淮南矿业集团顾北煤矿 安徽 淮南 232151
摘要：本文通过对煤矿井下岩溶水体附近开掘巷道时所采取的物探超前、钻探验证措施进行论述，以及对《煤矿防治水规定》相关条款在生产建设实践过程中的应用进行总结，阐明了近灰岩巷道掘进为什么要进行钻探掩护，为矿井建设过程中进行灰岩岩溶水害防治提供了实际操作范例。叙述了如何根据水压的大小确定钻孔超前距和帮距的大小，确定孔口闸阀的耐压强度；根据钻孔所穿过的岩层含水性预测确定下置止水孔口管和止水套管的深度；孔口装置设计要保证注浆固管及耐压试验的需要等。
关键词：岩溶水；钻探掩护；超前距；止水套管；控水装置
一、绪论
《煤矿防治水规定》第九十条规定：在矿井受水害威胁的区域，进行巷道掘进前，应当采用物探、化探和钻探等方法查清水文地质条件。地测机构应当提出水文地质情况分析报告，并提出水害防范措施，经矿井总工程师组织生产、安监和地测等有关单位审查批准后，方可进行施工。
《煤矿防治水规定》第九十二条第七款规定：采掘破坏影响范围内有承压含水层应当进行探放水。
《煤矿防治水规定》第九十四条第二款规定：探放岩溶水时，探水钻孔沿掘进方向的前方及下方布置。底板方向的钻孔不得少于2个。
《煤矿防治水规定》第九十八条第二款规定：沿岩层探放含水层、断层和陷落柱等含水体时，按表5-1确定探水钻孔超前距和止水套管长度。
以上条款规定，有些是原则性和总体要求，有些是某一关键环节上的刚性规定，如何将这些片麟只爪与某项完整的生产实践相结合，是一个值得探讨的问题。下文通过淮南矿区1煤层底板近灰岩巷道探水掩护掘进的具体操作过程的阐述，或将对煤矿工作者有所裨益。
二、地层及水文地质条件
巷道所处层位为1煤层与C3灰岩之间地层，层位埋深660m。岩性主要为砂质泥岩、砂泥岩互层及C31灰岩等。C3灰岩共10～13层，各层灰岩间被泥岩、砂质泥岩及煤线等分隔，总厚约72m，灰岩纯厚约50m，弱～中等富水性，分为三个层组，分别为：C3Ⅰ组灰岩（含C31、C32、C33上、C33下灰岩4层，施工区域内弱富水性）、C３II组灰岩（含C34、C35、C36、C37、C38、C39灰岩6层）、C3III组灰岩（含C310、C311、C312灰岩3层），其下为奥陶系巨厚灰岩。根据周边钻孔岩石测试成果，砂质泥岩抗压强度为25.44～37.72Mpa；砂泥岩互层抗压强度为17.47Mpa，C31灰岩抗压强度为66.01～105.10Mpa。岩层产状144°～190°∠4-15°，裂隙、滑面发育；局部发育小褶曲。
1煤层与C31灰岩平均间距为18m，C31与C32灰岩平均间距为6.0m，C32与C33上灰岩平均间距为1.5m， C33上与C33下灰岩平均间距为4.2m；C31、C32 、C33上、C33下灰岩平均厚度分别为2.3m、1.3m、7.0m、8.0m。巷道上距1煤法距为17～21m。巷道局部破C31灰岩施工。（见图1）
三、水文地质情况分析及采取的措施
首先，根据已取得的地面物探、化探和钻探等勘探资料分析水文地质条件，提出水文地质情况分析报告，并提出水害防范措施，经矿井总工程师组织生产、安监和地测等有关单位审查批准。使之符合《煤矿防治水规定》第九十条。
根据《煤矿防治水规定》第九十二条第七款规定，本巷道施工受底板灰岩承压含水层水害威胁，应当进行探放水。
图1 南一1煤采区底板矸石胶带机巷第二茬Ⅰ组灰岩前探钻孔平、剖面图
巷道所临近的C3Ⅰ组灰岩，总体为弱富水性，未见大的岩溶发育，但富水性不均一，在小岩溶发育处、陷落柱影响范围及断层附近富水性相对较强。根据灰岩地层展布范围广，往往在某处会出露地表与地表水发生水力联系，且灰岩水具有连通性，故巷道底板隔水层受到灰岩水的压力在不考虑连通通道阻力的情况下的理论值为6.6MPa，具有高水压的特点，当然实际压力会比该值小，具体大小要待实际水压观测后确定。又因C3Ⅰ组灰岩总体为弱富水性，出水后往往因补给不足而很快卸压，巷道掘进对其围岩的破坏程度也很小，在钻孔超前探明其含水性和放水卸压的情况下，该层可以作为隔水层来对待，从而保证巷道在消除灰岩水害威胁的条件下安全掘进。
通过以上分析，确定采用瞬变电磁法循环物探和循环钻探的方法，采取超前探明巷道前方与底板方向的构造、C3Ⅰ组各层灰岩厚度、含水性情况，测定C3Ⅰ组灰岩含水层水压等措施掩护巷道施工。物探与钻探同步施工。
四、钻孔的设计与施工
1、目的及任务
