高承壓水文鉆孔突水事故快速處理技術(shù)及應(yīng)用

王 鵬

（永煤集團(tuán)股份有限公司順和煤礦，河南 永城 476600）

井下水文地質(zhì)鉆孔的結(jié)構(gòu)一般為止水套管護(hù)壁，高壓閘閥控制出水的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)施工操作簡(jiǎn)單，成孔率高，能夠有效地保證鉆孔施工安全，便于收集含水層水文地質(zhì)信息，因而被廣泛使用。然而在鉆孔的使用過程中，由于鉆孔施工質(zhì)量管控不到位、地壓等多種因素影響易造成鉆孔突水事故。如何快速、安全、經(jīng)濟(jì)地處理高承壓水文鉆孔突水事故是有效避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大為水災(zāi)的關(guān)鍵。

1 概況

1.1 工程概況

順和煤礦是永城煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司在永城本部開發(fā)建設(shè)的第五對(duì)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6Mt/a。礦井主采煤層為二疊系山西組二2 煤，水文地質(zhì)類型為中等。二2 煤層開采期間直接充水水源為山西組碎屑巖類含水層中的煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，水交替條件極差，為弱含水層，主要以消耗靜儲(chǔ)量為主，補(bǔ)給源不足，易于疏干。間接充水含水層為石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，含水層組主要含水層為灰?guī)r，次為砂巖，其間夾有泥巖和砂質(zhì)泥巖?；?guī)r有11 層，厚度變化大，灰?guī)r單層厚度0.50 ～21.54m，各層灰?guī)r總平均厚度51.47m，局部層位缺失，富水性一般，屬巖溶裂隙承壓中等含水層。

為緩解礦井供水水壓、水量不足的局面，同時(shí)查明太原組灰?guī)r與二2 煤層間距，收集太原組灰?guī)r相關(guān)水文地質(zhì)信息，礦井在-702m 水平西翼膠帶運(yùn)輸大巷Ⅱ段施工水文地質(zhì)鉆孔1 個(gè)，即XGS1 孔。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工藝

鉆孔設(shè)計(jì)開孔層位位于二2 煤層，設(shè)計(jì)傾角-70°，鉆孔采用三級(jí)套管結(jié)構(gòu)。開孔采用Φ155mm 鉆頭，一級(jí)管Φ146mm，長(zhǎng)度20m；二級(jí)管Φ127mm，長(zhǎng)度30m；三級(jí)管Φ108mm，長(zhǎng)度40m。鉆孔終孔直徑為Φ92mm，鉆孔施工結(jié)構(gòu)及地質(zhì)剖面圖如圖1 所示。XGS1 孔于2018 年8 月份施工完成，鉆孔終孔孔深199m，于孔深195m 處出水65m3/h，實(shí)測(cè)水壓5.0MPa，水溫41℃，鉆孔水量穩(wěn)定。

1.3 鉆孔突水事故情況

鉆孔使用過程中，2019 年6 月發(fā)現(xiàn)鉆孔施工地點(diǎn)巷道幫部多處裂隙內(nèi)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，水色清澈，水溫41℃，水量呈逐步增大趨勢(shì)，8h 后巷道幫部裂隙出水量增大至5m3/h。16h 后鄰近巷道幫部和底板新增2 處出水點(diǎn)，共計(jì)出水量約10m3/h。發(fā)現(xiàn)上述異常水文地質(zhì)情況后，為防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，將鉆孔全部打開進(jìn)行疏水泄壓。鉆孔打開后出水點(diǎn)處水量明顯減小，由此判斷，XGS1 孔發(fā)生孔內(nèi)事故造成突水。

1.4 鉆孔突水事故原因分析

XGS1 孔鉆場(chǎng)處于-702m 水平膠帶運(yùn)輸大巷Ⅰ段與Ⅱ段交岔口處，巷道為大斷面施工，巷寬5.0m，高4.0m，施工層位為二2 煤頂板。巷道四鄰施工有采區(qū)避難硐室及西翼軌道大巷Ⅱ段，巷道密集，埋深較深，應(yīng)力較為集中。巷道布置層位距離煤層較近，圍巖工程力學(xué)性質(zhì)差，且受集中的地應(yīng)力影響，壓力顯現(xiàn)明顯。在鉆孔施工前該處巷道即出現(xiàn)漿皮開裂、脫落和底鼓變形現(xiàn)象。鉆孔施工結(jié)束后受巷道持續(xù)壓力顯現(xiàn)影響，鉆孔附近底板巖石裂隙活化，鉆孔水沿裂隙導(dǎo)升涌出，造成突水事故。

