霄雲煤礦井下突水定向井鉆孔堵水施工技術及注漿方法

鐘明

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266404)

0 引言

2018年9月10日22時10分，霄雲煤礦1313工作面機尾規順頂幫出現輕微滲水，涌水量逐漸增大，至11日14時30分通過巷道容積法測算涌水量900m3/h；9月13日組織省內和國內煤礦防治水專家對突水原因進行分析，通過對水質、奧灰長觀孔水位、水溫等3個方面的特征和水位下降變化分析，確定突水來源為奧灰水,奧灰水通過隱伏性未探知地質構造導出。

1 概況

1.1 1313工作面地層發育情況

根據1313工作面附近79-4鉆孔揭露的地層自上而下分別為：石炭紀中統本溪組，揭露厚度7.42m，上統太原組，揭露厚度168m；二疊紀下統山西組，揭露厚度85.6m；石盒子組，揭露厚度136.4m；新近系及第四系，揭露厚度483m[1]。

1.2 工作面周圍斷層情況

1313工作面周圍共發育7條斷層，斷層名稱分別為：DF61、XF6、XF7、XF8、XF11、XF12、XF14，各斷層產狀及落差描述見表1。

表1 工作面周圍斷層構造一覽表

1.3 工作面內斷層情況

1313膠帶順槽掘進期間共揭露4條斷層13-2、13-3、13-9、07-7；1313軌道順槽掘進期間共揭露6條斷層13-1、13-4、13-5、13-6、13-7、13-8，各斷層產狀及落差描述見表2。

表2 工作面內斷層構造一覽表

2 堵水鉆孔施工設計

2.1 堵水鉆孔布設及其目的

對礦井出水原因進行了分析，依據堵水的目的、任務及對突水的特征分析，制定如下堵水鉆孔布設方案。

直接對工作面突水點進行蓋帽封堵，對突水通道進行注漿封堵。本次設計鉆孔4個，2個蓋帽孔，2個突水通道注漿孔。

2個蓋帽鉆孔XY-3、XY-4：鉆孔鉆穿突水點附近上方的采空區頂板，通過向突水點附近的采空區注入石子、砂子、水泥等封堵出水點，起到封蓋出水點的作用。

2個突水通道注漿孔XY-1、XY-2的施工目的是鉆尋出水通道，發現鉆井液漏失量大于5m3/h時，加密觀察鉆井液的漏失量，當鉆井液的漏失量大于10m3/h時，停止鉆進進行注漿。XY-1孔的靶點位置位于出水點以下垂直距離25m處，終孔位置為三灰底板垂直向下50m。XY-2孔的目標層位為出水點垂直向下的三灰層位，終孔位置為三灰底板垂直向下50m。

2.2 鉆孔結構與深度

通道注漿孔XY-1、XY-2結構詳情見表3鉆孔結構設計數據，蓋帽孔XY-3、XY-4結構詳見表4, 通道注漿孔井身結構詳見圖1。

表3 鉆孔結構設計數據

表4 蓋帽孔XY-3、XY-4

圖1 通道注漿孔井身結構示意圖

3 設備及鉆具選擇

3.1 設備選擇

鉆塔：A27-90；鉆機：TSJ2600/445；泥漿泵：3NB350;動力機：350kW電動機；定向隨鉆測斜儀：SQMWD-Y。

3.2 鉆具選擇

Φ127mm鉆桿、Φ177.8mm鉆鋌、Φ203mm鉆鋌、Φ177.8mm無磁鉆鋌、7LZ165D單彎螺桿鉆具(1.25°～1.75°)。

4 定向孔施工

4.1 設備安裝

鉆場地基要平坦穩固，鉆塔四角及孔口要夯實并鋪設鋼板(厚度≥25mm，長×寬≥1m×1m)，并用水平尺找平在同一水平面上，然后在安裝鉆塔，以防雨水及泥漿侵蝕鉆塔地基，造成鉆塔歪斜，影響施工及鉆孔孔身質量。

