徐立军
（山西煤炭运销集团晋中有限公司，山西 晋中 030600）
井下水害的发生具有事故发生突然性、事故后果严重性等特点，严重威胁井下煤炭资源的安全开采，极大的降低了矿井开采效率[1]。传统的钻孔泄压防止水害的过程中，由于工作面水压较大，在钻孔钻进富水区的过程中经常发生喷管事故，造成工作面积水，威胁作业人员人身安全。通过在控水管上增加安全阀门，在控水管法兰盘上增加锚固装置，能极大的减少钻孔泄放水时的喷管现象，增加钻孔泄压的安全性，具有一定的实用价值。
煤层开采过程中的采动压力和煤层开采后的顶板冒落破坏了上覆岩层的整体结构，在上覆岩体中形成大量的裂隙，地表水体和承压水层的水通过岩层裂隙形成的水力通道作用在综采工作面煤岩体上,工作面上覆煤岩体在水力腐蚀作用下，从强度较高的固体形态缓慢转变为强度较低的液体形态，在综采工作面形成水压较大的区域，当下层煤层工作面开采至该区域附近时，综采工作面与水压集中区域间的距离逐渐减小，两者间煤岩体承载富水区水头压力的承载能力逐渐减小，地表水体或承压水层的水压在工作面上覆岩层上逐渐积累，同时腐蚀水压集中区域煤岩体，降低煤岩体的强度，当工作面前方水压集中区域前方水压强度和工作面上方土压强度的合力大于工作面与水压集中区之间煤岩体的承载能力时，工作面上覆煤岩体破坏失稳，工作面发生突水事故。综采工作面与富水区间煤岩体受力简图，如图1 所示。
图1 综采工作面与富水区间煤岩体受力图
如图1 所示，p0表示富水区的水头压力，p1表示工作面上覆岩层的土压力，p2表示综采工作面与富水区之间煤岩体的承载能力。工作面上方煤岩体在采动应力发生破坏变形产生裂隙，形成水力通道，富水区压力直接作用在综采工作面上覆岩层上，当富水区的水头压力p0与工作面上覆岩层的土压力p1的合力大于综采工作面与富水区之间煤岩体的承载能力p2时，富水区水体沿着裂隙突涌至综采工作面内，造成水害事故；
当富水区的水头压力p0与工作面上覆岩层的土压力p1的合力小于综采工作面与富水区之间煤岩体的承载能力p2时，工作面上方煤岩体承载上方水土压力的作用力，约束工作面上方煤岩体变形，确保工作面安全稳定性。在对同一水平煤层开采过程中，综采工作面上覆岩层的土压力p1变化不大，富水区的水头压力成为造成工作面上方煤岩体破坏，工作面水害事故发生的主要影响因素；
当综采工作面上覆岩层内存在富水区C 时，随着综采工作面的掘进，综采工作面与富水区之间的距离越来越小，综采工作面与富水区之间承载富水区水头压力的煤岩体的厚度逐渐减小，对富水区水头压力的约束能力越来越小，如果综采工作面穿过富水区时不采取防治水措施，则容易在综采工作面内产生突水或顶板冒落事故，影响矿井井下安全开采。
富水区内水压的计算公式，如式（1）所示：
式中：p0为富水区水头压力，kPa；
h 为富水区水头高度，m；
γ 为水的重度。
从公式（1）中可以发现，当水的重度不变时，水头压力随水头高度增加而增加。煤层上覆岩层在采掘活动活动中产生大量裂缝，形成地表水体或承压水在裂缝中自由流动，水体下渗，在工作面上方岩层内形成富水区。富水区的形成，增大了水头高度h，当水的重度不变时，富水区水头压力随着水头高度的增加而增大，造成工作面水害发生风险，降低了采掘工作面安全性。
2.1 钻孔泄压技术原理
如图1 所示，工作面水害发生机理为当富水区的水头压力p0与工作面上覆岩层的土压力p1的合力大于综采工作面与上方富水区之间煤岩体的承载能力p2时，工作面上方煤岩体发生破坏变形，造成水害事故，在对同一水平煤层开采过程中，工作面上覆岩层的土压力变化幅度较小，井下水害事故的发生与地表水体或承压水层的水压、水压集中区域之间煤岩体的承载强度有直接关系。利用钻孔泄压技术降低富水区的水头压力p0，同时利用注浆技术在综采工作面后方顶板处加固工作面上方煤岩体的承载能力p2，使富水区的水头压力与工作面上覆岩层的土压力的合力小于综采工作面与上方富水区之间煤岩体的承载能力，确保综采工作面的稳定性，防止水害事故的发生。
