茶陵縣沙坪煤礦項(xiàng)目ZK405涌水鉆孔封孔方法的探討

譚千鐘

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)地勘院，湖南耒陽(yáng)421800）

茶陵縣沙坪煤礦項(xiàng)目ZK405涌水鉆孔封孔方法的探討

譚千鐘*

（湖南省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)地勘院，湖南耒陽(yáng)421800）

介紹了煤礦鉆孔煤層底板涌水鉆孔的一種雙十字木塞+全孔水泥漿封孔的方法，分析了煤層底板涌水鉆孔的一種雙十字木塞+全孔水泥漿封孔成功與否的原因，揭示了在進(jìn)行類似鉆孔封閉時(shí)的注意事項(xiàng)，以及涌水鉆孔在鉆孔過程中可能發(fā)生的安全問題。

地層承壓水；涌水；封孔；雙十字木塞；水灰比；壓力平衡

涌水鉆孔一般采用下塞子等辦法對(duì)涌水段進(jìn)行封閉，但涌水量大的鉆孔，以及孔內(nèi)涌水壓力大等原因，一般的塞子不能下到指定的位置，即使封住了上部，孔口不向外涌水，但下部的高壓涌水層段和礦層相互串通，將會(huì)給今后的采礦作業(yè)構(gòu)成重大安全隱患，地下各含水層的相互串通還會(huì)造成地下水質(zhì)和水位發(fā)生變化，也對(duì)地下水安全造成一定的危害。為了徹底阻斷各含水層的聯(lián)系通道，保證采礦安全和地下水安全，一般采用全孔水泥漿封閉的方法。

茶陵縣沙坪煤礦項(xiàng)目ZK405鉆孔是個(gè)涌水量特大的鉆孔，該孔采用了雙十字木塞+全孔水泥漿封閉的方法，經(jīng)透孔至295m位置取芯檢查，封閉孔段水泥結(jié)構(gòu)較好，取出的芯樣基本成柱狀，證明該方法封閉鉆孔取得了圓滿成功。

1　項(xiàng)目、鉆孔基本情況及面臨的問題

1.1項(xiàng)目和鉆孔基本情況

茶陵縣沙坪煤礦詳查項(xiàng)目位于茶陵縣沙坪鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)鉆孔8個(gè)，鉆探工作量3670m，地質(zhì)鉆孔6個(gè)，水文鉆孔2個(gè)，全部分布在沙坪煤礦礦區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)從新至老的地層分別是①第四系（Q），層厚0～10m，主要為粘土、砂土和礫石，巖性松散；②侏羅系（J1），層厚6～90m，以石英砂巖為主，巖性致密堅(jiān)硬；③二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l），一般層厚80～350m，煤系地層，以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，含煤3層；④二疊系下統(tǒng)當(dāng)沖組（P1d），層厚120～230m，主要為硅質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，裂隙發(fā)育，局部見溶洞。ZK405鉆孔為探煤孔，設(shè)計(jì)350m。當(dāng)鉆至孔深305m時(shí)，也就是3煤底板下，鉆孔發(fā)生了達(dá)80m3/h的涌水?？卓谀苈劦剿猩l(fā)出來的異味氣味，經(jīng)項(xiàng)目部技術(shù)人員進(jìn)行簡(jiǎn)易水文觀測(cè)，對(duì)水質(zhì)、流量和孔口壓力進(jìn)行了測(cè)定，證實(shí)該水質(zhì)屬3煤層底板下水質(zhì)，由于在鉆進(jìn)到305m之前鉆孔內(nèi)并沒有發(fā)生異?，F(xiàn)象，泥漿也沒有出現(xiàn)大的變化，結(jié)合水質(zhì)分析，可以基本斷定涌水部位在305m處，屬二疊系下統(tǒng)當(dāng)沖組灰?guī)r承壓水。當(dāng)時(shí)也試著用加大泥漿比重來壓住涌水進(jìn)行后期施工，但涌水流量和壓力太大而未成功。在這種情況下，施工鉆機(jī)通過精心施工，強(qiáng)行鉆進(jìn)到310.35m滿足了設(shè)計(jì)要求。

