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user: 5. 地质条件分析及套管错断方案实施情况 5.1. 特殊条件分析 1、水压高，突水系数大 12150工作面煤层底板承受奥陶系灰岩含水层水压4~5.0 Mpa，平均水压4.4 Mpa，工作面隔水层平均厚度58.9 m，突水系数0.067~0.078 Mpa/m，正常情况下突水系数未达到0.18 Mpa/m，由于承压含水层与开采煤层之间的隔水层能够承受的水头值大于实际水头值，可以带压开采二1煤层，但由于本工作面下部岩溶裂隙发育不均，局部地段仍有强富水地段的可能，特别是由于构造破坏造成煤层底板隔水层减薄的情况下，增大了奥灰水突水的可能性。在这种特殊地质条件下隔水层厚度变薄区或奥灰水严重向上导升区段，奥灰水能够突破该隔水层而对太原组灰岩含水层进行补给或直接向矿井充水，造成突水事故发生 [ 9 ] [ 10 ]。 2、富水性相对较强，溶隙裂隙相对发育 12采区尚未开采前在地面进行第Ⅲ期瞬变电磁勘探，根据报告显示采区存在48处奥灰富水低阻异常区，说明局部地段岩溶裂隙较发育，局部有强富水异常区。 2015年3月12150工作面形成系统后由本矿利用直流电法仪采用直流电法四级测深对采面胶带、轨道进行探测工作，探测结果显示：12150轨道顺槽富水性总体不均匀，存在相对低阻异常区3处；12150胶带顺槽富水性总体不均匀，存在相对低阻异常区3处。 2015年4月本矿委托北京华安奥特科技有限公司在12150工作面胶带抽巷及轨道底抽巷进行工作面瞬变电磁勘探，探查工作面所采二1煤层底板100 m范围内岩层富水性，对奥陶系上段灰岩的富水情况及岩溶裂隙发育情况进行分析析。认为本次瞬变电磁勘探6个低阻异常区，皆位于12150工作面底板下50 m以下范围，分析皆因奥灰岩溶裂隙发育含水而呈现低阻。 3、采深大、应力大 胶带底抽巷围岩变化实测数据：通过对埋藏深度、地应力对巷道围岩变化研究说明矿压显现规律，随着巷道掘进，上覆岩层产生变形挠曲变形直至破坏巷道周围岩体内的应力将重新分布，最后趋于新的平衡稳定。巷道掘进后应力重新分布的低应力区，但从时间上无法避免采动支撑压力重新分布过程中的剧烈作用，巷道需要经受两次采动影响，矿压显现强烈，巷道维护难度大。由于受矿压影响，巷道内可能发生底鼓。据国内外煤矿经验数据统计资料，顶板活动强烈的范围在工作面前方20~40 m和工作面回采后方50~100 m范围内。故在以上两个范围内应加强支护，密切观测矿压显现。以下是义安矿底抽巷开拓、掘进、回采期间巷道地应力、围岩移近量变化情况 [ 11 ]。 根据《煤矿安全规程》规定，对该巷道掘进期间进行资料收集整理，具体分析详见图3、表1。 1) 12150底板岩巷掘进期间，受大埋深、高地应力影响，原岩应力重新分布，该巷道变形量观测点于2013年3月~5月，巷道收敛变形较大，相对移近量最大达到75 mm，3个月之后趋于稳定，到2015年8月，该巷道变形量观测点相对移近量为85 mm。 2) 12150底板岩巷上覆二 1 煤层12150胶带巷掘进期间，受掘进巷道底板动载应力影响，12150底板岩巷收敛变形加剧，于2015年8月~12月，相对移近量最大达到400 mm，5个月之后趋于稳定，到2016年3月，该巷道变形量观测点相对移近量为408 mm [ 12 ]。 3) 12150底板岩巷受工作面回采动压影响，巷道收敛加速变形，于2016年3月~10月，相对移近量最大达到1300 mm，8个月之后趋于稳定，到工作面回采结束，该巷道变形量观测点相对移近量为1308 mm。 图3. 