封孔器在注漿堵水施工中的應(yīng)用實(shí)例

彭敬琛，杜 斌，蘇雁軍

（1.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜273100；2.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)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(shè)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(tǒng)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等方法[1]，其中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為一種較為直觀、準(zhǔn)確的主動(dòng)防治方法，在煤礦生產(chǎn)過程中必不可少。礦井打設(shè)針對特定含水層的水文觀測鉆孔，其安裝了水文觀測系統(tǒng)后，可以對相應(yīng)含水層進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)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(fā)生輕微錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致鉆孔附近出現(xiàn)涌水的情況較為少見，其封堵過程也同樣少見，且多數(shù)情況下，煤礦均會(huì)采用大流量、高配比、濃漿液方法直接對出水鉆孔進(jìn)行封堵，這種方法施工過程十分復(fù)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(shí)例解析方法詳細(xì)介紹了單家村煤礦應(yīng)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(yùn)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(qū)為相對封閉的獨(dú)立水文地質(zhì)單元[2]，為完善水文地質(zhì)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(shè)了一個(gè)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對采區(qū)奧灰水的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為采掘活動(dòng)的安全提供了技術(shù)支持。

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

2020 年4 月30 日，礦相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)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(nèi)多處涌水并伴有底鼓現(xiàn)象，涌水量預(yù)計(jì)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(nèi)巖性分析：鉆孔開孔至奧灰頂部，在五灰與十灰之間發(fā)現(xiàn)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(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，最可能的原因?yàn)楦羲坠茉跀鄬痈浇軘鄬訑D壓錯(cuò)動(dòng)，奧灰水通過鉆孔斷口，沿?cái)鄬訉?dǎo)水通道涌出。

圖1 鉆孔柱狀及結(jié)構(gòu)圖

探測方案：根據(jù)上述分析，應(yīng)先對套管完整情況進(jìn)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(cuò)動(dòng)或輕微錯(cuò)動(dòng)，僅為輕微裂縫；如鉆具下放過程中受阻，則套管斷裂并出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)采用不同孔徑（Φ89 或Φ75）的鉆具可以判斷套管錯(cuò)動(dòng)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(nèi)情況。施工方分別將Φ89、Φ75及Φ65 三種規(guī)格的鉆具下入孔內(nèi)，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(xiàn)場來看，Φ89 的鉆具受阻應(yīng)為底鼓變形影響，Φ75 的鉆具受阻應(yīng)為鉆孔套管斷裂錯(cuò)動(dòng)影響，推斷套管斷裂位置為孔深19m 處，并且根據(jù)Φ65的鉆具未受阻下入情況分析，套管錯(cuò)動(dòng)幅度不大。

根據(jù)以上分析，最終確定套管在孔深19m 處發(fā)生輕微錯(cuò)動(dòng)，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(gè)外徑Φ65 封孔器，下入至奧灰頂部，，通過封孔器漲起形成環(huán)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(dá)到降塵和提高煤質(zhì)的目的[3]，經(jīng)井上實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)證明，也可用于鉆孔內(nèi)分段注漿堵水。

封孔器由導(dǎo)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(jì)組成。導(dǎo)入體、順序閥、橡膠管、連接體統(tǒng)稱膨脹體（見圖3）[3]。

封孔器分段注漿堵水原理為：運(yùn)用dzy1200s 鉆機(jī)，將Φ65 的封孔器下入到Φ75 的套管內(nèi)，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(nèi)，形成封閉效果；繼續(xù)注漿使腔內(nèi)壓力持續(xù)升高，當(dāng)壓力大于順序閥調(diào)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(nèi)注漿。注水作業(yè)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(jié)構(gòu)圖

圖4 封孔器安裝示意圖

3.3 設(shè)備選用

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

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(dāng)注漿量大于預(yù)計(jì)量的1.2 倍時(shí)，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(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況酌情調(diào)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(shí)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(nèi)壓漿；注漿流程為：儲(chǔ)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(yù)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(jié)束標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際漿液注入量大于或接近設(shè)計(jì)的注入量，注漿壓力呈規(guī)律性增加并達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，達(dá)到終壓時(shí)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(jié)束該孔注漿。注漿時(shí)漿液不得溢出巷道。

6）注漿施工要求注漿前，應(yīng)對注漿泵、輸送管路系統(tǒng)、孔口管系統(tǒng)進(jìn)行檢查并作耐壓試驗(yàn)，且形成泄壓裝置，達(dá)到設(shè)計(jì)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(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停止注漿，及時(shí)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(shí)間較較短的，可考慮放出孔漿液；注漿時(shí)間較長，仍吸漿的，應(yīng)連續(xù)壓水，沖洗孔道及管道。如確實(shí)不能繼續(xù)注漿的，可考慮放出孔內(nèi)漿液，疏放水，保持通道暢通等。

4 注漿過程及結(jié)果

前期礦對奧灰孔進(jìn)行了數(shù)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(shí)伴有水泥漿返出。

2020 年5 月16 日，礦外委施工隊(duì)開始采用Φ65 的封孔器進(jìn)行封閉堵水。使用dzy1200s 鉆機(jī)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(nèi)注漿，注漿壓力達(dá)到6MPa。注漿泵起壓后，從封孔器內(nèi)壓入清水，將封孔器中的水泥漿壓出，以保護(hù)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(wěn)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(fā)育，無法使用封孔器封堵，遂將封堵段改為套管錯(cuò)動(dòng)口以下。使用dzy1200s 鉆機(jī)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(nèi)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(jìn)行封閉堵水。使用dzy1200s 鉆機(jī)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(nèi)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(jìn)行封閉堵水，封孔器長2.6m。首先用Φ75 的鉆頭下入孔內(nèi)，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(nèi)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(dòng)、斷層活動(dòng)影響，持續(xù)注漿，封閉奧灰含水層和鉆孔。持續(xù)注漿至注漿壓力達(dá)11MPa，累計(jì)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(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)收，底板涌水成功封堵。

5 結(jié) 語

在煤礦生產(chǎn)過程中，水文觀測孔必不可少，其安裝了水文觀測系統(tǒng)后，可以針對相應(yīng)含水層進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)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(dòng)影響發(fā)生管壁錯(cuò)動(dòng)、斷裂，進(jìn)而導(dǎo)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(shí)例，詳細(xì)介紹了其應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(yīng)用封孔器成功注漿堵水也不是一蹴而就的，需要結(jié)合水壓、套管直徑和漿液配比等現(xiàn)場實(shí)際隨時(shí)調(diào)整，否則也會(huì)出現(xiàn)多次封堵失敗、不斷調(diào)整封孔器直徑、長度等參數(shù)的情況，但往往這種情況在實(shí)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(jìn)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。