高壓富水破損嚴(yán)重水源孔封堵技術(shù)研究

王立偉

冀中能源峰峰集團(tuán)大社礦，河北邯鄲，056200

1 破損鉆孔概況

1.1 基本概況

破損鉆孔位于峰峰集團(tuán)大社礦井下-120水平，由峰四勘探注漿有限責(zé)任公司于2008年4月14日～2008年7月1日施工，孔口坐標(biāo)(X：4045831，Y：38521501，Z：-120)，終孔孔深160.3m，開(kāi)孔層位為山青1號(hào)小煤與2號(hào)小煤之間粉砂巖，終孔進(jìn)入奧灰50.1m，終孔水量6.6m3/min，水壓2.45MPa。該破損鉆孔編號(hào)為小屯2#供水孔，擔(dān)負(fù)著峰峰集團(tuán)小屯礦工人村生活用水。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

0～26m， Φ223mm開(kāi)孔下Φ219*8mm(即套管外徑為219mm，套管壁厚為8mm，后同)，孔口管長(zhǎng)25.2m；

26～74.1m，Φ173mm孔徑下Φ168*8mm，套管長(zhǎng)72.6 m；

74.1～109.7m，Φ146mm孔徑下Φ140*8mm，套管長(zhǎng)109.6 m；

109.7～160.3m，Φ91mm孔徑裸孔。

1.3 鉆孔出水情況

2014年6月6日21：50分，大社礦機(jī)電區(qū)二水平治水泵房開(kāi)泵司機(jī)發(fā)現(xiàn)小屯2#供水孔鉆窩底板出水，并向機(jī)電區(qū)及礦調(diào)度室進(jìn)行匯報(bào)。調(diào)度室立即通知相關(guān)水文技術(shù)人員下井對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查，并向集團(tuán)公司進(jìn)行了匯報(bào)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該孔鉆窩內(nèi)底板已經(jīng)出現(xiàn)底鼓，底鼓高度為0.4m，為防止鉆窩內(nèi)底板進(jìn)一步受到破壞，采取將鉆孔孔口與供水管道連接部分拆開(kāi)，使鉆孔內(nèi)水充分流出，減少底板承受壓力，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)底板出水量及水流冒高，計(jì)算鉆孔出水量7.5m3/min(其中底板出水量3.0m3/min)。

2 鉆孔破損位置確定

2014年6月7日夜班至6月8日夜班先后使用Φ108mm、Φ89mm、套管進(jìn)行探孔，探明供水孔內(nèi)2m、15m位置發(fā)生斷裂錯(cuò)位。

探孔經(jīng)過(guò)：

0～2m下Φ108mm套管，在2m處頂套管，確定2m位置發(fā)生斷裂錯(cuò)位。

2～49m下Φ89mm套管，在15m處浮力增大，確定15m位置發(fā)生斷裂錯(cuò)位。

根據(jù)供水孔探明結(jié)果，礦決定對(duì)供水孔進(jìn)行封堵。6月9日上午向集團(tuán)公司有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行了請(qǐng)示，集團(tuán)公司同意對(duì)供水孔進(jìn)行封堵。

3 鉆孔封堵目的

經(jīng)過(guò)探查發(fā)現(xiàn)該孔破損嚴(yán)重，不具備恢復(fù)條件，決定進(jìn)行封堵。新屯礦2#供水孔位于大社礦西翼地塹水文條件復(fù)雜單元，奧灰水資源豐富，遭到破壞后，涌水量接近-120m水平泵房最大排水能力，如不及時(shí)進(jìn)行封堵，有可能造成-120m水平泵房被淹，并殃及整個(gè)礦井。

4 鉆孔封堵技術(shù)及實(shí)踐

方案一：向鉆孔內(nèi)直接注骨料(花生、黃豆、綠豆、海帶、鋸末、編織袋條)及水泥漿進(jìn)行封堵，為防止封堵時(shí)孔口裝置及上部套管射出，孔口裝置用4寸鐵管壓點(diǎn)柱固定。

封堵期間發(fā)現(xiàn)底板周圍多處串漿，并伴有花生、海帶等骨料被直接沖出，鉆窩底板進(jìn)一步底鼓，孔口裝置壓點(diǎn)柱鐵管彎曲。為防止底板進(jìn)一步破碎，孔口裝置及上部套管噴出，造成更大的事故，決定放棄該方案。