12150工作面巷道移近量变化曲线 Table 1 Data table of 12150 rubber bottom rock lanes affected by excavatio 时间 影响 因素 2013年 2015年 2016年 3月 4月 5月 6月 8月 9月 10月 11月 12月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 12150 胶底岩巷 掘进期间 0 40 75 80 85 12150 胶底巷 掘进期间 85 130 240 325 400 408 12150 工作面 回采期间 408 510 620 850 945 1100 1210 1300 表1. 12150胶底岩巷受采掘影响移近量数据表 5.2. 技术方案与技术特点 5.2.1. 技术方案 1、孔内水量处理 根据前期资料分析，J1-1钻孔周围出水全部或大部来自套管受损的钻孔内。因此，本次处理主要针对原钻孔进行直接治理。 首先利用钻机带破碎钻头淘洗J1-1断口以上浅层浮渣，铣掉或拔出原错断6 m套管，然后下f94 mm铣孔器对套管进行铣削，使错断处下部的套管口暴露后，顺直J1-1钻孔6 m以下钻孔，最后在孔内下止水塞对钻孔涌水进行封堵控水。 水量控制后，形成静水条件，通过Q1-3和Q2-2以及其他钻孔进行注浆加固、封堵和改造工作。 2、孔外水量处理 若钻孔周围出水量大部分来自围岩裂隙或在实施上述方案后不成功时，在巷道钻孔的前后段各施工一道水闸墙，将钻孔出水区封堵在水闸墙内，变动水为静水后对含水层进行注浆、封存堵和改造。水闸墙由具有专业技术资质的部门设计。 3、采用磨鞋处理 用磨鞋把变形套管磨下去，用f89 mm磨鞋磨掉，下入f73 mm套管。难点是磨掉方向不一致。把错断6 m处套管用大钻头套孔取出，起顺孔作用。 4、掏铣钻孔处理 掏铣钻孔方案进行治理，使用钻机下大套管将断管套取出来，清理出断管以上通道，再进行注浆加固工作。 5、开挖处理 采用倒台阶法对套管错断处直接挖开处理。 6、施工绕巷 施工一条绕巷，直接掘至J1-1钻孔断管附近。 7、切断通道 利用倒台阶法对套管错断处直接挖开处理后，在J1-1钻孔附近打孔，施工注浆钻孔，对邻近区域采取“围点打援”方法将补给通道切断，确保后期回采时安全。 5.2.2. 技术特点 1) 通过Q1-3和Q2-2钻孔的注骨料工作应贯穿整个施工过程，特别在扩凿钻孔之前，若能有效减少水量，则能大降低后续施工难度。但注骨料工作影响扩凿钻孔施工时应适当调整时间及工作量。 2) 排水沟施工要保证有效尺寸，施工中经常清挖，保持畅通。 3) 顺孔及下止水塞时，注骨料钻孔应暂停并放水泄压，减少孔口施工难度。 4) 采用倒台阶法直接治理套管错断，时间短，效果好的特点。 5) 顺孔和下止水塞不能停顿，要快速稳妥，一次完成。下止水塞遇阻要尽快起出，重新透孔和下塞。 5.3. 治理过程、技术路线 5.3.1. 治理步骤 1、巷道扩刷，泵坑加固 1) 扩刷前必须对扩刷点处顶部打设2根锚索梁加固(一梁两索)，对右侧原木垛使用耙具固定牢固。 2) 扩刷前必须使用黄泥袋贴预留岩柱向出水处充填1 m堵水。 3) 扩刷前必须对原泵坑四周进行加固，并检查原泵坑四周安装钢型框架、层层锁口(边)及帮部半圆木背设充填情况，确保框架与泵坑四壁填实背牢、钢型框架锁口(边)、卡环紧固情况，防止扩刷期间片帮。 4) 原泵坑加固到位后在泵坑口顺巷道方向穿钢管(钢管间距500 mm，并用卡环固定牢固)，然后使用木板对泵坑口进行覆盖，必须将泵坑口盖严，使用耙具将木板连锁使用多股铁丝将木板与钢管连为一体固定牢固。 5) 泵坑扩刷期间，左帮采用锚网及四周使用钢型框架支护，从上至下每隔800 mm安装钢型框架、层层锁口(边)，框架外采用半圆木背设充填，确保框架与泵坑四壁填实背牢、防止片帮。 2、施工要求 1) 泵坑扩刷后12150胶带底抽巷出水点与泵坑之间留设3 m岩柱，泵坑扩刷后底板必须高出原泵坑底板1m时停止施工(深度4500~5000 mm)。 2) 泵坑扩刷卧底期间必须采用台阶式方法施工，开口处泵坑宽度为2500 mm，卧底深度达到1500 mm泵坑宽度改为2200 mm，深度达到3000 mm时，宽度改为1900 mm；深度达到4500~5000 mm时泵坑宽度不得小于1600 mm。 