1.2面臨的問題

該孔涌水量達(dá)80m3/h，孔口靜水壓力達(dá)2.3MPa，水泥漿泵入孔內(nèi)會(huì)立即稀釋而被沖出孔外，造成封孔失敗。如何能安全圓滿完成封孔任務(wù)是擺在施工隊(duì)伍面前的難題，業(yè)主也派人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，并強(qiáng)調(diào)保證鉆孔封閉一次性成功。

2　封孔方案

經(jīng)研究分析，初步制定了一套完善的封孔方案：第一階段，首先做好一個(gè)雙十字鋼絲木塞，長(zhǎng)2～3m，用鉆具送至孔深305m左右，開泵送水使雙十字鋼絲木塞與鉆具分離，提升鉆具，觀測(cè)涌水流量變化；第二階段水泥漿封閉鉆孔，因涌水層段為主采煤層底板，埋藏不是很深，鉆孔封閉的好壞，直接危及煤礦的安全，并立竿見影，因此封好該孔是施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.1該方案的理論依據(jù)

經(jīng)測(cè)試，孔口出水壓力為2.1MPa，孔深310m涌水處的壓力為5.1MPa（出水壓力2.1MPa+孔深310m處液柱壓力為P=ρHg=1×103kg/m3×310m×9.8N/kg×10-6= 3.038MPa，其中ρ為水的密度，H為鉆孔深度，g為重力加速度）。若將孔內(nèi)密度為1的310m水柱換成密度為ρ的水泥漿，要達(dá)到5.1MPa的壓力，孔內(nèi)水泥漿保持壓力平衡而不外溢，水泥漿的密度為ρ×310×9.8×10-6= 5.1MPa；ρ=1.25×103kg/m3。理論上，只要孔內(nèi)液體密度達(dá)到該值時(shí)，孔內(nèi)將保持壓力平衡而保持一種穩(wěn)定的狀態(tài)，待水泥漿凝固后，達(dá)到了封孔的目的。

2.2水泥用量計(jì)算

經(jīng)分析水泥用量應(yīng)包含孔內(nèi)水泥漿、從鉆孔流出的損耗量、進(jìn)入孔內(nèi)裂隙，以及地面的損耗。水泥計(jì)算如下：孔深310m，孔徑77mm，鉆孔總?cè)莘e1.44m3，密度取1.84t/m3，所需水泥漿重量級(jí)2.65t；由于水灰比為0.5（水∶水泥=1∶2），需水泥量1.77t。前面所提到的各種損耗按1.2t計(jì)算，考慮其它不確定因素，為確保萬無一失，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了3.5t水泥。

3　現(xiàn)場(chǎng)操作

3.1第一階段操作

3.1.1木塞的制作

取輕質(zhì)干杉木（木質(zhì)較松、最好在水中浸泡一段時(shí)間后，膨脹系數(shù)大一點(diǎn)的）一根，長(zhǎng)2～3m，直徑不大于?72mm，用電鉆在木柱的上下兩端離端口500mm處各打一個(gè)十字型?10mm的眼，眼的兩端修成往上的斜槽，裁2段彈性較大?8mm鋼絲繩，長(zhǎng)82mm，穿在十字孔內(nèi)，保證該木塞在孔內(nèi)只能沿著孔壁向下運(yùn)動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼絲繩在彈力的作用下向外張開，撐死在孔壁上或裂隙上。木塞的制作如圖1所示。

圖1　雙十字木塞示意圖（單位：mm）

3.1.2木塞的定位

用鉆具將雙十字木塞送到孔深306m處，開泵讓鉆具與木塞分離，觀察孔口涌水量，再用鉆具探定木塞孔深，確認(rèn)位置正確、木塞牢固可靠后，將鉆具提升20m，即孔深280m左右。

3.2第二階段的操作

3.2.1準(zhǔn)備工作

第二階段應(yīng)與第一階段同時(shí)進(jìn)行，在操作前應(yīng)做到材料到位（包括水泥、水、設(shè)備）；人員到位；設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，所有設(shè)備都處于良好狀態(tài)；輔助設(shè)備應(yīng)齊全。

