李源匯

(河南省煤田地質(zhì)局四隊，河南 鄭州 450016)

0 引言

礦井水災(zāi)作為煤礦第二大災(zāi)害事故，嚴(yán)重威脅著礦井的生產(chǎn)安全。近年來，我國煤礦水害事故約有30%的透水水源來自采空區(qū)積水。采空區(qū)積水一般存在于上組煤層、上部不同巖層的采空部位及同一組開采煤層的其他生產(chǎn)水平中，水量相對集中，積水區(qū)空間位置隱蔽，深度和層位不一，突水特征表現(xiàn)為時間短、水量大、破壞性強(qiáng)。一旦發(fā)生采空區(qū)突水事故，揭潰煤、巖柱后，積水將在短時間內(nèi)向水位低的采掘區(qū)突然潰出，對礦井采掘工作面人員、設(shè)備的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大的威脅。特別是隨著我國煤炭資源逐步轉(zhuǎn)向深部開采，對于開采下組煤層的延伸礦井，急需對上組煤層的采空區(qū)積水進(jìn)行重點(diǎn)治理。

1 工程概述

大同煤田內(nèi)賦存有侏羅系和石炭二疊系兩套含煤建造，上部侏羅系煤層開采年代久遠(yuǎn)，煤田范圍內(nèi)侏羅系煤層存在著大量的采空區(qū)，受多種途徑的水源補(bǔ)給，采空區(qū)低洼處匯集了大量積水，井田內(nèi)各礦井受侏羅系采空區(qū)積水影響非常嚴(yán)重，特別是對于下部石炭二疊系煤層開采的威脅最為明顯，如果不對上覆采空區(qū)積水全部查明并放空，極易發(fā)生煤礦透水事故。如2015年4月，大同煤礦集團(tuán)姜家灣煤礦“4·19”透水事故，造成21人遇難，事故原因正是上層采空區(qū)積水所致。

為對采空區(qū)積水進(jìn)行有效防治，采用地面布置鉆孔，施工探放水孔與大直徑抽水井的防治水鉆探技術(shù)，因鉆孔需穿越多層采空區(qū)，鉆進(jìn)地層條件復(fù)雜，成孔工藝難度較大。我單位在大同礦區(qū)對地面防治水鉆孔鉆探工藝進(jìn)行了有益嘗試，經(jīng)實踐驗證，地面探放水孔能夠有效實現(xiàn)采空區(qū)積水區(qū)與下部石炭系開采煤層巷道的貫通式放水，大直徑抽水井可實現(xiàn)超大流量的采空區(qū)積水抽放，取得了較好的貫通式放水和抽排效果。

2 礦井概況

同忻煤礦井田位于大同煤田東北部，屬大同向斜東翼，口泉斷裂北部，云崗斷裂構(gòu)造南部，基本形態(tài)為走向N10°～50°E，傾向西北，東高西低的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為3°～10°。井田現(xiàn)主采石炭系太原組3～5號煤層，平均厚14.38 m，煤層埋藏深度425～550 m。同忻井田上覆開采侏羅系煤層礦井有忻州窯礦、煤峪口礦、永定莊礦、同家梁礦、大斗溝礦和白洞礦(圖1)。

圖1 同忻井田上覆開采侏羅系煤層礦井

積水主要分布于大同組3、9、11、12、14、15號煤層采空區(qū)，各層采空區(qū)積水情況如表1所示。

表1 同忻井田上覆侏羅系各層采空區(qū)積水情況

侏羅系大同組14號煤層采空區(qū)積水面積與積水量最大，且石炭系太原組3～5號煤層與其距離最近，兩者層間距56.85～235.14 m，平均140～150 m。根據(jù)綜采工作面“兩帶”高度計算確定的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?23.9～146.9 m，將此高度與各點(diǎn)煤層間距對比表明，同忻井田東北部、西部地區(qū)煤層間距小于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，可能存在?dǎo)水裂隙，在井田局部薄弱地帶開采3～5號煤層后，導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dǎo)通上覆采空區(qū)積水，與下部煤層溝通發(fā)生水力聯(lián)系，對礦井安全構(gòu)成重大隱患，必須對上覆侏羅系采空區(qū)積水進(jìn)行有效疏放。