2 治理方案的制定

高承壓水文鉆孔涌水失控是造成突水事故的主要原因，涌水失控止水套管的作用失效，對(duì)事故鉆孔既不能關(guān)閉孔口閘門控制水，又不能直接注漿封堵突水裂隙及突水點(diǎn)。因此想要快速地對(duì)突水鉆孔處理，往往從修理加固巷道，然后考慮鉆孔附近底板進(jìn)行淺層加固等保守的方案進(jìn)行處理，處理時(shí)間長(zhǎng)，不利于事故的快速消除，甚至?xí)r間耽擱造成事故的擴(kuò)大。基于上述情況，在此采用了疏水讓壓下設(shè)次一級(jí)止水套管注漿封孔的辦法快速進(jìn)行處理。

（1）讓壓疏水下次一級(jí)止水套管：采用頂水的方式下設(shè)次一級(jí)止水套管。該操作可行的關(guān)鍵在于保證鉆孔涌水暢通，高壓水流處于敞開疏水放壓的狀態(tài)，水流對(duì)套管的阻滯力小，保證套管順利下放至預(yù)想位置。次一級(jí)套管長(zhǎng)度應(yīng)超過上一級(jí)套管長(zhǎng)度，且超過造成突水的裂隙點(diǎn)位置。原則上超過長(zhǎng)度以不低于20m 為宜。

（2）讓壓疏水注漿加固次一級(jí)止水套管：注漿加固套管是處理事故的關(guān)鍵，采用讓壓的方式進(jìn)行注漿，從次一級(jí)套管的外壁注漿，在讓壓的前提下漿液沿著套管之間的間隙向下滲透后，逐漸代替管壁間充填的水。鉆孔內(nèi)的高承壓水流從次一級(jí)套管中疏水，保證了漿液沿裂隙擴(kuò)散，一方面將套管外壁進(jìn)行充填加固，另一方面將突水裂隙進(jìn)行隔離。

（3）止水套管加固質(zhì)量檢驗(yàn)：注漿凝固后，采用注漿設(shè)備對(duì)止水套管做耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢驗(yàn)套管的加固質(zhì)量，以及鉆孔周圍突水裂隙的隔離封堵情況。

（4）高壓注漿封堵鉆孔，完成鉆孔突水事故的處理。

3 治理方案的實(shí)施

3.1 疏水讓壓下止水套管

根據(jù)XGS1 孔鉆孔的結(jié)構(gòu)，本次對(duì)鉆孔事故處理采用了Φ73mm 的無縫管作為次一級(jí)套管。鉆孔通過疏水讓壓下管，下入Φ73mm 套管長(zhǎng)度88m，超過鉆孔三級(jí)套管Φ108mm 套管長(zhǎng)度44m。套管下入后觀察鉆孔周圍突水點(diǎn)水頭及水量有明顯降低，由此判斷次一級(jí)套管下設(shè)長(zhǎng)度已超過造成突水事故的裂隙發(fā)育點(diǎn)位置，套管下設(shè)長(zhǎng)度合理，效果良好。

