割孔注漿技術(shù)在大海則煤礦水害治理中的應用

牛青河

（中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000）

陜蒙地區(qū)的白堊系和侏羅系地層以軟巖層為主，相當一部分為極軟巖，巖樣單向極限抗壓強度絕大多數(shù)＜10MPa，同時巖層膠結(jié)差、裂隙發(fā)育，是良好的儲水、導水介質(zhì)，在這種地層中凍結(jié)孔鉆孔完整，上部沒有很好隔水層，凍結(jié)孔和凍結(jié)管之間的環(huán)形空間不能有效充填，凍結(jié)完成后凍結(jié)孔很容易成為導水通道，造成下部地層涌水量加大，巨大的水壓力造成馬頭門結(jié)構(gòu)破壞，大量漏水，而此時礦井臨時排水系統(tǒng)能力不夠，很容易造成淹井。

1 工程概況

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)，立井開拓，工業(yè)廣場內(nèi)布置主井、副井、一號風井、二號風井四個立井井筒，均采用全深凍結(jié)法施工，井壁結(jié)構(gòu)為雙層井壁。

二號回風立井井底馬頭門施工結(jié)束后，北側(cè)馬頭門出現(xiàn)涌水，涌水量初期30m3/h，最大達到160m3/h，井筒水位上升至距井口178m趨于靜止，造成北馬頭門左側(cè)局部混凝土開裂脫落、鋼筋彎曲。為治理水患，根據(jù)專家組論證意見，決定在二號回風立井井筒凍結(jié)壁自然解凍后，采取在凍結(jié)管內(nèi)進行割孔注漿封堵導水通道，進一步充填封閉環(huán)形孔間，隨后對礦區(qū)內(nèi)其他主立井、副立井及一號回風立井井筒三井進行割孔注漿，確保礦井的安全生產(chǎn)。

2 水文地質(zhì)情況

大海則煤礦水文地質(zhì)單元屬于鄂爾多斯高原碎屑巖孔隙裂隙水亞區(qū)，區(qū)內(nèi)無地表河流。根據(jù)井田勘察地質(zhì)報告，井田內(nèi)主要含水層組有：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q31s）潛水含水層（均厚27m）、白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）潛水及承壓水含水層（均厚297m）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）承壓水含水層（平均78m）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）承壓水含水層（平均183m）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）承壓水含水層（平均227.98m），其中泥巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為隔水層。

檢查孔深度揭露范圍內(nèi)，自上而下分布10個含水層，最大涌水量預測383.3m3/h。

3 施工方案

根據(jù)井筒檢查孔和井筒實際揭露地質(zhì)資料，確定在-500m（侏羅系中統(tǒng)直羅組底板，目的是封堵直羅組含水層，管內(nèi)充填臨界面）、-341m（白堊系底部即侏羅系中統(tǒng)安定組，目的是封堵白堊系含水層）兩處分別進行割孔注漿。

注漿順序為上行式，即自下而上逐段進行，每個孔上層割孔注漿完成時（一般以地表返漿為標志，如果漿液沿第四系底部巖層擴散，到地表不返漿，漿液注入量大于20m3、注漿終壓達到設(shè)計值為止），注漿封閉全孔。

注漿管掃孔及注漿順序根據(jù)現(xiàn)場條件科學合理調(diào)整，按組分別進行，掃孔完成后原則上每兩個對稱孔同時進行割孔注漿。按照“先北側(cè)馬頭門附近凍結(jié)孔（測溫孔），最后其他凍結(jié)孔”的順序進行注漿，并隨時檢驗注漿效果。

3.1 破管方式確定

采用ND-S140型水力式內(nèi)割刀對凍結(jié)管進行破管作業(yè)，采用XY-44A型鉆機配合機架進行鉆進及升降。凍結(jié)管的選擇為井筒的主凍結(jié)深孔和測溫孔的深孔，共47個主凍結(jié)管，2個測溫孔。二號回風立井凍結(jié)孔平面布置如圖1所示。

其他井筒凍結(jié)管破管方案相同。

圖1 二號回風立井凍結(jié)孔平面布置圖

3.2 水力式內(nèi)割刀原理

ND-S140型水力式內(nèi)割刀是一種利用水馬力來推動割刀進行管內(nèi)切割的工具，它較機械式內(nèi)割刀簡單，修理更為方便，切割更為快速。將水力式內(nèi)割刀從凍結(jié)管內(nèi)下入到施工層位要求的切割深度，泥漿泵將高壓液體泵入水力割刀體內(nèi)，高壓液體通過活塞內(nèi)的噴嘴產(chǎn)生壓降，推動活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，從而活塞桿下端推動三個割刀片向外張開與凍結(jié)管內(nèi)壁接觸，張開的三個割刀片隨同切割鉆具順時針旋轉(zhuǎn)，將凍結(jié)管割斷。形成凍結(jié)管與環(huán)形空間的注漿連通通道，將漿液從凍結(jié)管中空擠入凍結(jié)管與地層環(huán)形空間，達到封堵凍結(jié)管環(huán)形空間的目的，切斷馬頭門以上含水層之間的水力聯(lián)系。水力式內(nèi)割刀原理如圖2所示。

圖2 水力式內(nèi)割刀

3.3 使用方法

（1）將內(nèi)割刀接于鉆柱上，下到設(shè)計深度，切割孔段應避開接頭、接箍。

（2）在下水力式內(nèi)割刀以前，應當用適合內(nèi)割刀通過的鉆頭通孔一次，鉆頭直徑不得小于工具限位扶正套外徑。在通孔過程如有輕微遇阻，可轉(zhuǎn)動鉆具劃過，直至無阻卡現(xiàn)象為止。通孔至設(shè)計位置，大排量循環(huán)洗井，將井內(nèi)雜物沖洗干凈。

