系统的路线设计及优化，大大减小钻孔后期因地应力作用而发生的变形、破坏，缩短了施工周期，经济效益显著。

（3）随着煤矿不断向深部发展，开采条件日益复杂，注浆系统的维护、检修成为常态化难题。本研究成果在解决深井防灭火注浆难题方面提供了全新的解决方案和成功案例，具有较高推广价值。