3.2 讓壓疏水注漿加固次一級(jí)止水套管

注漿加固套管采用4 寸雙法蘭盤注漿裝置，裝置安裝結(jié)構(gòu)為Φ108mm 套管、Φ73mm 套管同心安裝法蘭盤，Φ108mm 套管法蘭盤上帶有注漿偏嘴。注漿裝置安裝完畢后，鉆孔涌水自Φ73mm 套管內(nèi)涌出，對(duì)鉆孔疏水泄壓。注漿時(shí)始終保持Φ73mm套管內(nèi)涌水泄壓正常。注漿采用雙液固管技術(shù)，即“水泥漿+水玻璃”的雙液漿注漿。該材料具有微膨脹性、速凝性，有效地克服了單液埋管結(jié)石率低、終凝時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，大大節(jié)約了加固套管凝固時(shí)間。注漿時(shí)雙液水泥漿自注漿接頭進(jìn)入Φ108mm 套管、Φ73mm 套管管壁之間，漿液混合后逐步將管壁之間的水替代，最終充填為雙液水泥漿。由于鉆孔處于敞開疏水泄壓狀態(tài)，漿液擴(kuò)散至Φ73mm 套管末端后在涌水的作用下自Φ73mm 套管內(nèi)隨水流返出。此時(shí)可以證明雙液漿已將Φ108mm 套管、Φ73mm套管管壁之間的水置換為雙液水泥漿。漿液凝固膨脹后形成強(qiáng)度，將次一級(jí)套管凝固。XGS1 孔注漿加固Φ73mm 套管采用P.O425 普通硅酸鹽水泥，水灰重量比W ∶C=1:1 ～1:1.2；水玻璃（38 ～40Be′）與水泥漿液體積比為S:C=0.3:1 ～0.5:1，共計(jì)使用水泥0.85t，水玻璃30kg,注漿過程中雙液漿自孔內(nèi)順利返出，注漿終壓12MPa。注漿期間隨著漿液的運(yùn)移擴(kuò)散，巷道幫部裂隙出水量減小，注漿結(jié)束時(shí)，裂隙跑水已全部被有效封堵。套管注漿加固示意圖如圖1 所示。

圖1 注漿加固套管示意圖

3.3 止水套管加固質(zhì)量檢驗(yàn)

Φ73mm 套管注漿加固完成后，雙液漿的速凝性使得加固套管的凝固時(shí)間縮短了24h，注漿結(jié)束后將鉆孔進(jìn)行24h 的凝固后即可對(duì)鉆孔進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采用2ZBQ-3/21 礦用風(fēng)動(dòng)注漿泵清水試壓，根據(jù)鉆孔水壓為5MPa、注漿終壓為12MPa，將試壓標(biāo)準(zhǔn)定為12MPa，穩(wěn)壓30min，有效證明了Φ73mm 套管成功有效地進(jìn)行了加固，將突水裂隙成功隔離（注漿同時(shí)進(jìn)行了充填封堵）。

3.4 高壓注漿封堵鉆孔

在對(duì)止水套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)質(zhì)量檢驗(yàn)后，礦井采用地面注漿站對(duì)鉆孔進(jìn)行了注漿封堵。地面注漿采用BWD-350/10-45 型注漿泵進(jìn)行注漿，注漿同樣采用P.O425 普通硅酸鹽水泥，漿液濃度為1.28 ～1.32t/m3，注漿終壓為10MPa，鉆孔注漿共計(jì)15t，有效地將鉆孔進(jìn)行了封堵。封堵后鉆孔周圍出水裂隙均得到了封堵，無跑水現(xiàn)象，成功處理了事故。

4 結(jié)論

（1）采用疏水讓壓注漿，明確漿液的運(yùn)移路線，充分明確施工的關(guān)鍵點(diǎn)，確保了套管加固質(zhì)量及突水裂隙有效隔離封堵。根據(jù)事故特點(diǎn)制定了詳細(xì)的處理方案，安全、快速完成鉆孔封堵，成功處理鉆孔突水事故，保障了礦井安全生產(chǎn)。

（2）通過分析高承壓水鉆孔突水的特點(diǎn)，提出疏水讓壓的人工下套管方法，避免了上設(shè)備、上工程的繁瑣及人力、物力的大量投入。鉆孔事故處理及時(shí)，針對(duì)性強(qiáng)，與以往的技術(shù)路線相比較，工期及成本投入大大降低。

（3）疏水讓壓下止水套管的快速處理技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在煤礦底板注漿改造鉆孔、供水孔施工具有較好的參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

（4）疏水讓壓下止水套管處理事故鉆孔是一種保守、快速有效的手段，在確保質(zhì)量可靠的前提下，鉆孔套管下設(shè)成功保證了鉆孔結(jié)構(gòu)完好，使鉆孔可以繼續(xù)使用，起到了修復(fù)鉆孔、延長(zhǎng)使用壽命的作用。