高承壓水文鉆孔突水事故快速處理技術及應用

王 鵬

（永煤集團股份有限公司順和煤礦，河南 永城 476600）

井下水文地質鉆孔的結構一般為止水套管護壁，高壓閘閥控制出水的結構。該結構施工操作簡單，成孔率高，能夠有效地保證鉆孔施工安全，便于收集含水層水文地質信息，因而被廣泛使用。然而在鉆孔的使用過程中，由于鉆孔施工質量管控不到位、地壓等多種因素影響易造成鉆孔突水事故。如何快速、安全、經濟地處理高承壓水文鉆孔突水事故是有效避免事故進一步擴大為水災的關鍵。

1 概況

1.1 工程概況

順和煤礦是永城煤電（集團）有限責任公司在永城本部開發建設的第五對礦井，設計生產能力0.6Mt/a。礦井主采煤層為二疊系山西組二2 煤，水文地質類型為中等。二2 煤層開采期間直接充水水源為山西組碎屑巖類含水層中的煤層頂底板砂巖裂隙含水層，水交替條件極差，為弱含水層，主要以消耗靜儲量為主，補給源不足，易于疏干。間接充水含水層為石炭系太原組灰巖巖溶裂隙含水層，含水層組主要含水層為灰巖，次為砂巖，其間夾有泥巖和砂質泥巖。灰巖有11 層，厚度變化大，灰巖單層厚度0.50 ～21.54m，各層灰巖總平均厚度51.47m，局部層位缺失，富水性一般，屬巖溶裂隙承壓中等含水層。

為緩解礦井供水水壓、水量不足的局面，同時查明太原組灰巖與二2 煤層間距，收集太原組灰巖相關水文地質信息，礦井在-702m 水平西翼膠帶運輸大巷Ⅱ段施工水文地質鉆孔1 個，即XGS1 孔。

1.2 鉆孔結構及施工工藝

鉆孔設計開孔層位位于二2 煤層，設計傾角-70°，鉆孔采用三級套管結構。開孔采用Φ155mm 鉆頭，一級管Φ146mm，長度20m；二級管Φ127mm，長度30m；三級管Φ108mm，長度40m。鉆孔終孔直徑為Φ92mm，鉆孔施工結構及地質剖面圖如圖1 所示。XGS1 孔于2018 年8 月份施工完成，鉆孔終孔孔深199m，于孔深195m 處出水65m3/h，實測水壓5.0MPa，水溫41℃，鉆孔水量穩定。

1.3 鉆孔突水事故情況

鉆孔使用過程中，2019 年6 月發現鉆孔施工地點巷道幫部多處裂隙內出現滲水現象，水色清澈，水溫41℃，水量呈逐步增大趨勢，8h 后巷道幫部裂隙出水量增大至5m3/h。16h 后鄰近巷道幫部和底板新增2 處出水點，共計出水量約10m3/h。發現上述異常水文地質情況后，為防止事故進一步擴大，將鉆孔全部打開進行疏水泄壓。鉆孔打開后出水點處水量明顯減小，由此判斷，XGS1 孔發生孔內事故造成突水。

1.4 鉆孔突水事故原因分析

XGS1 孔鉆場處于-702m 水平膠帶運輸大巷Ⅰ段與Ⅱ段交岔口處，巷道為大斷面施工，巷寬5.0m，高4.0m，施工層位為二2 煤頂板。巷道四鄰施工有采區避難硐室及西翼軌道大巷Ⅱ段，巷道密集，埋深較深，應力較為集中。巷道布置層位距離煤層較近，圍巖工程力學性質差，且受集中的地應力影響，壓力顯現明顯。在鉆孔施工前該處巷道即出現漿皮開裂、脫落和底鼓變形現象。鉆孔施工結束后受巷道持續壓力顯現影響，鉆孔附近底板巖石裂隙活化，鉆孔水沿裂隙導升涌出，造成突水事故。

2 治理方案的制定

高承壓水文鉆孔涌水失控是造成突水事故的主要原因，涌水失控止水套管的作用失效，對事故鉆孔既不能關閉孔口閘門控制水，又不能直接注漿封堵突水裂隙及突水點。因此想要快速地對突水鉆孔處理，往往從修理加固巷道，然后考慮鉆孔附近底板進行淺層加固等保守的方案進行處理，處理時間長，不利于事故的快速消除，甚至時間耽擱造成事故的擴大。基于上述情況，在此采用了疏水讓壓下設次一級止水套管注漿封孔的辦法快速進行處理。

（1）讓壓疏水下次一級止水套管：采用頂水的方式下設次一級止水套管。該操作可行的關鍵在于保證鉆孔涌水暢通，高壓水流處于敞開疏水放壓的狀態，水流對套管的阻滯力小，保證套管順利下放至預想位置。次一級套管長度應超過上一級套管長度，且超過造成突水的裂隙點位置。原則上超過長度以不低于20m 為宜。

（2）讓壓疏水注漿加固次一級止水套管：注漿加固套管是處理事故的關鍵，采用讓壓的方式進行注漿，從次一級套管的外壁注漿，在讓壓的前提下漿液沿著套管之間的間隙向下滲透后，逐漸代替管壁間充填的水。鉆孔內的高承壓水流從次一級套管中疏水，保證了漿液沿裂隙擴散，一方面將套管外壁進行充填加固，另一方面將突水裂隙進行隔離。