原因分析：

(1) 骨料被沖出，說(shuō)明底板破壞嚴(yán)重，導(dǎo)水裂隙大于骨料直徑，骨料起不到封堵作用，下部應(yīng)考慮減小底板導(dǎo)水裂隙。

(2) 鉆窩底板底鼓，孔口裝置壓點(diǎn)柱鐵管彎曲，說(shuō)明鐵管壓點(diǎn)柱強(qiáng)度低于孔內(nèi)水的壓力，應(yīng)重新考慮孔口裝置固定。

方案二：先用化學(xué)漿對(duì)鉆孔周圍底板進(jìn)行加固，減小底板導(dǎo)水裂隙，然后再對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵?；瘜W(xué)漿具有化學(xué)反應(yīng)速度快，能縮短施工時(shí)間，采用化學(xué)漿進(jìn)行加固，加固眼用氣腿式鑿巖機(jī)施工。

施工過(guò)程中，因底板破碎，加固眼只能施工3m左右。注化學(xué)漿時(shí)，化學(xué)漿還沒(méi)有凝固就被水直接沖出，后調(diào)整縮短化學(xué)漿凝固時(shí)間，仍不能起到加固作用，反而加固眼成了新的出水點(diǎn)，決定放棄該方案。

原因分析：

(1)加固眼孔深淺，終孔位置在鉆窩底板導(dǎo)水裂隙帶中，在水流作用下，化學(xué)漿不向深部移動(dòng)。

(2)鉆窩底板底板出水量大，化學(xué)漿漿液被稀釋，減弱化學(xué)漿的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)漿還沒(méi)有凝固就被被沖出。

方案三：先對(duì)鉆窩進(jìn)行澆筑和對(duì)鉆窩外附近巷道底板加固，然后利用預(yù)埋引水管進(jìn)行注漿再加固，最后對(duì)鉆孔封堵。

預(yù)埋Φ108mm和Φ89mm引水管，將鉆窩底板出水引出；接Φ168mm管路，將鉆孔水引出。用37cm磚在鉆窩外口閉墻，鉆窩下半部用鋼筋混凝土澆筑，上半部用木頭擺架后再用水泥漿灌注。為防止封堵時(shí)水沿裂隙從鉆窩外巷道涌出，選用化學(xué)漿對(duì)鉆窩外附近14m巷道底板進(jìn)行加固,并每隔2m施工一個(gè)木底梁和木點(diǎn)柱。加固眼施工順序采用"由外向內(nèi)"的方法，即先加固鉆窩外兩側(cè)巷道，再加固鉆窩口巷道。

鉆窩外附近巷道底板加固施工過(guò)程中，由于底板破碎，加固眼深度3m～4m左右。預(yù)埋引水管進(jìn)行注漿再加固時(shí)，發(fā)現(xiàn)水從巷道加固段外側(cè)涌出，同時(shí)加固段巷道底板來(lái)壓，為防止巷道底板大面積破壞，決定停止注漿加固。

原因分析：

(1)受底板破碎影響和氣腿式鑿巖機(jī)能力限制，加固眼孔深度未能到底板破碎底部。

(2)因供水孔位于水文條件復(fù)雜單元，奧灰水資源豐富，供水孔水量達(dá)7.5m3/min，鉆孔Φ89mm套管達(dá)不到泄壓作用，從預(yù)埋引水管注漿時(shí)，水壓仍較大，無(wú)法到達(dá)封堵底板導(dǎo)水裂隙的目的。

方案四：直接封堵供水孔，在骨料中加入木模塊。木模塊作為大骨料，花生、黃豆、綠豆、海帶、鋸末作為中小骨料，為防止木模塊堆積堵孔，每次控制加入木模塊的數(shù)量，且與中小骨料均勻加注。

模塊材料的選擇：模塊材料的特點(diǎn)，比重略小于水的比重最好，強(qiáng)度足以抵抗水壓破壞力，具有加工方便，同時(shí)價(jià)格相對(duì)便宜，通過(guò)對(duì)比，確定用松木作為模塊材料。

