煤礦水文孔井下啟封技術(shù)

＊杜仲泓 王海兵 裴建偉

（1.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局 河北 056004

2.山西世德孫家溝煤礦有限公司 山西 036600）

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國家，產(chǎn)量約占到全球產(chǎn)量的2/5，但也是全球煤礦事故災害最為嚴重的國家，煤礦生產(chǎn)安全是整個安全生產(chǎn)的重點，自2000年以來，我國政府已經(jīng)采取了一系列舉措來加強煤礦生產(chǎn)安全[1]。在煤炭工業(yè)不斷發(fā)展下，隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤礦水文孔井的啟封問題日益引起人們的關(guān)注，需要采用啟封技術(shù)，避免水文孔導通含水層產(chǎn)生鉆孔突水事故[2]。

1.工程背景

（1）礦井概況。同忻煤礦是山西大同煤礦集團有限責任公司主要對山2、3～5號等煤層的開采生產(chǎn)的煤礦，位于大同市西南約20km，包含永定莊、煤峪口、忻州窯、同家梁、大斗溝五個生產(chǎn)礦井，井田面積65.2487km2，地質(zhì)儲量達到14.42億噸，可采儲量約8.54億噸?？刹擅簩訛?#層和8#層，主采煤層厚度為8～15m，采煤傾角為5°[3]。目前共有井口9座，主斜井全長4564m；副斜井全長4665.9m。副斜井擔負全礦材料、設備及人員運輸以及安全出口和入風任務。

（2）8102工作面介紹。同忻煤礦8102工作面（如圖1）的采煤礦是石炭系3～5#每層，厚度在7.27～25.8m，平均厚度為16.06m，屬于特厚煤層，寬度為251m，走向長1399m。老頂質(zhì)地偏硬，主要是巨厚的細砂巖、中砂巖，厚度約為11.56m；直接頂?shù)刭|(zhì)偏軟，主要是高齡質(zhì)泥巖，厚度約為3.41m。在8102工作面采區(qū)的上部為同家梁煤礦未采完的實體煤層，一些應對區(qū)域為采空區(qū)，層間距為165～181m，兩層間距相對較近，還存在積水問題。根據(jù)永定莊、同家梁煤礦的充水性圖和探放水孔疏放情況進行綜合分析，8102工作面上覆侏羅系煤層的采空區(qū)沒有大面積的積水，但是一共施工探放水孔122個，工程量732m，疏放采空區(qū)積水16萬立方米；利用千米水平定向鉆機從8#層輔運巷向8101工作面采空區(qū)施工放水孔一個，工程量637m，排放采空區(qū)積水1萬立方米，確保了8102工作面兩順槽的安全掘進。但是在鉆孔完成之后，將其作為水文孔，未實施封堵。2020年開始對該孔進行啟封，由于難度偏大，啟封至煤層底部就無法繼續(xù)下去。具體啟封層未明確，結(jié)論為啟封不合格，要求重新啟封[4]。在8102工作面推進下，1602鉆孔問題凸顯出來，為了避免鉆孔出現(xiàn)突水事故，需要對該孔實施注漿封堵操作。

圖1 8102工作面平面位置示意圖

（3）鉆孔結(jié)構(gòu)。1602鉆孔：高程1268.5m；終孔深度563.8m；終孔層位K1；深度起/止407.25m/562.8m；取芯進尺156.55m。0～145m段的孔徑為φ150mm；145～563.8m段的孔徑為φ91mm；岔孔段孔徑為φ91mm。其中0～2m采用水泥漿封閉，220～290m用水泥砂漿封閉，288～563.8m為岔孔，未封閉。

2.煤礦水文孔施工方案

（1）方案一，先從地面開始對1602鉆孔進行啟封操作，一直到2#煤層地區(qū)，在原岔孔位置明確未封閉的鉆孔，然后啟封到孔底563.8m，對其進行封閉操作。（2）方案二，在8102工作面的軌道內(nèi)根據(jù)未封閉的鉆孔設置兩個注漿孔，采取高壓注漿的方式對其進行封堵，在奧灰含水層頂部形成安全頂蓋之后，在工作面順槽采用鉆探、巷探技術(shù)確定鉆孔位置，再實施封堵操作[5]。（3）方案選擇，結(jié)合1602鉆孔實際狀況分析，發(fā)現(xiàn)方案一施工難度大、成本高，因此采取方案二。在實施前期，在8102工作面的最低處設置正式水窩，并安裝排水系統(tǒng)，排出鉆孔內(nèi)積水。