設備安裝要周正、穩固、水平；鉆塔天輪中心、立軸中心、孔口中心在同一鉛錘線上[2]。

4.2 鉆進參數

鉆進參數詳見表5，定向滑動鉆進參數見表6，定向復合鉆進參數見表7，泥漿配比見表8，泥漿性能見表9。

表5 鉆進參數表

表6 定向滑動鉆進參數表

表7 定向復合鉆進參數

表8 泥漿配比表

表9 泥漿性能參數表

該區新近系、第四系松散地層厚度480余米，預防鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，保障鉆孔順利施工，以及防止泥漿中的固相含量過高磨損或卡死定向螺桿鉆具的定子及轉子，控制泥漿中固相含量及失水量是關鍵，為控制泥漿的固相含量以及井壁泥皮厚度，使用水解度30%聚丙烯酰胺化學除沙結合泥漿循環系統采用長槽大池自然重力沉降除沙，再采用除沙器與離心機機械除沙，確保鉆孔施工每個環節順利進行[3]。

4.3 鉆進施工

(1)直孔段施工方法。直孔段施工要做到高精度垂直，為下一步定向孔施工打下良好的基礎，以利于下一步定向孔施工。在鉆具組合采用“剛、長、直”的原則[4]，孔內粗徑鉆具即鉆鋌沒有加足之前不能向孔內加入鉆桿，嚴禁向孔內加入彎曲鉆具，防止鉆具在孔內旋轉時，鉆具即發生自轉又發生公轉導致鉆孔偏斜，其鉆具組合為：Φ244.5mm鉆頭+Φ203mm鉆鋌2立根+Φ177.8mm鉆鋌4立根+Φ127mm鉆桿+主動鉆桿。

直孔段施工地層為第四紀、新近紀松軟地層，防止鉆孔偏斜，鉆進參數應采取鉆壓小、轉速高、泵量大的原則，鉆進過程中發現鉆井進尺明顯減慢，應立即提鉆檢查鉆具，防止鉆具中途跑水，泥漿不能有效到達孔底冷卻鉆頭排除巖屑，造成燒鉆埋鉆或者泥包鉆頭堵塞部分鉆頭水眼泥漿偏射導致孔斜。

(2)定向孔施工方法。定向孔定向起始垂深280m,終孔垂深700m,水平偏距110m,造斜率(6°～8°)/30m,由于起始造斜點位于第四紀、新近紀松軟地層，造斜點作用力作用在井壁上，井壁松軟支撐不住造斜工具，而影響造斜成功率，只有加大造斜工具的彎曲度，才能在松軟的地層進行有效偏斜。一般情況下在松軟地層選用1.25°～1.75°彎曲度的螺桿，以利于松軟地層造斜。其鉆具組合為Φ244.5mm鉆頭+Φ165mm螺桿鉆具+Φ177.8mm無磁鉆鋌+Φ127mm鉆桿+Φ177,8鉆鋌+主動鉆桿。

(3)斷層破碎帶等復雜地層施工方法。礦井涌水說明該處地層構造復雜，具有斷層破碎帶，施工定向孔斷層破碎帶容易導致鉆孔漏失，導致鉆孔液柱下降，液柱壓力降低不能有效平衡地層壓力，從而導致鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，造成定向孔施工中卡鉆、事故發生。

針對破碎帶鉆孔漏失等復雜地層施工，鉆具組合盡量少使用或不使用鉆鋌等粗徑鉆具，預防鉆孔漏失導致孔壁不穩固造成坍塌掉塊卡埋鉆具事故發生，應立即提鉆，對漏失層位采用水泥漿進行注漿封堵破碎裂隙漏失通道加固井壁，用水泥漿封固不低于24h沖掃鉆正常鉆進，如鉆孔再漏失，重復上述步驟，直至終孔層位注漿堵水工作完成。

(4)采空區頂底板冒落帶地鼓帶施工方法。所施工的2個蓋帽孔穿過頂板采空冒落區，2個注漿堵水孔穿過頂板采空冒落區及底板地鼓突起區，頂板及底板巖石受重力地應力影響擠壓破碎。在鉆孔施工中破碎的巖石形成水力聯系的通道導致鉆孔鉆井液漏失；破碎的巖石極易坍塌、掉塊，造成卡鉆埋鉆事故發生。針對上述情況，及時采取水泥漿液注漿，一是水泥漿液堵塞漏失通道；二是水泥漿液加固破碎的頂底板；三是恢復地層壓力，以利于鉆孔后續施工。