礦井積水通?？刹捎镁律羁滋椒潘夹g(shù)，即在下部煤層掘進(jìn)巷道內(nèi)向上部采空積水區(qū)施工放水鉆孔，該技術(shù)增加了探放水的手段，在一定程度上可以滿足對老空積水區(qū)探查的要求。但積水采空區(qū)與石炭系煤層間距>100 m時，該技術(shù)將受到井下水平鉆機(jī)設(shè)備施工能力、鉆孔孔口水壓過大、孔口管及防噴裝置難以固定等條件的制約。為此，在地面布置施工探放水孔與大直徑抽水井，分別對采空區(qū)積水進(jìn)行貫通式放空和超大流量抽排。

3 地面探放水孔防治水技術(shù)

地面探放水孔防治水技術(shù)是在對應(yīng)采空區(qū)積水區(qū)的地表布置鉆孔，利用地面鉆孔施工穿過積水區(qū)，與下部石炭系開采煤層的巷道貫通，從而將積水排放到井下，再由井下排水系統(tǒng)排至地表。

3.1 鉆孔布置

地面探放水孔的布置以物探探測成果為基礎(chǔ)，在物探基本確定積水方位后，通過劃定積水區(qū)下覆3～5號煤層的回采工作面，在物探低阻異常區(qū)域、工作面巷道或井下抽水系統(tǒng)布置巷道與對應(yīng)的地表地形允許施工區(qū)域重合處，布置施工鉆孔。按此原則布置施工的9個探放水孔坐標(biāo)與孔深如表2所示。

表2 地面探放水孔設(shè)計坐標(biāo)與孔深

3.2 探放水孔結(jié)構(gòu)

地面探放水孔設(shè)計一開開孔孔徑為153 mm，孔深15 m，穿過第四系松散層后孔內(nèi)下入?146 mm套管，并用水泥填充固井。

二開變徑為?133 mm孔徑鉆進(jìn)，直至穿過14號層采空區(qū)底板以下15 m后停止鉆進(jìn)，并在孔內(nèi)下入?127 mm套管封閉采空區(qū)；之后變徑為?113 mm孔徑繼續(xù)鉆進(jìn)15 m后，再變徑為?94 mm孔徑鉆進(jìn)，直至與井下石炭系3～5號層巷道貫通。在孔內(nèi)下入?108 mm濾管，濾管下部連接?89 mm套管。待?89 mm套管與井下巷道排水管路接好后，起出?127 mm安全套管，采空區(qū)積水經(jīng)?108 mm濾管流入?89 mm套管內(nèi)，并與井下排水管路聯(lián)通。以1號探放水孔為例，其鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地面1號探放水孔結(jié)構(gòu)圖

3.3 施工設(shè)備

地面探放水孔施工選用TXB-1000型巖心鉆機(jī)，配套24.5 m鉆塔、NBB250/60泥漿泵、4135柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、輕便數(shù)字測井儀與JJX-3A型高精度測斜儀。

3.4 關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)

(1)必須按探放水孔的設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行施工，并根據(jù)保存的工作面地質(zhì)資料和物探數(shù)據(jù)，在施工過程中清楚掌握上覆侏羅系各煤層層位、厚度及采空區(qū)深度和冒落情況，并查清采空區(qū)積水高度、積水水位。

(2)如采空區(qū)內(nèi)有積水，鉆孔要求鉆進(jìn)至石炭系3～5號煤層設(shè)計的巷道中，偏斜不得超出設(shè)計要求。

(3)在鉆孔穿越采空區(qū)時，必須安裝安全套管對采空區(qū)進(jìn)行封閉處理，待孔內(nèi)下入濾管，井下排水管路對接完畢后，及時取出孔內(nèi)安全技術(shù)套管。