（3）工具入孔前應在孔口做試驗，以檢驗工具的可靠性及刀片張開前后的泵壓變化值，并做好記錄，為判斷井下情況提供參考。

（4）試驗好后，再用Φ2mm鐵絲將刀片捆好，以防在下鉆過程將刀片的刀尖碰壞，造成切割作業(yè)的失敗。

（5）鉆具組合，在工具的上部應接專用的螺旋扶正器，在扶正器以上再接足夠長度的鉆鋌，以增強工具工作的穩(wěn)定性。

（6）下鉆過程，操作要平穩(wěn)，并控制下放速度，以防損壞刀片。

（7）將工具下至預定位置，先啟動轉(zhuǎn)向卡盤，鉆柱旋轉(zhuǎn)正常后，方能開泵，當高壓液體流經(jīng)噴嘴時，在噴嘴處產(chǎn)生壓降，對活塞產(chǎn)生推力，活塞下行，推動刀片伸向管壁，就可以切割管體了。在切割中不要再調(diào)整泵壓，以防切割不穩(wěn)，損壞刀片，轉(zhuǎn)速以50～60r/min為宜。

（8）當管壁被完全切斷，刀片完全張開，由于調(diào)壓桿的作用，壓力將下降2MPa左右，當扭矩值復原（即無反扭矩出現(xiàn)），表明切割完成。此時可以停泵，停止轉(zhuǎn)動鉆具，使割刀恢復初始狀態(tài)。應先緩慢上提 30～50mm，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)幾分鐘，這樣有助于刀片收攏，然后起鉆。將割刀起出孔外。

3.4 其他及安全注意事項

為了滿足水力式內(nèi)割刀能夠順利通過凍結(jié)孔，到達設(shè)計層位，孔內(nèi)有回填的水泥塞，需要對凍結(jié)孔進行掃孔處理。首先選擇Φ108mm或Φ89mm鉆頭進行掃孔，通孔至割管設(shè)計位置，在通孔過程如有輕微遇阻，可轉(zhuǎn)動鉆具劃過，直至無阻卡現(xiàn)象為止。通孔至設(shè)計位置，大排量循環(huán)洗井，將井內(nèi)雜物沖洗干凈。割孔作業(yè)必須保證管內(nèi)有充足的循環(huán)水，第一層位割孔注漿結(jié)束后，壓入定量清水（約4.5m3）頂替水泥漿液至第二層位割孔位置，而后下割刀進行割孔，每次割孔結(jié)束后需進行風水置換，以保證注漿效果。

3.5 注漿材料

以水泥單液漿為主，水灰比為0.5:1～1:1，水泥標號為P.O 42.5。根據(jù)漿液現(xiàn)場測試情況可配有少量添加劑以增加強度，控制凝結(jié)時間。對個別注漿困難的層段，注漿前先注水玻璃預處理。

3.6 注漿壓力

注漿終壓暫按各割孔層位靜水壓力的1.8倍進行計算，各層位最大注漿終壓見表1。

表1 注漿壓力與注漿深度對應表

具體注漿終壓應根據(jù)實際注漿效果，實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)整，保證井壁質(zhì)量不受影響。

3.7 注漿步驟

漿液制作、注漿、化驗等工作均在井口注漿站完成。注漿時，設(shè)專人觀測注漿壓力，注漿操作主要步驟如下：

掃孔通井→第一段高割管→第一段高管外充填注漿→第二段高割管→第二段高注漿及二次封孔。

由于主、副及一號回風立井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件與二號回風立井相似，采用的施工設(shè)備及施工工藝相同，在此不再重復敘述。

4 注漿效果分析

4.1 注漿量分析

二號回風立井出水側(cè)北馬頭門9個凍結(jié)管設(shè)計注漿量225m3，實際完成384.46m3，實際注漿量大于設(shè)計量159.46m3（僅有少量漿液返回地面），各孔的吸漿量均大于設(shè)計量，說明凍結(jié)管的環(huán)形空間得到充分充填。

4.2 四井注漿前后涌水量變化及材料消耗

表2 注漿前后涌水量變化及材料消耗

主、副、一號回風、二號回風立井井筒實際注漿施工中，注漿終壓、注漿量均超過了設(shè)計要求。各孔注漿終壓均大于靜水壓力的1.8倍，大于設(shè)計值。凍結(jié)管漿液返至地面，其他孔注漿期間壓力穩(wěn)步上升，割孔注漿帷幕工程中在這個壓力范圍內(nèi)漿液圍繞環(huán)空的擴散距離達到預期效果。

5 結(jié)論

（1）采用割孔注漿技術(shù)有效治理了大海則礦井水害，封堵了出水源頭，為陜蒙地區(qū)類似地質(zhì)條件施工、水害治理提供了經(jīng)驗。

（2）利用原凍結(jié)孔進行割孔注漿，使地面注漿取消了造孔工序，減少了施工時間，節(jié)省了工程費用，保證了施工安全及井筒的正常使用。

（3）利用凍結(jié)孔割孔注漿對預定地層加固，實現(xiàn)了井壁堵漏，彌補了壁間注漿的不足，達到了較好的封水及圍巖加固效果。

（4）割孔注漿較其他注漿技術(shù)，安全可靠，不占用井筒空間，有利于井上下的平行作業(yè)