(5)正在注漿孔鉆孔同正在施工鉆孔竄漿問題的解決。由于2個蓋帽孔、2個注漿孔同時向同一水力聯系構造施工，注漿鉆孔注漿會影響施工到同一層位的鉆孔施工，注漿液擊穿地層進入另一施工鉆孔，并從該施工鉆孔涌出注漿液，而導致鉆孔壓力失衡，造成鉆孔坍塌、掉塊，導致施工鉆孔卡鉆、埋鉆事故發生。針對上述情況，一是同一水力聯系單位的鉆孔同步施工；二是鉆孔出現串漿后，要輕壓、慢轉，將井壁掉塊坍落物擠碎被循環漿液攜帶到井口或落入井底，并適時將從孔內鉆具提出，防止掉塊卡鉆的發生；三是一個鉆孔注漿另外鉆孔在井口帶上套管帽子憋壓防止串漿，待鉆孔停止注漿后其他鉆孔再進行后續施工。

5 鉆孔注漿工程設計

5.1 注漿順序

采用下行方式注漿，逢漏(漏失量大于10m3/h)注漿封堵。根據鉆探揭示的實際地質及水文地質條件，對鉆孔的裸孔段，采取下行、大小間歇、復掃、復注的方式，達到注漿終止條件為止，凝固24 h后，繼續鉆進，遇漏重復注漿，直至設計終孔深度為止。

在靜水條件下采用單液水泥漿為主[5]，必要時可添加速凝材料(水玻璃)或細骨料。對單位吸水量大于16～20L/min者，可試注骨料(粒徑由小到大，一律從中粗砂、米石開始探索灌注)[6]。

5.2 注漿材料與配比

通道孔采用水泥單液漿，水灰比根據實際漏失量選擇由2∶1～0.7∶1。

應先稀后稠，從水灰比2∶1開始，根據漏失量及注漿泵起壓情況，可逐漸加稠，先期水泥漿比重不宜大于1.36g/mL(水灰比不宜小于1.5∶1)，注漿泵起壓不宜大于1MPa，以無壓注漿為宜[7]。

單液水泥漿水灰質量比范圍0.5∶1～2∶1，對應漿液比重1.65～1.29，單液水泥漿比重可參考表10。

表10 水泥漿比重對比表

5.3 注漿壓力設計

根據施工各類地質鉆孔的經驗，有時泥漿黏度高、密度大，鉆孔液柱壓力增大，而將鉆孔壓漏；有時開泵時不活動鉆具攪動拆散泥漿結構導致泵壓升高，而將地層擊穿壓漏鉆孔。鑒于出水點工作面南側有采空區，出水點附近距三灰含水層又較近，推斷三灰為間接導水通道，底板遭受破壞，壓力過大，易使底板隔水層破壞加劇，造成水量反復，壓力太小，又影響進漿量和堵水效果，綜合考慮確定終孔壓力為靜水壓的1.5倍(靜止水壓約6.5 MPa，設計終壓10.5 MPa，終壓時漿液比重不大于1.3 g/mL)，當注漿壓力達相應設計終止壓力時或吸漿量小于50L/min時，應終止注漿。

5.4 技術要求

(1)注漿連續性要求。注漿過程中不宜間斷，要保證水泥的供應；注漿設備及管路均需備用一臺套。當出現確實無法連續注漿時，應壓清水沖洗管路及通道，2 h內的流量可保持與注漿量相同，2h以后，可減小流量，但不能小于注漿量的0.5倍，且不能間斷。

(2)注入的水泥漿液必須進行二次攪拌。

(3)漿液配比控制。為了確保漿液質量，必須配備波美度計和比重稱，在制漿過程中經常測試漿液濃度，如發現比重異常，應及時調整[8-14]。

5.5 注漿流程及操作方法

(1)測量注漿泵實際泵量，根據泵量、漿液比重計算供水量、水泥量和添加劑數量，并選定調速螺旋推進器轉速。

(2)開啟空氣壓縮機、氣動閥門，保持使用過程中的所需壓力。

(3)開啟供水泵，通過調節閥門和流量調整供水量達到使用要求。

(4)開啟調速螺旋推進器，保持均勻下料和吸漿池攪拌機的連續運轉。

(5)測量漿液實際比重，作好記錄，并根據注漿情況對供水量和水泥量作適當調整，保持漿液比重的相對穩定。

(6)開啟注漿泵，做注水試驗，暢通裂隙，確定吸漿量。

(7)將注漿泵吸水籠頭放入吸漿池內，按要求泵量注漿。

(8)注水泥漿時，及時做好注漿記錄，不得漏測、漏記。

(9)為防止水泥漿堵管和提管后噴漿，每次注水泥漿結束時馬上壓清水，壓入量為孔內體積的1～2倍為宜，直至泵壓降至0.2MPa以下。如出現壓不進水的情況，應盡快提管沖洗。如保留再次注漿的條件，采用間歇壓水方式，壓水量一般為鉆孔體積的4倍左右。