(4)鉆孔施工至距離巷道頂板20 m時，要及時通知礦方，并做好防止采空區(qū)積水涌入巷道的安全措施。

3.5 疏放水效果

在同忻井田二盤區(qū)上覆同家梁礦東406、404盤區(qū)，先后施工的9個地面探放水共計疏放采空區(qū)積水398.1萬m3。經(jīng)地面探放水孔的上下貫通式疏放，分別對5、6、7、8號地面探放水孔進(jìn)行測井分析孔內(nèi)水位變化發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)積水水位均處于侏羅系14號層煤層底板標(biāo)高以下(見表3)，證明上覆采空區(qū)積水已基本疏放完畢。

表3 地面探放水孔水位對比情況

4 大直徑抽水井防治水技術(shù)

地面大直徑抽水井防治水技術(shù)是在采空區(qū)積水凈水位較高的區(qū)域，通過施工地面大直徑鉆孔，穿過多層采空區(qū)后達(dá)到終孔目的層位，并在目的層位置下入濾管，濾管內(nèi)下入大功率多級深井泵，通過深井泵抽取采空區(qū)內(nèi)積水并排出地表。

4.1 抽水井布置

由于大功率抽水泵的抽排能力較強(qiáng)，為最大量的實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)積水抽放，大直徑抽水井必須設(shè)在采空區(qū)積水凈水位較高的位置，需在地面地形允許處先布置探水孔以查明詳細(xì)積水情況，結(jié)合探水孔資料與礦方在該地區(qū)的突水點(diǎn)觀測資料，若采空區(qū)積水量大，即可在距該探水孔5 m左右布置大直徑抽水井。另外，地面大直徑抽水井還應(yīng)考慮解決以下兩種區(qū)域內(nèi)積水的抽排：當(dāng)采空積水區(qū)周圍沒有巷道及其他空間，井下從本層無法放水；積水區(qū)的下部煤層中沒有掘進(jìn)巷道，地面探放水孔穿過積水區(qū)后，不能與下部石炭系開采煤層的巷道貫通，達(dá)不到疏放水的目的，只能采用地面大直徑抽水井抽排。

4.2 大直徑抽水井結(jié)構(gòu)

在同忻井田設(shè)計施工了5個地面大直徑抽水井，見表4。

表4 同忻井田大直徑抽水鉆孔結(jié)構(gòu)

注：終孔層位在14號層采空區(qū)底板以下15 m。

以同忻井田上覆煤峪口礦406盤區(qū)2、3號抽水井為例，井身結(jié)構(gòu)分別如圖3、圖4所示。根據(jù)鉆孔揭露14號層采空區(qū)的深度，抽水井濾管部分應(yīng)布置在采空區(qū)底板以下15 m內(nèi)，濾管長度大于10 m，套管底部留4～6 m淤泥沉渣段。

圖3 同忻井田上覆煤峪口礦406盤區(qū)2號抽水井井身結(jié)構(gòu)

4.3 主要施工設(shè)備

(1)GZ-2600型鉆機(jī)，配套JJ110-29A型鉆塔，高2.1 m底盤；

圖4 同忻井田上覆煤峪口礦406盤區(qū)3號抽水井井身結(jié)構(gòu)

(2)阿特拉斯XRVS476、XRVS976型空壓機(jī)，額定排氣量27.6 m3/min，排氣壓力2.5 MPa，驅(qū)動功率328 kW；

(3)SPM380型沖擊器，工作氣壓0.8～2.1 MPa，耗風(fēng)量12～31 m3/min，沖擊功1560 J，沖擊次數(shù)850～1510次/min；