3) 泵坑扩刷规格：长4 m × 宽2.5 m × 深5 m。 4) 施工过程中在原泵坑内安装2台75 kw潜水泵排水(排水能力400 m³)，在泵坑扩刷处安装备用泵2台，18.5 kw潜水泵1台、7.5 kw潜水泵1台，排水能力200 m³。 3、倒台阶法治理套管错断工作 根据《煤矿安全规程》规定，对该巷道采取扩帮修护设计，具体详见图4~图5。 2015年6月29日，义安矿决定采取直接开挖孔口方案进行治理，但在开挖期间，出现开挖范围内涌水大，排水泵抽到一定深度后积水位基本不下降，分析为钻孔涌水量过大，排水需要缓冲时间和空间，且直接开挖顶水压开挖难度很大，开挖处的岩屑对排水泵的损伤特别大，排水泵损坏快；为了避开直接开挖造成的种种困难，义安矿采用了先开挖泵坑引水，后开挖孔口的方面进行施工，即在J1-1钻孔向上 图4. 倒台阶治理套管错断巷道帮部支护剖面图 11 m位置挖设一个泵坑，深度5.5 m，其规格3.5 * 2.0 * 5.5 m，施工后发现泵坑容积不够，又沿出水方向扩延了4 m长5米深，在泵坑内分别安设两台50 KW、一台75 KW和一台18.5 KW潜水泵(两趟电源)。然后向J1-1钻孔出水方向继续扩挖，挖至3.3 m时露出断管，在断管口向下0.4 m处安装一个法兰盘并焊接固定，并施工两根锚杆焊接拉住法兰盘。 加固结束后在f108 mm套管内下设f73 mm套管87.5 m，利用套管环状间隙注浆固管时，发现孔口往前4.5 m处出现漏浆泡水现象，随后将f73 mm套管全部取出，改用下止水器进行治理。 将止水器下设至35 m时出现钻杆出水，继续下55 m处(细砂岩)，利用地面注浆泵压清水打开止水器，钻孔内无水，达到治水目的。 图5. 12150工作面胶带底抽巷帮部支护剖面图 5.3.2. 钻孔检验 套管错断钻孔处理结束后，在12150工作面底板全覆盖注浆加固工程共布置27个钻场，完成施工钻孔149个，完成钻探进尺17，181 m，共注浆干料量32，839.646 t。钻探验证帷幕注浆期间钻孔有13个钻孔水量较大超过100 m³/h，说明前期J1-1钻孔附近水量均较大，该孔施工到径流带上，孔内水压大，水量补给丰富，因此通过该面底板全覆盖注浆加固从中找出径流带及水流方向，为今后12采区底部注浆加固打下了坚实基础。 5.3.3. 治理效果 通过近七个月的治理，其他方案治理效果均不好，经过多次论证最终选择倒台阶法处理套管错断，此方法难点是：1) 支护问题；2) 出碴问题；3) 排水问题；4) 断管挖出后焊接问题；5) 钻孔内水的治理，通过近一个月倒台阶施工，在确保安全的前提下，通过下止水器(在套管错断口向下55 m)成功将水止住，孔口滴水不漏，达到了预期的效果，为采面正常生产争取了时间。 2019年2月该面安全回采结束，采面目前涌水量35 m³/h，均为砂岩水特征，达到了治水效果。 5.3.4. 对比情况 通过钻孔整个矿井打钻验证情况分析，整个12采区在先前开采8个工作面仅12050工作面在探三维地震DF1断层时，孔内出水160 m³/h，水文31℃，水压5.5 MPa其它无大水钻孔，通过钻孔对比说明本矿奥陶系灰岩承压含水层来水方向是从上至下，呈WN向ES方向径流，对今后防治水工作指明了方向。 5.3.5. 技术路线 1、如图6，利用矿山压力及水文地质学理论与方法，研究奥陶系高承压含水层的富水性、分布的不均一性、水压等特征，研究突水含水层的补给、径流与排泄、含水层水文地质参数及其水化学特征等。 2、研究地应力、埋藏深度、层位选择围岩变化的特征。 3、根据物探、钻探两探的研究，分析套管错断具体位置怎样治理方案。 4、套管错断分析套管质量，下设深度，一、二套管是否重茬，是否不承压及出水水压、水温等方面研究。 5、倒台阶法治理套管错断技术采取井上下治理方法，通过添加骨料、开挖巷道、改造排水系统等措施，成功将套管错断根治，最终通过实践确定治理方案的合理性满足矿井安全回采要求。 图6. 技术路线