封孔器在注漿堵水施工中的應用實例

彭敬琛，杜 斌，蘇雁軍

（1.山東裕隆礦業集團有限公司，山東 曲阜273100；2.山東裕隆礦業集團有限公司單家村煤礦，山東 曲阜273100）

0 引 言

目前我國在防治底板水方面主要采用超前勘探、留設防水煤柱、注漿封堵（含底板注漿改造）、疏水降壓、完善排水系統、動態監測系統等方法[1]，其中，動態監測系統作為一種較為直觀、準確的主動防治方法，在煤礦生產過程中必不可少。礦井打設針對特定含水層的水文觀測鉆孔，其安裝了水文觀測系統后，可以對相應含水層進行實時、動態監測，為礦井安全生產提供技術保障，也為分析突水事故原因和制定封堵方案提供資料支持。

使用中的水文觀測孔發生輕微錯動導致鉆孔附近出現涌水的情況較為少見，其封堵過程也同樣少見，且多數情況下，煤礦均會采用大流量、高配比、濃漿液方法直接對出水鉆孔進行封堵，這種方法施工過程十分復雜、效果較差。因此，投入小、見效快、效果好的施工方式一直是煤礦注漿堵水施工中的重要研究方向。

本文采用工程實例解析方法詳細介紹了單家村煤礦應用封孔器成功封堵鉆孔涌水的施工原理和過程，證明了封孔器可以良好的運用在礦井乃至其他鉆孔的分段注漿堵水工程中。

1 鉆孔涌水概況

單家村煤礦八采區為相對封閉的獨立水文地質單元[2]，為完善水文地質資料，礦于2018 年12 月至2019 年1 月外委施工方在-450 水平八采軌道大巷打設了一個孔號為“0-1”的奧灰觀測孔（以下簡稱鉆孔），并安裝了水文觀測系統，實現了對采區奧灰水的實時、動態監測，為采掘活動的安全提供了技術支持。

鉆孔開孔層位為五灰上部，終孔層位為進入奧灰68.46m，完成鉆探工程量152.44m，在五灰與十灰之間發現明顯斷層跡象，經綜合地層資料分析，缺失厚度約60m。施工結束后，礦對奧灰含水層進行了放水試驗，鉆孔涌水量為44.0m3/h，靜止水壓4.2MPa，水位標高-30.0m，單位涌水量為0.031 4L/m.s。

2020 年4 月30 日，礦相關專業技術人員發現該孔壓力值變小，由初始的4.32MPa，逐漸降至0MPa，且鉆孔周邊3m 范圍內多處涌水并伴有底鼓現象，涌水量預計30m3/h，推測為套管受腐蝕穿孔或斷裂，奧灰水沿巖層裂隙涌出。

2 涌水原因分析及封堵方案

鉆孔內巖性分析：鉆孔開孔至奧灰頂部，在五灰與十灰之間發現明顯斷層跡象，五灰與十灰底深分別為15.20m 和42.21m，層間距僅27.01m，綜合地層資料分析，缺失厚度約60m，具體情況見圖1；結合以往經驗，最可能的原因為隔水套管在斷層附近受斷層擠壓錯動，奧灰水通過鉆孔斷口，沿斷層導水通道涌出。

圖1 鉆孔柱狀及結構圖

探測方案：根據上述分析，應先對套管完整情況進行探測，方法為：下入鉆具，如鉆具正常下入至孔深83.98m 處，則套管未錯動或輕微錯動，僅為輕微裂縫；如鉆具下放過程中受阻，則套管斷裂并出現錯動。根據采用不同孔徑（Φ89 或Φ75）的鉆具可以判斷套管錯動的程度。

探測過程：2020 年5 月4 日，礦外委施工方下放鉆具，探查孔內情況。施工方分別將Φ89、Φ75及Φ65 三種規格的鉆具下入孔內，其中Φ89 的鉆具下至孔深2.5m 處受阻，Φ75 的鉆具下至孔深19m 處受阻，Φ65 的鉆具下至奧灰上部，無受阻。從施工現場來看，Φ89 的鉆具受阻應為底鼓變形影響，Φ75 的鉆具受阻應為鉆孔套管斷裂錯動影響，推斷套管斷裂位置為孔深19m 處，并且根據Φ65的鉆具未受阻下入情況分析，套管錯動幅度不大。

