城郊煤礦井下水文長觀孔施工技術(shù)

臧　彬　王傳永　李向陽　汪　佩

(河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦)

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城郊煤礦井下水文長觀孔施工技術(shù)

臧彬王傳永李向陽汪佩

(河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦)

摘要為收集城郊井田石炭系太原組各灰?guī)r含水層相關(guān)水文地質(zhì)信息，補(bǔ)充太原組灰?guī)r上、中、下各段水文資料，同時(shí)兼做井下供水水源，在井田西北翼施工石炭系太原組下段灰?guī)r水文長觀孔。鉆孔自上而下需穿過L11～L2共10層灰?guī)r，且鉆孔傾角大、套管長，施工難度大。通過實(shí)施導(dǎo)向開孔、防墜器下管、淺部注漿加固、逐層注漿等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對鉆孔施工各環(huán)節(jié)的有效掌控，保障了順利施工，提高了鉆孔的施工質(zhì)量和施工效率，確保了后期觀測效果，從而為礦井水害防治工作提供了可靠的依據(jù)，也為礦井后續(xù)水文觀測孔和供水孔的施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞長觀孔淺部加固逐層注漿水害防治

煤礦井下水文長觀孔是直接設(shè)于井下，從巷道垂直向深部含水層施工，長期觀測含水層水位的鉆孔[1]，相較于地面水文長觀孔，井下水文長觀孔具有施工成本低、易保護(hù)、可兼做供水水源、不留或少留煤柱等優(yōu)點(diǎn)[2]。通過井上、下分別布置多個(gè)長觀孔，可建立起井上、下水文觀測系統(tǒng)，對地下水進(jìn)行動態(tài)觀測，掌握其水位、富水性等變化情況，從而為礦井水害防治工作提供可靠的依據(jù)。

1工程概況

城郊煤礦于2003年正式投產(chǎn)，2009年核定生產(chǎn)能力為500萬t/a，主要開采二疊系山西組二2煤層，采用立井兩水平上下山開拓方式，混合式通風(fēng)系統(tǒng)。礦井水文地質(zhì)類型為中等，屬瓦斯礦井。

城郊井田經(jīng)過十多年的開采，水文地質(zhì)條件日趨多變。為收集井田石炭系太原組各灰?guī)r含水層相關(guān)水文地質(zhì)信息，補(bǔ)充太原組灰?guī)r上、中、下各段水文資料，為井田西北翼防治水工作提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù)，同時(shí)兼做井下供水水源，結(jié)合礦井水文觀測孔分布現(xiàn)狀，決定在西北軌道運(yùn)輸巷內(nèi)施工太原組下段灰?guī)r長觀孔。

2長觀孔設(shè)計(jì)

2.1施工層位選擇

鉆孔布置在西北軌道運(yùn)輸巷530 m處鉆場內(nèi)，開孔層位為二2煤層底板下23 m的細(xì)粒砂巖中。鉆孔終孔選擇進(jìn)入太原組下段L2含水層底部，根據(jù)井田勘探資料，L2含水層(K2標(biāo)志層)賦存穩(wěn)定，且厚度大(約10 m)，富水性強(qiáng)，預(yù)計(jì)鉆孔實(shí)際涌水量不小于50 m3/h，孔口水壓不小于2.5 MPa。鉆孔自上而下預(yù)計(jì)將揭露石炭系太原組L11～L2共10層灰?guī)r含水層(圖1)。

2.2鉆孔結(jié)構(gòu)

為確保鉆孔施工質(zhì)量和服務(wù)年限，鉆孔設(shè)計(jì)下入2級套管，一級管和二級管分別為φ127 mm、φ108 mm無縫不銹鋼鋼管，全孔采用無芯鉆進(jìn)。 結(jié)合水文觀測和供水需要，鉆孔終孔前揭露的L11～L2含水層將采用逐層注漿技術(shù)封堵，而L11～L8含水層段將下入φ108 mm無縫不銹鋼套管隔絕，以封堵其與下部含水層之間水力聯(lián)系。

