井下水文鉆孔孔口止水套管的研制與應用

趙旭

【摘 要】隨著礦井生產地區(qū)逐步向深部延伸，礦井水害已成為威脅礦井安全生產的主要因素之一，井下需要施工大量的水文鉆孔以滿足防治水工作的需要。

【Abstract】With the mine production area extends to the deep gradually， mine water disaster has become one of the main factors threatening mine safety production， so a large number of drilling holes need to be constructed to meet the needs of water prevention and control.

【關鍵詞】礦井；水害；止水

【Keywords】mine； water disaster； sealing up

【中圖分類號】TD301 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0172-02

1 引言

目前，井下施工鉆孔多為超前探孔，受礦山壓力、采動破壞、地應力等的影響，套管斷裂導致鉆孔跑水的問題經常發(fā)生，套管斷裂跑水不但影響工期，且處理起來難度大、費用高、技術復雜，給礦井生產帶來極大的安全隱患。辛安礦通過統計近幾年孔口止水套管斷裂跑水事故案例，分析總結此類問題的共通點，提出了改變止水套管傳統連接方式的設計思路，并成功研制了新型孔口止水套管，在辛安礦井下鉆孔施工中被廣泛應用，經濟、安全效果良好，具有極大的推廣應用價值。

2 常用孔口止水套管及存在的問題

2.1 材質與結構

目前，礦井常用孔口止水套管普遍選用無縫鋼管作為主要材料，規(guī)格φ108mm×8mm，單根長1.5m，采用內嵌式絲扣連接達到設計長度。

2.2 常用孔口止水管安裝及使用方法

孔口套管采用內嵌式絲扣連接，多根套管連接后逐一下入孔內，最后一根套管末端焊接有法蘭盤。套管下入孔內后，使用純水泥漿固結套管。

2.3 存在問題

經過多年實踐及統計，常用孔口止水套管安裝到位后，使用1周～2個月的時間內經常出現斷裂跑水現象，斷裂位置普遍發(fā)生在淺處，距鉆場底板3～5m套管接口處。常見斷裂方式有3種：即水平斷裂式、上下離斷式、交叉錯斷式（見圖1），其中前兩種最為常見。

3 問題分析及解決思路

3.1 問題分析

現階段，辛安礦主要生產地區(qū)集中在-500m水平，埋深一般在800m以上、地壓一般在20MPa以上，目標含水層水壓一般在4MPa以上。根據礦井生產需要，超前鉆孔須在巷道前頭施工，由于生產銜接緊張，不允許等巷道圍巖穩(wěn)定后再進行施工，設計孔數一般為3個，工期約1個月，鉆孔傾角一般40°～70°。

超前探查鉆場通常布置在新掘煤巷前頭后5～10m處的巷道上幫，鉆場施工在巷道初掘階段，圍巖不穩(wěn)定，地應力處于重新分布階段，一般5個月后才趨于穩(wěn)定，通過后期巷道整修發(fā)現，圍巖破壞深度在2m左右，兩幫向巷中收斂約2m，底板向上鼓起約1m。鉆場底板巖層為煤，巖體松軟，應力較小，對止水套管的應力較小，一般第一節(jié)與第二節(jié)套管接口不會發(fā)生斷裂，斷裂位置主要發(fā)生在2～3或3～4節(jié)套管接口處。由于鉆孔傾角影響，套管斷裂深度會有一定變化。

目前礦井使用的無縫鋼管抗壓能力本身可以滿足抵抗礦山壓力的要求，主要原因是套管接口在切割加工過程中破壞了鋼管的原有結構，使得抵抗礦山壓力的鋼管有效厚度變小，變薄后的鋼管承壓能力變小，相對礦山壓力來說無法提供足夠的抗壓能力，從而導致套管拉斷或錯斷。附常用孔口止水套管連接示意圖（見圖2）：

3.2 解決思路

通過調研，以下三種方法可以解決套管斷裂跑水問題，三種方法的優(yōu)劣對比如表1所示。

以上三種方法雖然可以有效防止套管斷裂跑水，但是在鉆孔結構、鉆探設備、施工場所、施工難度及工期和安裝操作難易程度上較常用孔口止水套管要求更高，施工難度變大，成本也增加較多，為更好地解決以上問題，辛安礦決定研制新型孔口止水套管。

針對煤礦井下施工特點，在研制前確定以下五項原則：①新型孔口止水套管采用的材質須常見、易獲得，低成本、易加工，無毒、無害、無污染，高強、耐腐蝕、耐壓性高、使用壽命長。②新型孔口止水套管的安裝及使用盡量不增加難度，安裝方便易操作，不動用電氣焊等井下不允許使用的手段和方法。③鉆孔結構簡單。④單根止水套管長度不增加，否則鉆場規(guī)格需要擴大，土建工程難度增大。⑤與在用常用小型坑道鉆機性能相匹配。

4 新型孔口止水套管研制

4.1 材質選擇

考慮到成本及套管可用性和安全性：材質仍沿用傳統的無縫鋼管為基礎材料。

4.2 結構選擇

常用止水套管絲扣在經過加工后，鋼管變薄，有效厚度僅剩1.5mm。為抵制縱向拉伸及橫向剪切，采用增加礦井應力集中段套管接口處有效厚度的方法來增大止水套管的抗拉及抗剪切強度。新型孔口止水套管分為兩段，孔口段8m采用外接箍連接，以下部分仍使用常規(guī)孔口止水套管。

5 實際應用情況及取得的效果

① 新型孔口止水套管應用。截至目前，新型孔口止水套管已在辛安礦多個采區(qū)，多個工作面不同埋深下使用，共施工鉆孔128個。通過實踐并統計分析相關參數：使用新型孔口止水套管同樣下入孔內30m止水套管與原先采用的常用孔口止水套管相比：鉆孔使用鉆機型號不變、開孔方法不變、安全保障措施不變、孔口管下入耗時基本不變、工期不增加，操作簡便、易掌握，不增加操作危險系數，適用性強。②取得的效果。新型孔口止水套管主要使用對象為礦井超前鉆孔，自2015年辛安礦使用新型孔口止水套管后，共施工超前鉆孔128個，所有超前鉆孔均未發(fā)生套管斷裂跑水現象。

6 結語

新型孔口止水套管經過在辛安礦的實踐應用，驗證了該技術對鉆孔止水套管保護的可靠性和適用性，避免套管斷裂跑水成功率100%，具有良好的綜合經濟效益和推廣價值。