根據以上分析，最終確定套管在孔深19m 處發生輕微錯動，形成斷裂，且斷裂處能下入Φ65 鉆具。

3 封堵方案

3.1 總體方案

鉆孔奧灰段孔徑為Φ75，可加工制作一個外徑Φ65 封孔器，下入至奧灰頂部，，通過封孔器漲起形成環狀隔離帶，然后通過鉆桿向奧灰含水層注漿，封閉奧灰含水層，示意見圖2。

圖2 封孔器封堵示意圖

3.2 封孔器介紹

本次堵水采用FKSZ38/25 煤層注水用水壓式封孔器（以下簡稱封孔器）。封孔器原用于向煤層定量高壓注水，使煤層組織變的疏松，利于開采和增加煤層組織含水率，達到降塵和提高煤質的目的[3]，經井上實際操作實驗證明，也可用于鉆孔內分段注漿堵水。

封孔器由導入體、順序閥、膨脹體、連接體、高壓注水管、高壓球閥、壓力表、高壓流量計組成。導入體、順序閥、橡膠管、連接體統稱膨脹體（見圖3）[3]。

封孔器分段注漿堵水原理為：運用dzy1200s 鉆機，將Φ65 的封孔器下入到Φ75 的套管內，如圖2；注漿使封孔器脹起，逐漸膨脹至擠壓套管管壁程度，膨脹體牢固地鎖于孔內，形成封閉效果；繼續注漿使腔內壓力持續升高，當壓力大于順序閥調定值、注漿泵起壓后（本次封堵為6MPa），使順序閥開啟，通過噴頭將封孔器中的水泥漿壓出，向鉆孔內注漿。注水作業完成后，切斷水源，膨脹體膨脹失壓，直徑縮小，便可將其從煤層孔中抽出，以備再用[3]。封孔器安裝示意圖見圖4。

圖3 封孔器結構圖

圖4 封孔器安裝示意圖

3.3 設備選用

SGB9-12 煤礦用泥漿泵1 臺、攪拌機1 臺、ZDY1200s 全液壓坑道鉆機。

3.4 注漿方案

1）漿液材料首選單液水泥漿，水泥采用型號不低于P.O42.5，當注漿量大于預計量的1.2 倍時，可加入適量的速凝劑（如氯化鈣、水玻璃等），也可加入裂隙填充物（如鋸末、海帶等）。

2）漿液配比注漿漿液采用水灰比為1∶1 和1.25∶1 兩種級配，施工時根據現場實際情況酌情調整濃度，選按3∶1～2∶1 水泥稀漿試注。使用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥（密實比重3.0t/m3），注漿使用原則是：先稀后濃。漿液配制見表1：

表1 水泥漿配置表

3）注漿方法及流程采用壓力注漿法：SGB-12型注漿泵連接注漿管、注漿法蘭向孔內壓漿；注漿流程為：儲漿池--單液水泥漿--注漿泵--輸漿管--控制閥--注漿管--巖石裂隙。

4）注漿壓力注漿壓力不大于靜水壓力的1.2倍，奧灰水壓預測約4.5MPa，即6MPa；注漿終壓取靜止水壓的1.5 倍，即7MPa。

5）注漿結束標準實際漿液注入量大于或接近設計的注入量，注漿壓力呈規律性增加并達到設計終壓，達到終壓時鉆孔基本不吸漿或吸漿量不大于20L/min，維持終壓終量15min 即可結束該孔注漿。注漿時漿液不得溢出巷道。