3.高壓注漿技術(shù)

(1)高壓注漿原理

在煤礦鉆孔中，高壓注漿主要是用于封堵和固化煤層中的水和瓦斯，以確保礦井的安全，其原理如圖2所示。

圖2 高壓注漿原理圖

(2)鉆探

在8102工作面的軌道順槽內(nèi)設置87m和80m兩個孔，詳細信息如表1所示。對1602鉆井內(nèi)鉆孔進行高壓注漿操作。根據(jù)以往工作經(jīng)驗可得注漿擴散半徑約為8m。

表1 鉆孔注漿技術(shù)參數(shù)

(3)孔口安全套管長度

資料顯示1602鉆孔終孔位置處于奧灰含水層，根據(jù)當前地面水文觀測孔奧灰水位為+3.8m，在8102工作面軌道順槽內(nèi)鉆孔的開孔位置的靜水壓力為2.24MPa，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，設置鉆孔安全套管長度為20m。

(4)鉆孔結(jié)構(gòu)

由于奧灰含水層的靜水壓力較大，再加上各種因素的影響，鉆孔需要采取雙層套管的形式，采取水泥進行固結(jié)操作，還要進行壓力測驗。

(5)鉆探質(zhì)量技術(shù)要求

①鉆孔的位置、傾角和深度應符合設計要求。在注漿前，由防治水工程技術(shù)人員進行測量和檢查，確保鉆孔的準確性，以避免注漿材料流失或無法充分填充鉆孔空間。②選擇適合的注漿材料，根據(jù)鉆孔的地質(zhì)情況和要求，選擇具有良好滲透性、粘結(jié)性和耐久性的注漿材料。注漿材料應能夠有效封堵鉆孔，提供良好的密封效果，并具備抗?jié)B漏和抗侵蝕的能力。③根據(jù)設計要求，注漿鉆孔設置有偏差范圍：開孔間距±0.1m、深度誤差±0.1m、偏斜率≤0.5%。

(6)具體施工

①施工流程。A.使用杭鉆650型液壓鉆機進行鉆孔。B.初始鉆進直徑為φ89mm，鉆進至4.5m。C.更換鉆頭為φ146mm，進行擴孔至5.5m。D.下入φ127mm孔口管至5.0m。E.在套管外環(huán)狀間隙注入水泥漿進行封閉，使用150kg水泥，等待水泥固化24h。F.掃孔至6.0m，設置壓力4MPa進行試驗，檢驗鉆孔穩(wěn)定性。G.更換鉆頭為φ89mm，鉆進至85.5m。H.再次更換鉆頭為φ108mm，進行擴孔至85m。I.下入φ89mm套管至85m。J.應用水泥漿填充套掛外環(huán)間隙，使用水泥：清水為1:1，各800kg。K.水泥固化，投孔至85.5m。L.進行打壓試驗，壓力為5MPa，采用φ73mm取心鉆進到終孔110.5m，確保周圍無異常，打壓試驗合格。

②終孔結(jié)構(gòu)。A.0～5.5m：φ146mm孔徑，套管為φ127mm，下至5.0m，水泥漿封閉。B.5.5～85.5m：φ108mm孔徑，套管為φ89mm，下至85.0m，水泥漿封閉。C.85.5～110.5m：φ73mm孔徑，終孔，裸孔。

(7)注漿操作

從鉆探施工結(jié)果可知該鉆孔為為侏羅系太原組，全孔取心，深度為85.1～103.4m，鉆孔方位角為15°，傾角為-35°，垂直厚度為6.45m，傾斜厚度為9.48m。經(jīng)過測量該孔的三灰水量為11m3/h，水壓為1.8MPa。

在實施注漿操作之前，需要計算注漿量，公式如下：

式中：Q為注漿量（m3）；R為漿液擴散半徑（結(jié)合以往經(jīng)驗擬定為8m）；H為注漿長度（30m）；η為巖層孔隙率（1%）；β為漿液填充系數(shù)（0.7～0.9，本研究選取0.7）；λ為漿液損失系數(shù)（10%～30%，本研究選取10%）。