1）探明C3Ⅰ组灰岩的厚度情况、岩层赋存情况。
2）探明C3Ⅰ组灰岩的岩溶溶洞及裂隙发育特征和富水性。
3）测定C3Ⅰ组灰岩含水层水压。
4）验证物探异常区富水情况
5）对掩护巷道周边灰岩水进行卸压，掩护巷道安全掘进。
2、钻孔布置
在巷道预定位置的两帮开掘钻场，每循环设计4个钻孔，孔深150m，其中一个钻孔顺巷道施工层位施工，其余钻孔终孔层位C35灰岩，超前距25m，终孔帮距30m，这样钻孔未压茬区域的最小帮距约10m左右；若有覆盖不到的物探异常区，则增加专门的验证钻孔；掩护巷道施工120m左右。如图1所示。该钻孔布置设计符合了《煤矿防治水规定》第九十四条第二款要求。
3、钻孔结构及孔口装置
如图1，2-2#钻孔顺巷道施工层位施工，预计孔深20m不会揭露C31灰岩含水层，故采用长度不小于20m止水套管。其他钻孔终孔层位C33下灰岩，预计孔深20m已揭露C31灰岩含水层，假如钻孔施工至C31灰岩含水层位时钻孔出水，此时无孔口控水装置，不安全，故设计采用二级套管结构。其中第一路套管直径146mm，长8m；第二路套管直径108mm，长度不少于20m。各路套管用水泥固管，待凝固48小时后，做承压检查。第二路套管以下至终孔段孔径为91mm。符合《煤矿防治水规定》第九十八条第二款之要求。
套管每段1m，两端开外丝扣，每段之间用长200mm、开内丝扣的管接相连，最后露出孔口一段满焊焊接相应的法兰盘。
单级直径108mm孔口管直接与配套的耐压值为10 MPa（预计水压的1.5倍）的高压闸阀相连。
二级套管结构的孔口装置如图2所示，直径146mm套管最后露出孔口一段满焊焊接相应孔径的法兰盘，将对应的法兰盘闷盖中心开孔，使之与直径108mm套管外径一致，穿过一段长度500mm、直径108mm的套管并满焊焊接于套管中点位置，该套管一端能通过管接与直径108mm的二级套管相连，另一端满焊焊接与孔口闸阀相连的法兰盘，在套管两盘之间段开一小孔，满焊焊接4分铁管连接小闸阀，前期作为二级注浆固管返浆管，后期连接水压表测量水压。钻孔钻进时，闸阀需与防喷装置相连，防止喷孔。
图2 前探钻孔结构示意图
4、钻孔工序
一级套管结构略。二级套管结构使用φ94mm钻头开孔钻进10m，先用φ153mm钻头扩孔，再用φ196mm钻头扩孔，此为保值钻进，为的是下置套管方便。孔内钻屑冲洗干净后下φ146mm套管8m。套管下至最后2m套管处缠绕棉纱并绑上4分铁管作为导气和返浆管送入孔内，然后加塞入棉纱，使套管壁外2m处用棉纱封堵住。套管与孔壁之间用浓稠水泥封堵作止浆塞。待水泥凝固8小时后，孔口加注浆闷盖往钻孔内进行注浆（浆液成分：水灰比0.7：1，加入黄沙），导气返浆管返浆后关闭返浆闸阀，继续加压注浆，压力达到10Mpa并稳压10分钟，若岩壁漏浆，则采取边堵漏边间歇性注浆方式，直到套管外壁与周围岩体不渗水，不漏浆并达压为止。候凝48小时后使用φ127mm钻头扫孔并施工至25m处，冲净钻屑，下置φ108mm套管20m后与二级孔口装置相连，注浆固管方式同前。候凝48小时后采用φ91mm钻头钻进至终孔测斜。
五、结论
综上所述，我们可以得出以下结论：
1、《煤矿防治水规定》有些是原则性和总体要求，有些是刚性规定，而且针对某一具体工作，相关规定分散于不同的条款中，需要我们根据具体情况去认真搜集整理，具体工作中都不能违背。
2、《煤矿防治水规定》是最基本要求，并不能包打天下，需要我们根据具体条件创造性地运用方能保证安全。比如本文中二级套管结构的应用。
3、当高承压含水层总体呈弱富水性，富水性不均一，且连通性差，径流条件不畅时，可以在物探和钻探掩护下掘进，此时钻孔起到了小断面超前巷探的作用，一是可以提前迅速卸压，消除施工中高压射流水伤人的威胁。二是钻孔成孔难易程度和涌水量可以作为判断巷道施工是否安全的重要依据。
参考文献
[1]杨孟达.煤矿地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
[2]国家煤炭安全监察局.煤矿防治水规定释义.徐州：中国矿业大学出版社，2009.12.
论文作者:齐鹏
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/4
标签：套管论文; 钻孔论文; 巷道论文; 含水层论文; 煤矿论文; 水性论文; 岩溶论文; 《防护工程》2017年第23期论文;