木模塊形狀選擇：木模塊做大了容易堆積堵孔，做小了有可能從鉆孔破損處沖出，確定木模塊加工為長(zhǎng)柱狀。

木模塊柱高的確定：木模塊既要便于從Φ89mm注漿套管壓進(jìn)去，又要便于進(jìn)入Φ89mm套管與Φ140mm套管之間的空隙中。

Φ89mm套管外徑d1=89mm，內(nèi)徑d2=89mm-12mm=77mm，外半徑r1=89/2=44.5mm，內(nèi)半徑r2=77mm/2=38.5mm；Φ140mm套管外徑D1=140mm，內(nèi)徑D2=140mm-16mm=124mm，外半徑R1=140mm/2=70mm，內(nèi)半徑R2=124mm/2=62mm。

木模塊的斷面長(zhǎng)寬的確定：Φ89mm套管與Φ140mm套管之間最小間隙為Φ140mm套管內(nèi)半徑R2與Φ89mm套管外半徑r1之差，R2-r1=17.5 mm，木模塊的斷面長(zhǎng)寬必須小于17.5mm，否則木模塊不能進(jìn)入Φ89mm套管與Φ140mm套管之間，確定木模斷面長(zhǎng)寬10～15 mm。

封堵初期，仍發(fā)現(xiàn)花生、黃豆、綠豆、海帶、鋸末小骨料沖出，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)木模、海帶。繼續(xù)加注骨料封堵，發(fā)現(xiàn)水量減小后，不再加木模與海帶，但仍加花生、黃豆、綠豆、鋸末骨料進(jìn)行封堵。不出水后，直用稠水泥漿直接向供水孔內(nèi)施壓進(jìn)行封堵。由于鉆孔位于富水單元，鉆孔水量大，注漿上壓困難，通過(guò)計(jì)算孔內(nèi)體積約1.5m3，決定對(duì)鉆孔注完6噸水泥后將不繼續(xù)注漿。至此對(duì)鉆孔封堵全部結(jié)束，歷時(shí)18天。

5 供水孔封堵經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景分析5.1 經(jīng)驗(yàn)

(1)高壓大水量鉆孔發(fā)生破損后，在高壓大水量沖涮作用下，套管斷裂裂縫進(jìn)一步加大，鉆窩底鼓造成底板破碎加劇，導(dǎo)水通道更加暢通。

(2)堵水骨料花生、黃豆、綠豆、海帶在高壓大水量作用下，會(huì)壓碎壓爛。

(3)受底板破碎影響和氣腿式鑿巖機(jī)能力限制，鉆眼施工深度不深。

(4)鉆窩底板出水量大時(shí)，化學(xué)漿還沒(méi)有凝固就被被沖出，不能采用化學(xué)漿進(jìn)行底板加固。

(5)高壓大水量鉆孔封堵時(shí)，必須防止孔口裝置及上部套管射出。對(duì)鉆窩進(jìn)行澆筑是最安全的方法。

(6)木模塊加工方便、比重小、強(qiáng)度大，對(duì)封堵大裂隙可起到關(guān)鍵作用。

5.2 創(chuàng)新點(diǎn)

高壓大水量破損嚴(yán)重鉆孔封堵，用木模作為大骨料，對(duì)封堵大裂隙可起到關(guān)鍵作用。木模作為大骨料與中小骨料均勻配置，可以有效防止木模堆積堵孔。

5.3 前景分析

通過(guò)本次對(duì)高壓富水破損嚴(yán)重的水源孔成功封堵，探索了高壓富水破損嚴(yán)重鉆孔封堵技術(shù)，摸索出封堵技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，治理了一起破損鉆孔誘導(dǎo)奧灰出水事故，取得了極為明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，具有較高的推廣價(jià)值。

5.4 效益分析

(1)通過(guò)對(duì)新屯礦2#供水孔的封堵，避免了鉆孔導(dǎo)通奧灰水引發(fā)水害事故，為礦井消除了巨大的安全隱患。

(2)如不及時(shí)對(duì)供水孔進(jìn)行封堵，每年浪費(fèi)394萬(wàn)立方米的優(yōu)質(zhì)水資源，每年增加213萬(wàn)元的排水費(fèi)用。

(3)通過(guò)對(duì)新屯礦2#供水孔的封堵，探索了高壓富水破損嚴(yán)重鉆孔封堵技術(shù)，摸索出封堵技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，在封堵技術(shù)上有了新的突破。