“三級套管”鉆孔技術在奧灰孔中的應用

韓 劍

(潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 047100)

1 概況

高河能源作為潞安集團公司的全礦帶壓開采礦井，在3#煤開采時，在正常地段奧灰突水系數為0.0195～0.0283MPa/m（見表1），小于《煤礦防治水規定》突水臨界值0.06MPa/m，一般情況下不會突水，但井田內存在巖溶陷落柱和較多斷層，在這些薄弱地帶，奧灰水仍有可能突入礦井。

表1 奧灰資料及突水系數計算一覽表

為探查高河能源有限公司井下奧陶系峰峰組灰巖的富水性，觀測奧灰水的水位，為礦井防治水工作提供依據，在井下施工能觀測奧灰水位觀測孔2個。

2 奧灰水觀測鉆孔鉆探施工機理

（1）奧陶紀灰巖是地質史上海侵蝕最廣泛的時期之一，含水量非常豐富。奧灰水鉆孔施工的難度，在于它的壓力特別大，不能簡單地像其他含水層一樣下一級套管，這樣無法保證套管的強度。

（2）根據奧灰水的特點，在施工奧灰水水位觀測孔時采用“三級套管”技術，既保證了施工的安全，也為以后可能導通奧灰水的巖溶陷落柱和大的斷層鉆孔探測提供了施工技術。“三級套管”具有顯著優點：①鉆孔施工過程中“三級套管”逐級套入，可以防止3#煤層至奧灰中部的K7、K5、K2、太灰等含水層突水，防止事故的發生。②可以隔斷3#煤層下的各含水層，對觀測數據不會造成影響。③奧灰水觀測孔在運行過程中，如果有其中一級套管失效，還有二級套管，能承受足夠的壓力，為及時更換套管提供可能性。

3 奧灰水文觀測孔“三級套管”施工

以1#孔為例介紹奧灰水觀測孔的施工技術。

3.1 鉆孔位置

根據瞬變電磁勘探資料，1#水文觀測孔布置在+450m水平東翼進風大巷內（+450m水平東翼進風大巷與E1302膠帶順槽交口處，孔口坐標：X=38410201；Y=4002632；Z=+493.202m）。打鉆地點位于+450m水平東翼進風大巷與E1302膠帶順槽交口處，該范圍內無地質異常區域，無地質構造，鉆孔開口處位于全煤巷道內，巷道位于3#煤層，巷道底部有大于2m厚的煤層，鉆探過程中將穿過3#煤及15#煤層。

3.2 鉆孔參數

該鉆孔布置在+450m水平東翼進風大巷內，設計孔深450m，終孔層位為進入奧陶系灰巖320m，本孔為井下施工，既做奧灰放水孔，又作奧灰水位長觀孔（見表2）。

表2 +450m水平東翼進風大巷奧灰水文觀測1#鉆孔設計參數表

3.3 施工設備

施工主要設備有ZDY4000S型全液壓坑道鉆機一臺、SGB9-12型注漿泵一臺、Ф73鉆桿500根、Ф146套管20m、Ф127套管85m、Ф108套管130m、Ф159無芯鉆頭、Ф133無芯鉆頭、Ф113無芯鉆頭、Ф94無芯鉆頭等鉆具。

3.4 施工工藝

（1）鉆進時給壓均勻，速度壓力根據巖性合理選定，鉆頭優選金剛石復合片鉆頭、孕鑲鉆頭等，每種規格要有3～5個鉆頭相互交替使用至任務完成，每次更換鉆頭前禁止出現錐形鉆孔段，換徑必須有導向，回鉆進尺長度根據巖性情況而定。

（2）未見含水層前安裝好套管及孔口防噴裝置，嚴防遇大水時造成不必要的影響。

（3）止水器必須安裝在巖性完整、隔水性能良好的巖層中。

（4）下套管要嚴格把關，杜絕連接頭公差配合有誤。

（5）連接頭必須綜合使用麻絲、水繩等，防止O2灰巖水與K2、K5灰巖水相串。

（6）開孔Ф159mm鉆進12m，徹底清取孔底巖芯、巖粉后下入Ф146mm一級套管12m至孔底，套管下端攜帶快速固管化學原料或止水器，管壁后灌入的水泥漿中摻入3～5‰水泥快速結合添加劑完成固管工序，然后孔口安裝測壓系統（分水閥、壓力表、四通、注水測壓閥、孔口法蘭盤等），孔口壓力水水壓不小于6MPa，穩壓時間超過30min，試驗合格后方可繼續鉆進。

（7）換徑Ф133mm向下鉆進至K2灰巖頂部，徹底清取孔底巖芯、巖粉方可下入二級Ф127mm套管75m，套管下端安設管式專用止水器入底，調整止水器達到預定止水要求。壁后灌注水泥漿至孔口，安裝好孔口測壓裝置，做耐壓試驗，孔口壓力水水壓不小于6MPa，穩壓時間超過30min，試驗合格后方可繼續鉆進。

（8）換徑Ф113mm向下鉆進至奧陶系峰峰組穩定灰巖頂面以下5m，徹底清取孔底巖芯、巖粉方可下入三級Ф108mm套管120m，套管下端安設管式專用止水器入底，調整止水器到孔底以上30m處達到止水要求。從孔向上灌注水泥漿至止水器，安裝好孔口測壓裝置，做耐壓試驗，孔口壓力水水壓不小于6MPa，穩壓時間超過30min，試驗合格后方可繼續鉆進。

（9）換徑Ф94mm向下鉆進至450m終孔。施工中做好簡易水文觀測，觀測水量、水溫、水壓。

（10）封孔所用水泥漿的配比為1：1，水泥添加劑的比例為10：1。

4 結語

在奧灰水文觀測1#鉆孔施工中，最難的是下的套管能保證滿足奧灰水的巨大壓力。“三級套管”承載能力強，既能滿足施工的壓力要求，又能保證長期作業要求。高河能源首次采用的“三級套管”，取得了良好效果，從鉆孔施工完畢到現在的兩年時間里，沒有出現壓力太大，導致鉆孔漏水問題。