2.2 富水区水体探测
煤层开采前对矿区水文地质条件进行详细勘探，探明矿区承压水层位置，为煤层开采时防治水工作提供水体数据。煤层开采过程中，注意收集工作面异常信息，当综采工作面出现水压异常增大、水温异常升高、出水量异常增大或隔水层出水等异常信息时，则停止工作面掘进，利用探测钻孔探明综采工作面上方岩层富水区位置、水压大小等信息，预估富水区的水头压力和积水量，从而确定钻孔泄压的钻孔深度、工作压力等泄压参数。对工作面上方岩层内的富水区进行钻孔泄压，当工作面上方岩层内的富水区的水体压力满足要求后恢复综采工作面掘进[2]。
2.3 钻孔泄压装置安全冗余设计
在钻孔泄压的过程中，由于富水区水压较大，泄压孔钻进至水压集中区域附近时经常发生喷管事故，造成工作面积水，威胁作业人员人身安全。为了控制钻孔泄压时的管内压力，提高钻孔泄压的安全性，设计在传统的泄压设备上增加安全阀门和固定装置，提高钻孔泄压的安全性，避免产生喷管事故，安全冗余钻孔泄压装置简图，如图2 所示。
图2 安全冗余钻孔泄压装置图
如图2 所示，与传统的钻孔泄压装置相比，安全冗余钻孔泄压装置利用冗余技术原理，设计两道确保钻孔泄压安全的技术措施，一是在泄压装置控水管上加装一个安全阀门2，根据综采工作面前方水头压力大小确定安全阀门的开启压力，在钻孔泄压装置钻孔过程中，当管内水压大于安全阀预设开启压力时，安全阀门打开放出管内水，降低管内水压，防止发生喷管事故，确保钻孔作业安全；
二是在控水管的连接法兰盘上加装两道植入工作面煤岩体中的锚固装置3，将钻孔泄压装置固定在工作面煤岩体上，根据现场实际情况选择合适的锚固装置长度。钻孔泄压在降低工作面前方水头压力的同时，在顶板进行钻孔作业也破坏了顶板的整体性，降低了顶板的承载能力，为了确保钻孔泄压处顶板的安全，可以对顶板进行注浆加固。
3.1 富水区钻孔探测
在150101 工作面机巷顶板上植入两个探测长钻孔，孔径65 mm，孔深600 m，钻孔轴线与顶板成25°夹角以确保顶板整体稳定性。在探测孔植入工作面前方煤岩体的过程中，实时统计两个探测孔的涌水量，统计结果，如图3 所示。
图3 150101 工作面机巷顶板探测孔涌水量
如图3 所示，图中探测孔A、B 的涌水量数据多段线图形走向趋势基本相同，一致性较好，说明探测孔A、B 的涌水量数据具有一定的真实准确性。随着探测孔A 和探测孔B 植入深度的增加，探测孔内涌水量基本成阶梯状增长，符合探测孔涌水量增长的一般规律。当探测孔的孔深在0 m～50 m时，孔内涌水量基本为0 m3/h；
当探测孔的孔深达到50 m～100 m时，孔内涌水量快速增长至35 m3/h；
当探测孔的孔深达到100 m～180 m时，孔内涌水量稳定在35 m3/h～40 m3/h 范围内；
当探测孔的孔深达到180 m～250 m时，孔内涌水量快速增长至80 m3/h；
当探测孔的孔深达到250 m～360 m时，孔内涌水量稳定在80 m3/h～90 m3/h；
当探测孔的孔深达到360 m～430 m时，孔内涌水量快速增长至160 m3/h；
当探测孔的孔深达到430 m～600 m时，孔内涌水量稳定在160 m3/h～170 m3/h，图3 表明，在探测孔内涌水量快速增长的孔深50 m～100 m、180 m～250 m、360 m～430 m范围内为工作面上覆岩层富水区，在钻孔泄压过程中，需要对该富水区范围内的水压进行泄放。