3.2.2具體步驟

①攪拌水泥漿，可利用泥漿攪拌設(shè)備為主，人工配合攪拌，爭(zhēng)取在1h內(nèi)漿水泥漿準(zhǔn)備好；②將鉆具下302m左右（涌水部位5～10m左右）；③在泵入水泥漿的過程中，應(yīng)注意觀察泵壓表，防止水泥管路阻塞而影響泵量；④在泵入水泥漿的同時(shí)，可將鉆具在孔內(nèi)適當(dāng)活動(dòng)，也可以用管鉗慢擰鉆具，如果鉆具擰不動(dòng)，或需要很大力氣才能擰動(dòng)鉆具時(shí)，應(yīng)立即關(guān)泵，上鉆，將鉆具提升5個(gè)立根后，繼續(xù)泵入水泥漿。上鉆要盡可能的快，以防止泵入的水泥漿被水稀釋沖出孔外而造成封孔失??；⑤注意觀察鉆孔涌水量的變化，水變渾濁是被水稀釋的水泥漿，水量在減少是因?yàn)榭變?nèi)液體的密度在逐步增大，而使得孔內(nèi)液體壓力在逐步增大，最后直到壓力平衡，將涌水徹底封堵；⑥上鉆，注意觀察孔口，如果鉆孔液面下降，仍有少量的水泥漿溢出，應(yīng)停止上鉆，繼續(xù)泵入水泥漿，直到孔口不再有水泥漿外溢后，再上鉆；⑦鉆具應(yīng)提出孔外，泥漿泵和鉆具應(yīng)及時(shí)清洗。

操作過程注意事項(xiàng)：①在泵入水泥漿時(shí)，應(yīng)不斷活動(dòng)鉆具，防止鉆具被埋而造成孔內(nèi)事故；②盡量提高泵量，以縮短孔內(nèi)液體密度上升的時(shí)間，減少水泥漿孔口的流失量，以保證封孔的成功；③適當(dāng)掌握從孔內(nèi)提出鉆具體的長(zhǎng)度和次數(shù)，保證安全的同時(shí)保證封孔質(zhì)量。

4　效果

2014年3月20日上午8：30，ZK405鉆孔在監(jiān)理旁站下按上述方案進(jìn)行封孔，4h鉆孔封閉結(jié)束，孔口完全無水上返。23日開始透孔，28日透至孔深295m，封閉孔段水泥結(jié)構(gòu)較好，取出的水泥芯樣基本為柱狀，很少蜂窩。29日對(duì)封閉鉆孔進(jìn)行了注水檢測(cè)，鉆孔無漏水?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理認(rèn)為封孔質(zhì)量可靠。

5　結(jié)語(yǔ)

ZK405鉆孔的封孔雖然取得了成功，但仍有些問題：①水泥的用量，尤其是水泥的損耗，是不是能通過更加精確的計(jì)算得出結(jié)論，以減少不必要的損耗；②上述操作方案的成功與否應(yīng)該是由多種因素決定的，除了與木塞的牢靠、涌水層的水壓、水量和涌水位置有關(guān)外，還和灌注設(shè)備泥漿泵的泵量、泵壓有關(guān)，低泵量可能會(huì)造成孔內(nèi)水泥漿被稀釋而沖出孔外，孔內(nèi)液體密度無法提高而造成封孔失敗，因此從理論上講，存在一個(gè)最低泵量，低于該泵量，封堵涌水層段就不會(huì)成功，這個(gè)泵量和涌水量有著一定的關(guān)系。以上幾個(gè)問題值得探討。

［1］煤田勘探規(guī)程［S］.中國(guó)統(tǒng)配煤礦總公司.

［2］陳永立，王殿琦，王潔，李云飛，等.固體礦產(chǎn)鉆探工［M］.北京：地質(zhì)出版社.

TD231

A

1004-5716（2016）02-0045-02

2015-02-05

2015-02-06

譚千鐘（1963-），男（漢族），湖南湘潭人，工程師，現(xiàn)從事探礦技術(shù)負(fù)責(zé)工作。