2.3鉆孔參數(shù)

根據(jù)鉆孔平面布置以及開孔和終孔層位計(jì)算鉆孔施工方位、傾角、孔深及套管長度，見表1。

2.4施工工藝

鉆孔施工工藝：開孔→下套管→埋管→做耐壓試驗(yàn)→淺部加固→鉆進(jìn)→出水注漿→終孔起鉆→安壓力表→觀測。鉆孔施工工藝各環(huán)節(jié)既是獨(dú)立的，也是有機(jī)統(tǒng)一的整體，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)狀況都將影響鉆孔施工質(zhì)量乃至后期觀測效果[3]。

3水文長觀孔施工

3.1前期準(zhǔn)備

施工前在鉆場安裝專用防爆電話，嚴(yán)禁占用。結(jié)合礦井實(shí)際，本次施工選用一臺ZBSB-32～120/10.5～3型注漿泵、一臺ZDY1900S型液壓鉆機(jī)及配套φ63.5 mm鉆桿。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)及柱狀圖

方位/(°)傾角/(°)孔深/m終孔層位套管規(guī)格(孔徑×長度)/mm×m11.5-70170L2含水層底部?127×14,?108×60

3.2導(dǎo)向開孔

鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)鉆、開孔，鉆孔實(shí)際方位、傾角與設(shè)計(jì)值誤差不得超過±0.5°。采用φ134 mm鉆頭開孔2 m后，及時(shí)下入φ127 mm導(dǎo)向管，待一級管埋好后，采用φ113 mm鉆頭帶φ108 mm導(dǎo)向管繼續(xù)開孔，待二級管埋好后，采用φ75 mm鉆頭正常鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)終孔位置。

3.3防墜器下管

(1)鉆孔下管前要反復(fù)順孔、洗孔，待孔內(nèi)巖粉沖洗干凈后方可按設(shè)計(jì)要求下管。如孔內(nèi)破碎，可適當(dāng)延長套管長度。

(2)下管前要對每根套管絲扣詳細(xì)檢查，且保證絲扣不變形。接箍與套管對接時(shí)，絲扣處要纏繞生料帶，確保套管密閉質(zhì)量，達(dá)到“滴水不漏”。

(3)由于鉆孔設(shè)計(jì)傾角達(dá)-70°，且二級管下管達(dá)60 m，按照每根20 kg計(jì)算，則隨著下管不斷增加，套管自重逐漸增大至1 200 kg。為了防止下管過程中套管墜入孔內(nèi)，需使用倒鏈配合套管防墜器(圖2)進(jìn)行下管。

3.4固管及耐壓試驗(yàn)

(1)加固套管前首先使用井下注漿泵向孔內(nèi)注P.O42.5水泥單液漿，水灰質(zhì)量比為1∶0.5，漿液密度為1.28 g/cm3，待孔口返出灰漿后，向孔內(nèi)注入水灰質(zhì)量比為1∶0.8、密度為1.42 g/cm3的水泥單液漿，待孔口返出水泥漿變稠后，方可停泵，確保套管加固牢固。

圖2　孔口管防墜器

(2)一級套管加固結(jié)束，漿液凝固48 h后，通過φ113 mm鉆頭配合φ108 mm導(dǎo)向管掃孔鉆進(jìn)超過一級管長度0.5 m，使用ZBSB-32～120/10.5～3型注漿泵和清水對套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，壓力必須達(dá)到10 MPa，且穩(wěn)壓30 min，同時(shí)確保管壁周圍無跑水現(xiàn)象，否則必須重新加固套管。一級管耐壓試驗(yàn)合格后，孔口必須安裝4寸高壓閘閥和防噴反壓裝置方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

(3)二級套管加固結(jié)束，漿液凝固48 h后，通過φ75 mm鉆頭掃孔超過二級管長度0.5 m，使用注漿泵和清水對套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，壓力必須達(dá)到12 MPa，且穩(wěn)壓30 min，并且管壁周圍無跑水后方可繼續(xù)施工，否則必須重新加固套管。