3.2 安全冗余钻孔泄压装置应用
利用安全冗余钻孔泄压装置对150101 工作面进行水害防治，在150101 工作面机巷顶板上植入定向钻孔，孔径65 mm，孔深430 m，涵盖工作面上覆岩层的3 个富水区，钻孔前实用两根锚固装置将控水管固定在工作面顶板煤岩体内，控水管与顶板煤岩体间隙使用水泥砂浆封堵，增大控水管和顶板煤岩体间的摩擦力；
泄压孔钻进过程中，实时监控控水管上压力表数值和钻孔深度，当钻孔到达富水区时，注意观察压力表数值，当压力表数值大于0.5 MPa 时，打开控水管上的泄压阀门，富水区水体压力随着放水泄压的进行而逐渐降低，当控水管上压力表数值小于0.5 MPa时，定向钻头继续钻进，直至钻孔深度达到预定要求或控水管上压力表数值大于0.5 MPa，在对150101 工作面机巷顶板进行泄压防水防水的过程中，定向钻孔达到预定深度之前，控水管上压力表的数值小于0.5 MPa，定向钻孔一次成孔。150101 工作面机巷顶板泄压防水过程中泄压孔的涌水量，如图4 所示。
图4 150101 工作面机巷顶板泄压防水过程中泄压孔的涌水量
如图4 所示，在使用安全冗余钻孔泄压技术一次成孔后，对岩层内富水区水体压力进行泄放，并定期记录泄放孔涌水量数据，前期涌水量较大时，可以适当增大涌水量记录频次。在对泄放孔涌水量数据分析后发现，在泄压防水初期，泄压孔内涌水量急剧增加，最大值达到172 m3/h，与探测孔A、B 的探测到的岩层内富水区水压数据基本一致；
泄放孔的泄压过程一般可以在2 d～3 d 内完成，富水区水体压力泄放后，泄压孔内的涌水量急速减少，最终稳定在5 m3/h 左右，工作面上覆岩层内富水区水压得到控制。在使用安全冗余泄放装置对150101 工作面机巷顶板钻孔泄压过程中，未发生喷管或突水事故，未发生顶板冒落或破坏失稳现象，安全冗余泄放装置在防止喷管和冒顶问题上具有一定的实用价值[3]。
实践表明，钻孔泄压技术能降低工作面上覆岩层内富水区的水头高度，降低富水区水头压力，极大的降低了综采工作面发生突水的可能性；
利用冗余原理设计的安全冗余钻孔泄压装置能有效防止钻孔泄压过程中发生喷管或顶板冒落事故，提高了采掘工作面上覆岩层内富水区水压泄放的安全性，具有一定的使用价值。
1）阐明了综采工作面上覆岩层中水体压力的来源和特点，阐明了上覆岩层中水体压力的破坏机理。
2）阐明了钻孔泄压参数选择方法，并设计了安全冗余钻孔泄压装置，提高钻孔泄压安全性，防治喷管或突水事故。
3）利用安全冗余钻孔泄压技术对某矿150101 工作面进行水害防治，结果表明，安全冗余钻孔泄压技术能明显降低工作面上覆岩层内水体压力，提高综采工作面安全性。
猜你喜欢 富水涌水量水压 胡家河煤矿涌水特征及规律分析陕西煤炭(2022年4期)2022-07-23水压的杰作发明与创新(2021年39期)2021-11-05隆德煤矿下组煤开拓延深工程涌水量预测陕西煤炭(2021年5期)2021-09-23富水粉细砂岩隧道涌水涌砂处理技术研究铁道建筑技术(2021年3期)2021-07-21富水砂卵石地层RATSB组合式盾构接收技术研究铁道建筑技术(2021年3期)2021-07-21广西忻城某石材矿山涌水量预测研究石材(2020年6期)2020-08-24富水砂卵石地层锚索施工工艺工法中华建设(2019年12期)2019-12-31超级高密度电法在新疆某矿区富水性评价应用研究中国锰业(2019年4期)2019-09-04重庆鱼田堡煤矿矿井涌水量变化特征研究中国矿业(2017年3期)2017-03-23水压预裂技术在低透气性煤层中的应用研究中国煤层气(2015年3期)2015-08-22