濉溪县应急管理局
摘要:煤矿开采易受现场地质、水文条件的影响,而矿井内的地质环境和水文环境错综复杂,导致煤矿开采频频遇阻。其中,煤矿地质防治水是煤矿开采中的重点工作内容,在此方面可应用到定向钻进技术,以便及时排查开采期间的水害隐患,做针对性的处治,营造安全可靠的煤矿开采环境。
关键词:煤矿地质;防治水;定向钻技术;应用
1煤矿防治水工作的主要内容
在煤矿生产工作中,水害问题发生概率较高,是煤矿行业的主要灾害,这一问题的发生不仅会对企业造成巨大经济损失,严重的还会引发不同程度的人员伤亡。在煤矿生产过程中,井下巷道发生突水事故的风险较高,这是因为在巷道掘进施工期间,设备往往需要穿越较厚的含水砂砾石层,如果地表水连同破碎带区域,很可能引发涌水问题。分析可知,出现此种情况的主要原因在于煤矿在长时间开采后很容易形成采空区,如果不能及时对采空区进行科学管理,暴露在外的地下水就会诱发采空区积水问题,这类突水事故的发生不仅会造成井下出现大量积水,严重的还会对作业人员的生命财产安全造成负面影响。所以,在煤矿生产中更需要加强对防治水工作的关注,通过有效勘察和分析矿区塌陷情况,准确掌握积水面积和深度,只有这样工作人员才能根据以往工作数据对当地地质情况予以分析,最终在水位观测站等站点的设立实现水位监测,即使在雨季来临前对矿区排水系统和地表水检查情况进行分析,保证矿区排水工作的正常推进。
2项目概况
某巷道设计长度1250m,断面净宽4.8m。综合考虑首采区地质报告和井下实见资料,对现场煤矿开采条件加以判断,得知9#煤层顶板的充水现象主要取决于顶板砂岩及K5灰岩裂隙含水层的状态,其中裂隙含水是砂岩裂隙含水层的主要水源,虽然会对巷道掘进造成影响,但程度有限。9#煤层上覆45m为3#煤层采空区,积水区集中在巷道870~1030m段,随着掘进作业的开展,存在一定程度的应力作用,受外力的影响,采空区积水经由裂隙岩层发生流动,逐步汇聚至工作面,此部分积水将对巷道掘进造成显著的影响。
3巷道掘进前期探放水施工工艺及主要问题
3.1前期探放水施工工艺
联合应用ZDY3700B型钻机和中空钻杆,以便高效完成钻孔作业。硬件参数方面,配套钻机的转速为72r/min,钻机压力30MPa;中空钻杆直径63mm,长度1.5m。工作面四邻无采空区和老窑水,前方水文地质条件简单明确,无需在前方布设迎头钻孔。于工作面上钻孔,孔深均为150m,每排5个顶板钻孔,编号为1#-5#孔,钻孔与顶板仰角为20°。1#、2#钻孔在水平投影上左偏量依次为20°、40°,3#、4#钻孔分别右偏20°、40°,5#钻孔水平投影与巷道中线重合。根据钻孔要求,于工作面安装钻机,精细调整,使钻机准确就位并维持稳定。在确认钻机无异常状况后即可开始钻进,深度达11m时暂停,及时更换扩孔钻头,按照11m的深度要求扩孔施工,随后向孔内置入4根PVC孔口管,再做封孔处理(材料选用聚氨酯,保证严密性)。在完成封孔作业后,安排注水耐压试验,用于检验施工情况。注水压力取积水压力的1.5倍,耐压时间至少达到20min,试验结果达到要求后,可按照施工进度计划继续钻进。
3.2主要问题
(1)钻孔工作量大。巷道每次超前钻探长度达到150m,巷道掘进期施工探水钻孔总量达到8组,共计40个钻孔,总长度达到6000m,施工量相对较大,员工需要在27d内完成钻孔作业,工作负荷较重。此外,钻孔时巷道被迫停止掘进,在此影响下,巷道掘进效率有所降低,难以达到高效施工的目标。(2)无用孔数量多。探放水施工时采用超前钻探的方法,需要施工的钻孔数量较多,并且其中不乏有一定数量的无用孔。从现场作业情况来看,钻孔具有盲目性,导致钻孔工作成效欠佳,难以达到预期探放水效率要求。