根據(jù)上式得Q=3.696m3，水泥量為5300kg。

由于該孔的啟封深度為110.5m，注漿封孔采用的泥漿按照1:0.3的比例進行水灰配置，之后采用1:1的比例到達終孔，持續(xù)30min采取8MPa壓力實施注漿操作。

4.鉆探和巷探施工技術(shù)

（1）鉆探。根據(jù)方案二要求，需要在8102工作面順槽內(nèi)設置兩個鉆孔進行鉆探施工，設計深度40m，具體信息如表2所示。在實施鉆探操作的過程中，根據(jù)《煤礦防治水細則》要求，針對鉆孔應用雙層止水套管，具體應用流程如下：

表2 鉆孔技術(shù)參數(shù)

①鉆頭為φ146mm實施開孔操作，鉆至5.5m。②使用φ146mm鉆頭進行擴孔，擴至5.5m。③下入長度5m、φ127mm套管，外露0.2m。④使用樹脂封堵孔壁間隙，并將導氣鐵管預埋于套管中。⑤進行大于4MPa的壓力實驗，確保注漿固管合格。⑥注漿固管合格后，更換φ110mm鉆頭繼續(xù)鉆至16m。⑦下入φ90mm套管。⑧套管注漿，壓力實驗。⑨更換鉆頭為φ73mm，鉆至40m。⑩探查兩鉆孔，確認無涌水。

（2）巷探。在8102工作面皮帶順槽內(nèi)設置1224巷探，采用全煤綜放開采方式。根據(jù)設計，巷探斷面為矩形，全長31m，包括三個部分。斷面1：荒高、荒寬分別為2.6m、3.2m，設計長度為23m；斷面2：荒高、荒寬分別為2.6m、5m，設計長度為7m；過渡段：荒高、荒寬分別為2.6m、5m，設計長度為1m。

具體流程如下：①根據(jù)表2中鉆孔1的開孔位置，采取122°方位角進行就巷道掘進操作。②根據(jù)設計要求，沿著鉆孔煤層頂板掘進6m。③根據(jù)+8°傾角和8102工作面軌道皮帶順槽14號底板，繼續(xù)根據(jù)①②流程掘進31m。

以上步驟和措施確保了巷道的掘進方向、斷面規(guī)格和底板順齊，以滿足設計要求并保障巷道的安全和穩(wěn)定。

5.鉆孔封堵

根據(jù)122°方位角、+8°傾角對8102巷道進行探查至30m的位置，結(jié)果顯示1602鉆孔、鉆孔套管完整，無漏水狀況，采用全站儀測量，明確鉆孔具體坐標，然后進行鉆孔封堵操作：

①在鉆孔壁上設置一個直徑為50mm的通道，接入高壓注漿直通閥，并采用專業(yè)性設備通過其中，確保鉆孔內(nèi)部的通暢性；②設置壓力表，監(jiān)測水壓為2.48MPa，選擇水樣進行檢測；③鉆孔內(nèi)的積水通過通道進行釋放，時間為24h，容量為210m3，這時水壓依舊為2.48MPa；④鉆孔注漿封孔，漿水灰比例為1:0.3，后期調(diào)制至終孔的比例為1:1。注漿的壓力設定為8MPa，持續(xù)時間為30min，總共使用了6000kg的水泥進行注漿；⑤經(jīng)過24h的凝固后，應用人工模式對鉆孔至煤層底板以下1.0m位置進行切割；⑥應用蓋帽封堵鉆孔下部套管，并在上方澆筑0.6m厚度的混凝土；⑦鉆孔封堵工作完成，保證礦井的安全生產(chǎn)。

6.結(jié)論

總之，針對煤礦水文孔實施井下啟封技術(shù)，采用高壓注漿法能夠有效解決，并通過鉆探和巷探和封堵操作，對鉆孔進行有效封堵，這種技術(shù)工藝應用較為簡單，而且施工質(zhì)量較高，能夠避免造成其他方面的損害，經(jīng)濟效益較高。