3.5淺部注漿加固

鉆孔鉆進(jìn)至孔深40，70 m時(shí)，必須采用水泥單液漿分別進(jìn)行一次淺部預(yù)注漿加固，其主要目的一是封堵煤層底板淺部砂巖含水層的裂隙，二是增加出水后的鉆場底板抗壓強(qiáng)度。液漿水灰質(zhì)量比為1∶0.5，密度為1.28 g/cm3，注漿終壓為7 MPa。若淺部注漿加固用水泥量超過5 t且不上壓，則改用水泥-水玻璃(38～40 °Bé，3.1～3.4 Mo)雙液漿暫時(shí)封孔，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.3，封孔終壓為12 MPa。

3.6逐層注漿

由于該長觀孔設(shè)計(jì)觀測太原組下段L2灰?guī)r含水層，為避免施工過程中提前揭露的各含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，影響觀測效果，對鉆孔進(jìn)入L2之前揭露的各含水層進(jìn)行逐層注漿處理。

鉆孔揭露含水層水量小于5 m3/h時(shí)，先利用井下注漿泵做壓水試驗(yàn)，如壓水30 min壓力超過7 MPa，利用井下注漿泵注漿，否則進(jìn)行地面注漿。鉆孔水量大于5 m3/h時(shí)，直接進(jìn)行地面注漿。注漿終壓為7 MPa，漿液凝固16 h后，方可掃孔鉆進(jìn)。

3.7數(shù)據(jù)收集

鉆孔揭露各含水層時(shí)均要收集水溫、水壓、水量等水文資料，詳細(xì)記錄鉆孔出水孔深，并取樣交生產(chǎn)技術(shù)科化驗(yàn)。井下施工現(xiàn)場配備施工原始記錄本，施工人員需將每班具體施工情況及鉆孔揭露巖性詳細(xì)記錄。鉆孔終孔起鉆后，要及時(shí)在孔口裝設(shè)壓力表，量程為6 MPa，定期觀測[2]。

3.8其他要求

施工期間需輕壓慢進(jìn)，密切注意孔內(nèi)變化情況，防止塌孔、偏孔現(xiàn)象發(fā)生。鉆進(jìn)遇軟巖或破碎帶時(shí)，應(yīng)慢速鉆進(jìn)，處理嚴(yán)重塌孔需采用螺旋鉆桿配合三翼鉆頭，以確保鉆具與孔壁間隙能夠正常返水。

4結(jié)論

(1)鉆孔下管前均帶導(dǎo)向管開孔，有效防止了開孔過程中的鉆孔偏斜現(xiàn)象。

(2)在大傾角、長套管施工條件下，采用倒鏈配合套管防墜器下管，避免了套管墜入孔內(nèi)，提高了安全系數(shù)。

(3)采用水泥單液漿實(shí)施淺部預(yù)注漿加固技術(shù)，有效封堵了煤層底板淺部砂巖含水層的裂隙，同時(shí)增加了鉆孔出水后的鉆場底板抗壓強(qiáng)度。

(4)通過對鉆孔進(jìn)入L2之前揭露的各含水層進(jìn)行逐層注漿，有效避免了各含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，保障了后期觀測效果。

(5)采用井下長觀孔施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對施工各環(huán)節(jié)的有效掌控，確保了后期觀測效果，從而為礦井水害防治工作提供了可靠的依據(jù)，也為礦井后續(xù)水文觀測孔和供水孔的施工提供了借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王春和，逯廣會. 井下水文長觀孔技術(shù)探析[J]．科技論壇，2010(4):44-45.

[2] 郭彥華，候宏亮. 井下水文長觀孔的優(yōu)點(diǎn)及存在問題分析[J].河北煤炭，2006(6):25-26.

[3] 鄒軍，丁三紅. 高水位封閉不良水文長觀孔井下治理技術(shù)與實(shí)踐[J]．煤礦安全，2013(2)：33-34．

(收稿日期2016-01-27)

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臧彬(1984—)，男，助理工程師，476600 河南省永城市西城區(qū)城郊。