4煤矿地质防治水中定向钻探技术的具体应用
4.1技术原理
定向钻探技术在煤矿工程中取得广泛的应用,由螺杆马达驱动,提供动力源,推动钻探作业的进行;启用随钻测量系统,以便加强监测,及时掌握钻进轨迹、弯角、方位角,作业人员根据测量结果动态调整螺杆旋转角度,以便沿着特定的方位角高效钻进。根据工程要求,钻进准确度需达到98%以上,钻探深度超400m。
4.2设备配套
钻探采用的是型号ZDY12000LD型,并根据此设备的性能配套泥浆泵、钻进测量系统,以便定向钻探作业的顺利进行。
4.3定向钻探
定向钻探时间以9104运输顺槽掘进情况为准,达到500m时进行。巷道上覆采空区积水集中分布区域为870~1030m段,与巷道水平投影偏差角度为22°,结合现场情况,决定设4处定向探水钻孔,平均深度457m,编号为1#-4#孔。钻孔统一布置在掘进巷道迎头煤壁处,与顶板距离1.8m,呈直线布置。钻进分阶段完成,前350m以6°的倾角钻进,且保持相对较快的速度,此后逐步减小倾角,完成剩余部分的钻进作业。9104运输顺槽直接顶分布的是炭质泥岩,基本顶为粗砂岩,两者的厚度分别为6.7m、17.6m,钻孔扩孔期间加强对现场地质条件的分析,达到坚硬稳定岩层时即可结束。钻孔扩孔采用变径的方法,扩孔段直径133mm、153mm,而后向孔内置入Φ127mm孔口管,并做封孔处理,保证严密性。封孔结束后,按照2.4MPa的压力要求组织注水耐压试验。实际结果达到要求后,将泄压阀、止水阀等安装到位,若无误则安排导向钻孔的钻进作业,期间加强监测,基于检测数据生成清晰的钻孔轨迹,用于反映钻孔的实际情况。通过实际轨迹与设计钻孔轨迹的对比分析后,判断偏差,视实际情况灵活校正,直至偏差被控制在许可范围内为止。
4.4应用效果分析
(1)钻孔工作量减少,工期缩短。在采取定向钻探技术后,钻孔总长1828m,相比于常规的探放水方法而言,钻孔量缩短4172m,而由于工作量的减少,钻孔耗费的时间随之缩短,工程资源消耗量降低,对比分析发现缩短约13d,为后续工作的开展争取了充足的时间。(2)巷道掘进效率提高。为更为直观地判断定向钻探技术在提高效率方面的优势,与传统方法做对比分析。若采用常规的探放水施工工艺,每完成100m的掘进则需安排一次钻孔,前期巷道平均掘进速度为5.2m/d;而在同等施工条件下,若应用定向钻探技术,此时钻孔的连续性较强,能够一次钻孔到位,且钻孔的扰动性较小,不会对巷道掘进造成过多的影响,后期掘进平均速度提升至9.6m/d,施工效率大幅提高,并且也有助于保证巷道掘进的安全性。(3)探放水效率较高。四个定向钻孔均为湿孔,9104运输顺槽上覆采空区放水量为7442m3,经对比分析发现,实际放水量与预计积水量相当,施工效果符合预期要求。从巷道后期掘进情况来看,在通过采空区积水段时存在淋水现象,但具有零星发生的特点,且实测结果显示最大淋水量为0.2m3/h,不会对巷道的正常掘进造成过多的干扰,基本上不存在上覆采空区水患,可达到安全施工的效果。
5结语
在煤矿工程开采中,以何种方式做好防治水工作显得尤为关键,其直接关乎煤矿开采的安全、效率、效益等方方面面。现阶段的煤矿防治水方法多样化,其中以定向钻探技术较为主流,能够充分反映作业现场的实际状况,以便工程人员采取针对性的防治水措施,从源头上消除水患,给煤矿开采工作的开展创设良好的条件,达到安全生产、高效生产的效果。
参考文献
[1]马智宇.煤矿井下综合防治水技术的应用研究[J].能源与节能,2022(1):174-175+193.
[2]冯喜珍.煤矿地质勘查与矿井防治水技术的结合应用[J].智能城市,2021,7(9):61-62.