(4)SPM380-350型潛孔鉆頭，排氣孔數(shù)量4個，直徑350～353 mm，單重80 kg，邊齒32×?18 mm，中齒23×?16 mm；

(5)?550 mm組合牙輪鉆頭，雙階梯帶?311 mm導(dǎo)向，風(fēng)眼10個，?550 mm階梯布置6個，導(dǎo)向布置4個，均勻?qū)ΨQ分布，風(fēng)眼直徑4.6 mm；

(6)?350 mm牙輪鉆頭、?350 mm扶正器以及?127 mm鉆桿，?159、178、203 mm鉆鋌等配套。

4.4 施工工藝

(1)?350 mm抽水井施工采用正循環(huán)空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，穿過多層采空區(qū)至14號采空區(qū)積水水位深度，進(jìn)水后更換?350 mm牙輪鉆頭清水鉆進(jìn)至終孔。孔內(nèi)下入?273 mm×8 mm套管(含濾管)，將其固定在井口后，在套管內(nèi)下入AT250QJ100-400/16-185KW型井用潛水泵及抽水管路、電纜等機(jī)井附件。

(2)?550 mm抽水井施工采用空氣潛孔錘與風(fēng)冷牙輪組合鉆進(jìn)工藝，即先進(jìn)行?350 mm孔徑空氣潛孔錘沖擊鉆進(jìn)施工，再采用?550 mm風(fēng)冷牙輪鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔施工至終孔。成孔后全孔下入?426 mm×12 mm套管(含濾管)，并在套管內(nèi)下入AT300QJ200-400/16-410KW型井用潛水泵及抽水管路、電纜等機(jī)井附件。

大直徑抽水井施工工藝參數(shù)見表5。

表5 大直徑抽水工藝參數(shù)

4.5 抽排水效果

?350mm大直徑抽水井采用AT250QJ100-400/16-185KW型井用潛水泵，排量為100 m3/h；?550 mm大直徑抽水井采用AT300QJ200-400/16-410KW型井用潛水泵，排量為200 m3/h。5個抽水井理論上每天(開泵18 h)可抽排采空區(qū)積水12600 m3。大直徑抽水井已累計抽排積水200余萬立方米，目前5個井內(nèi)均已無水位，實際抽排效果非常明顯。

5 結(jié)論

(1)利用地面探放水鉆探技術(shù)施工探放水孔與大直徑抽水井，能夠?qū)崿F(xiàn)采空積水區(qū)與下部石炭系開采煤層巷道的貫通式放水、采空區(qū)積水的大流量抽排。施工的9個地面探放水孔累計疏放采空區(qū)積水398.1萬m3，5個大直徑抽水井累計抽排采空區(qū)積水200余萬立方米，取得了較好的貫通式放水和抽排效果。

(2)對采空區(qū)積水進(jìn)行治理，必須與多種物探方法相結(jié)合，對采空積水區(qū)域、積水量進(jìn)行探測，準(zhǔn)確把握積水治理前和治理后的情況，并為合理布置地面探放水孔與大直徑抽水井提供依據(jù)。

(3)地面探放水孔穿采空區(qū)施工，必須先下安全套管對采空區(qū)進(jìn)行封閉，在下部施工結(jié)束，井下巷道排水管路對接安裝完畢后，才能提出安全套管進(jìn)行放水。大直徑抽水井空氣潛孔錘鉆進(jìn)穿采空區(qū)施工，需根據(jù)地層情況及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，施工深度超過150 m，應(yīng)將兩臺空壓機(jī)并聯(lián)使用。鉆孔過采空區(qū)時，應(yīng)與礦方保持密切聯(lián)系，并做好防止采空區(qū)積水涌入巷道的安全措施。

(4)應(yīng)繼續(xù)深入研究雙系煤層的特點(diǎn)，確定適用于地面探放水孔、地面大直徑抽水井實施的最佳技術(shù)條件，實現(xiàn)對采空區(qū)積水更有效的疏放與抽排。