（3）止水套管加固質量檢驗：注漿凝固后，采用注漿設備對止水套管做耐壓強度試驗，檢驗套管的加固質量，以及鉆孔周圍突水裂隙的隔離封堵情況。

（4）高壓注漿封堵鉆孔，完成鉆孔突水事故的處理。

3 治理方案的實施

3.1 疏水讓壓下止水套管

根據XGS1 孔鉆孔的結構，本次對鉆孔事故處理采用了Φ73mm 的無縫管作為次一級套管。鉆孔通過疏水讓壓下管，下入Φ73mm 套管長度88m，超過鉆孔三級套管Φ108mm 套管長度44m。套管下入后觀察鉆孔周圍突水點水頭及水量有明顯降低，由此判斷次一級套管下設長度已超過造成突水事故的裂隙發育點位置，套管下設長度合理，效果良好。

3.2 讓壓疏水注漿加固次一級止水套管

注漿加固套管采用4 寸雙法蘭盤注漿裝置，裝置安裝結構為Φ108mm 套管、Φ73mm 套管同心安裝法蘭盤，Φ108mm 套管法蘭盤上帶有注漿偏嘴。注漿裝置安裝完畢后，鉆孔涌水自Φ73mm 套管內涌出，對鉆孔疏水泄壓。注漿時始終保持Φ73mm套管內涌水泄壓正常。注漿采用雙液固管技術，即“水泥漿+水玻璃”的雙液漿注漿。該材料具有微膨脹性、速凝性，有效地克服了單液埋管結石率低、終凝時間長的缺點，大大節約了加固套管凝固時間。注漿時雙液水泥漿自注漿接頭進入Φ108mm 套管、Φ73mm 套管管壁之間，漿液混合后逐步將管壁之間的水替代，最終充填為雙液水泥漿。由于鉆孔處于敞開疏水泄壓狀態，漿液擴散至Φ73mm 套管末端后在涌水的作用下自Φ73mm 套管內隨水流返出。此時可以證明雙液漿已將Φ108mm 套管、Φ73mm套管管壁之間的水置換為雙液水泥漿。漿液凝固膨脹后形成強度，將次一級套管凝固。XGS1 孔注漿加固Φ73mm 套管采用P.O425 普通硅酸鹽水泥，水灰重量比W ∶C=1:1 ～1:1.2；水玻璃（38 ～40Be′）與水泥漿液體積比為S:C=0.3:1 ～0.5:1，共計使用水泥0.85t，水玻璃30kg,注漿過程中雙液漿自孔內順利返出，注漿終壓12MPa。注漿期間隨著漿液的運移擴散，巷道幫部裂隙出水量減小，注漿結束時，裂隙跑水已全部被有效封堵。套管注漿加固示意圖如圖1 所示。

圖1 注漿加固套管示意圖

3.3 止水套管加固質量檢驗

Φ73mm 套管注漿加固完成后，雙液漿的速凝性使得加固套管的凝固時間縮短了24h，注漿結束后將鉆孔進行24h 的凝固后即可對鉆孔進行耐壓試驗。試驗采用2ZBQ-3/21 礦用風動注漿泵清水試壓，根據鉆孔水壓為5MPa、注漿終壓為12MPa，將試壓標準定為12MPa，穩壓30min，有效證明了Φ73mm 套管成功有效地進行了加固，將突水裂隙成功隔離（注漿同時進行了充填封堵）。

3.4 高壓注漿封堵鉆孔

在對止水套管進行耐壓試驗質量檢驗后，礦井采用地面注漿站對鉆孔進行了注漿封堵。地面注漿采用BWD-350/10-45 型注漿泵進行注漿，注漿同樣采用P.O425 普通硅酸鹽水泥，漿液濃度為1.28 ～1.32t/m3，注漿終壓為10MPa，鉆孔注漿共計15t，有效地將鉆孔進行了封堵。封堵后鉆孔周圍出水裂隙均得到了封堵，無跑水現象，成功處理了事故。

4 結論

（1）采用疏水讓壓注漿，明確漿液的運移路線，充分明確施工的關鍵點，確保了套管加固質量及突水裂隙有效隔離封堵。根據事故特點制定了詳細的處理方案，安全、快速完成鉆孔封堵，成功處理鉆孔突水事故，保障了礦井安全生產。

（2）通過分析高承壓水鉆孔突水的特點，提出疏水讓壓的人工下套管方法，避免了上設備、上工程的繁瑣及人力、物力的大量投入。鉆孔事故處理及時，針對性強，與以往的技術路線相比較，工期及成本投入大大降低。

（3）疏水讓壓下止水套管的快速處理技術具有諸多優點，在煤礦底板注漿改造鉆孔、供水孔施工具有較好的參考和推廣應用價值。

（4）疏水讓壓下止水套管處理事故鉆孔是一種保守、快速有效的手段，在確保質量可靠的前提下，鉆孔套管下設成功保證了鉆孔結構完好，使鉆孔可以繼續使用，起到了修復鉆孔、延長使用壽命的作用。