6）注漿施工要求注漿前，應對注漿泵、輸送管路系統、孔口管系統進行檢查并作耐壓試驗，且形成泄壓裝置，達到設計要求后方可注漿施工；注漿期間要注意觀察注漿管附近是否有跑漿及圍巖松動情況，發現問題立即停止注漿，及時采取措施；注漿壓力不得超過終壓；注漿期間，因非注漿泵故障需停止注漿的，注漿時間較較短的，可考慮放出孔漿液；注漿時間較長，仍吸漿的，應連續壓水，沖洗孔道及管道。如確實不能繼續注漿的，可考慮放出孔內漿液，疏放水，保持通道暢通等。

4 注漿過程及結果

前期礦對奧灰孔進行了數次直接注漿封堵，均未有效果，孔口周邊裂隙始終有水涌出，注漿時伴有水泥漿返出。

2020 年5 月16 日，礦外委施工隊開始采用Φ65 的封孔器進行封閉堵水。使用dzy1200s 鉆機將長1.5m、Φ65 的封孔器下至奧灰界面以下，注漿使封孔器脹起，然后從封孔器內注漿，注漿壓力達到6MPa。注漿泵起壓后，從封孔器內壓入清水，將封孔器中的水泥漿壓出，以保護封孔器注漿通道。注漿后，鉆孔周邊有少量出水，出水量約0.1m3/h。因鉆孔周邊出水，無法為水泥凝固提供穩定的條件，封堵未成功。

2020 年5 月18 日，因奧灰裸孔段長期受水侵蝕，孔壁裂隙發育，無法使用封孔器封堵，遂將封堵段改為套管錯動口以下。使用dzy1200s 鉆機將長1.5m、Φ65 的封孔器下至孔深25m 處，注漿使封孔器脹起，然后從封孔器內注漿，注漿不起壓，鉆孔周邊有大量水返出，并混有水泥漿液，Φ65 的封孔器無法封堵Φ108 套管，封堵未成功。

2020 年5 月21 日，再次換用Φ75 的封孔器進行封閉堵水。使用dzy1200s 鉆機將長1.5m、Φ75 的封孔器下至孔深21m 處，注漿使封孔器脹起，然后從封孔器內注漿，注漿起壓后，鉆孔周邊有少量涌水，并混有水泥漿液,封堵未成功。

2020 年5 月29 日，換用加長的Φ75 的封孔器進行封閉堵水，封孔器長2.6m。首先用Φ75 的鉆頭下入孔內，上下掃孔，然后下入加長的Φ75 的封孔器，下至孔深23m 處，注漿使封孔器脹起，然后從封孔器內注漿，注漿起壓6MPa，孔外無返水，封孔器封堵成功。為避免該孔因受采動、斷層活動影響，持續注漿，封閉奧灰含水層和鉆孔。持續注漿至注漿壓力達11MPa，累計注漿量1t，注漿停止，侯凝，底板涌水治理成功。

2020 年6 月2 日，經現場驗收，底板涌水成功封堵。

5 結 語

在煤礦生產過程中，水文觀測孔必不可少，其安裝了水文觀測系統后，可以針對相應含水層進行實時、動態監測，為礦井安全生產提供技術保障，也為分析突水事故原因和制定封堵方案提供資料支持。水文觀測孔受采動影響發生管壁錯動、斷裂，進而導致含水層涌水的情況在煤礦中較為少見，其封堵過程也同樣少見。本文通過單家村煤礦井下奧灰觀測孔涌水封堵實例，詳細介紹了其應用封孔器成功封堵鉆孔涌水的施工原理和過程，證明了封孔器可以良好的運用在礦井乃至其他鉆孔的分段注漿堵水工程中，這種投入小、見效快、效果好的封堵器材值得推廣應用。

雖然本文肯定封孔器的效果，但通過單家村煤礦注漿堵水過程也可以看出，應用封孔器成功注漿堵水也不是一蹴而就的，需要結合水壓、套管直徑和漿液配比等現場實際隨時調整，否則也會出現多次封堵失敗、不斷調整封孔器直徑、長度等參數的情況，但往往這種情況在實際操作中是不可避免的，也是非常必要的。

本次注漿工程為單家村煤礦首次利用封孔器進行注漿堵水，并取得了良好效果，為同類受水害威脅礦井提供了重要借鑒。