(10)如注雙液漿，提出并拆卸鉆孔內注漿管路，把止漿塞、混和器等拆卸清洗后重新組裝。

(11)清理攪拌池、吸漿管匯、注漿泵，對其他注漿設備進行檢修維護，放凈管路及設備積水。

(12)處理堵水孔，探查注后漿液凝固面、漏水段等，并清洗注漿泵，放凈管路及設備積水，為下次注漿做準備。

5.6 技術操作要求

(1)上料、造漿、司泵嚴格執行工種崗位責任制，聽從注漿指揮的安排，確保順利實施。同時對積水水位和礦井涌水量及跑漿情況等加密觀測，觀測地點設專用電話或對講機，觀測結果要及時匯報注漿指揮部。

(2)注漿前都應對所有設備進行試運轉合格，并有專人對其維護，特別是每次注雙液前都必須對活塞、吸漿管、排水高壓管以及各部接頭處進行檢查，混合器底閥結合嚴密，無泄漏。發現有磨損或泄漏、松動現象要及時排除。使用壓力表質量必須合格。同時取得現場需用的各種水泥漿比重或水灰比數據下的送水量和下灰量的速度和重量，取得可靠的操作相關數據。

(3)每次注漿前后要進行泵量的測量。每次注入雙液前都應對注漿系統進行打壓試驗，以便檢驗其工作能力和耐壓狀況，發現異常或達不到設計要求必須立即整改。

(4)旋噴時要求粗徑鉆具不得放在采空區以內，防止事故發生。

(5)隨著骨料的注入使用慢速(75r/min)轉動，送入骨料采用先細后粗的順序，要保持均勻下料，以保證不埋設卡夾鉆具或能通暢下入為宜，但送水量必須保持不間斷，水量要求不得小于30m3/h。

(6)要求注漿過程必須保證供水、供料的足量及時供應。要求對關鍵設備要留有一定的備用。作為發生意外情況時的應急措施。

(7)孔內混合器在鉆孔內的位置要根據雙液配比試驗參數、造注漿系統試運轉時孔內吸漿量、壓力等情況靈活設定。但其在孔內深度必須在安全孔段。

(8)注漿操作時，要求散裝水泥罐下料口、高速制漿器送水口、水泥泵、水玻璃泵、供電供水系統、供料等都必須要有技術熟練的專人和責任心強的人員進行操作。且必須通力合作，聽從指揮，注意力集中，能在出現異常的情況下有一定的處理經驗。防止出現孔內注漿事故。

(9)所有鉆機人員不要遠離鉆機，一旦發生中途起壓，可以迅速打開孔口，把注漿鉆具處理上來。并立即下鉆沖孔，進行注水打壓，把雙液凝固帶打開，以利下一步繼續注漿。

6 結論

(1)通過水質化驗分析，本次突水水源為奧灰水。通過分析1313工作面突水點周圍已查明老鉆孔、斷層等地質構造，否定了老鉆孔、斷層等地質構造導致突水的可能性。通過XY-1孔鉆遇突水通道注漿時，吸漿量大、先期注漿孔口閥門監測到負壓，說明突水通道較大，而且暢通，符合陷落柱出水通道的特征；在XY-1孔的施工過程中3次鉆遇通道，并且在XY-2孔、XY-1施工分支孔的過程中，孔口返出的巖屑中發現XY-1孔注突水通道時封堵的水泥圈定了出水通道的范圍，即陷落柱的范圍，1313工作面突水通道為隱伏的陷落柱。

(2)堵水鉆孔按照布設4個，其中XY-1、XY-2是通道封堵孔，XY-3、XY-4是蓋帽孔，通過2個月的地面鉆探注漿堵水施工，鉆孔終孔孔深分別達到了設計的孔深要求；鉆孔注漿結束壓力達到了終壓標準的壓力要求。

(3)4個鉆孔注入蓋帽漿液26622.6m3，注入通道36394.2m3。經計算，帽體、通道防隔水能力達到《煤礦防治水細則》要求，奧灰水已被封堵。

(4)從排水的過程中副井水位的下降和計算的下降速度吻合，經過計算在排水過程中的整個礦井的涌水量300m3/h，較突水前的涌水量50m3/h增加了5倍，是因為突水淹井導致含水層吸水，排水時礦井水位下降，含水層回吐造成的。