城郊礦水文孔高壓出水封堵方案研究

王傳永

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600）

城郊礦井下主采煤層的平均厚度為6.4 m，煤層的平均傾角為3.7°，煤層的夾矸層為砂質(zhì)泥巖，直接頂為砂巖，平均厚度為2.9 m，直接底為泥巖、平均厚度為6.1 m，煤層的基本頂板為細(xì)砂巖，為富含水層，巷道掘進(jìn)過程中將穿過部分富水區(qū)。通過觀察，在巖層的石炭系第十四層灰?guī)r7號水文孔處經(jīng)常出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，該水文孔的最大直徑為135 mm，距離巷道頂板的位置約為1.7 m，涌水量約為4.7 m3/h，水壓約為3 MPa，屬于典型的水文孔高壓出水。最初采用了止水塞堵水方案，但效果不理想，漏水現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)，給煤礦井下綜采作業(yè)安全造成了較大的威脅。

結(jié)合水文孔的實(shí)際情況，工程處提出了一種新的止水塞+注漿堵漏的工藝方案。為了實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則水文孔可靠堵漏，在止水塞外側(cè)采用了加厚橡膠層方案[1]，能有效適應(yīng)不規(guī)則的水文孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)初步止水。在注漿過程中采用連續(xù)注漿和間歇式注漿相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)了堵漏安全性和快速性的統(tǒng)一。

1 堵水方案選擇

通過對7 號水文孔漏水情況分析，涌水出現(xiàn)在水文孔的右側(cè)，而且系統(tǒng)原有的排水管內(nèi)也有少量的水不斷地流出，當(dāng)關(guān)上出水截止閥后仍然有水涌出，因此初步分析是由于井下的密封法蘭破損原因?qū)е碌摹Ｍǔ３霈F(xiàn)該類事故后只需要將破損的法蘭更換即可，但是由于鉆孔的孔口實(shí)際高度是低于巷道底板的高度的，而鉆孔內(nèi)又有大量的積水，因此為了進(jìn)一步確定出水的原因，工程部人員從出水孔處進(jìn)行視頻攝像探測，利用水下攝像頭，對出水位置進(jìn)行判斷。探測發(fā)現(xiàn)法蘭處密封完好，破損出現(xiàn)在孔口管處，對其破損狀態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，該處主要是由于漏刷防水漆，導(dǎo)致該處在長期潮濕環(huán)境下腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生了管口破損，無法通過更換上部的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行堵漏。因此若采用更換破損結(jié)構(gòu)的方案，需要將底板下側(cè)約5 m 深的位置刨開，然后用切割機(jī)將破損位置整體切割后換上新的密封裝置，整個施工周期高達(dá)5 d，而且成本極高，無法滿足井下綜采作業(yè)的需求。而采用補(bǔ)焊的方案則焊點(diǎn)位置受應(yīng)力作用集中，在井下水壓作用下易開裂，無法滿足長期運(yùn)行可靠性的需求。因此對多種堵漏方案進(jìn)行分析后選擇了經(jīng)濟(jì)性和效率較為平衡的止水塞+注漿堵漏的工藝方案，先用止水塞阻絕地下水，然后在管道的周圍注入注漿料，既能夠?qū)崿F(xiàn)快速堵漏，又能夠保證長期密封效果。

2 止水塞堵孔

7 號水文孔由于長時間浸沒在水中，在鉆孔下側(cè)約5 m 的位置產(chǎn)生了大量的坍塌，存在大量的碎石，無法安裝止水塞。因此首先利用沖擊式鉆機(jī)對水文孔塌方的位置進(jìn)行擴(kuò)孔處理，清除內(nèi)側(cè)的塌方和碎石。在設(shè)置止水塞時發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的止水塞外側(cè)的橡膠層較薄，當(dāng)鉆孔不規(guī)則時難以達(dá)到完全封堵的目的。因此在對該高壓水文孔進(jìn)行堵孔時，采用了加厚的止水塞，塞長1.8 m，直徑為110 mm，止水塞的內(nèi)部骨架為直徑60 mm 的鋼管，橡膠層的厚度為25 mm，比正常止水塞橡膠層厚度增加了50%，和水文孔配合時的單邊過盈量約為3 mm，能夠和孔壁完全貼合，確保了封堵時的可靠性。止水塞的結(jié)構(gòu)如圖1[2]。

圖1 止水塞裝配結(jié)構(gòu)示意圖

在安裝止水塞的過程中要先在止水塞內(nèi)管上側(cè)設(shè)置一個球閥，然后利用抱箍將球閥和法蘭盤連接起來，球閥需要處于關(guān)閉狀態(tài)，避免在安裝止水塞的過程中高壓水噴出。止水塞的外側(cè)可以適當(dāng)涂抹凡士林，增加裝配時的潤滑性，止水塞裝配到位后將彎管、高壓連接軟管和注漿泵進(jìn)行連接，為后續(xù)的注漿堵漏做準(zhǔn)備。

3 注漿堵漏

為了提高注漿液的輸送效率，降低輸送成本，利用水文孔附近的運(yùn)輸順槽作為注漿站點(diǎn)，注漿泵采用BW-250/7 型注漿泵[3]。為防止?jié){液在注漿過程中凝固，在注漿站內(nèi)設(shè)置了攪拌機(jī)，以2 r/min 的速度進(jìn)行均勻攪拌。

由于水文孔內(nèi)水的壓力為3 MPa，為了避免在注漿過程中高壓水噴出，對多種注漿壓力進(jìn)行了實(shí)驗驗證，最終確認(rèn)當(dāng)注漿壓力為4.5 MPa 時具有最佳的注漿性能。在對注漿材料選擇時結(jié)合成本和凝固速度，選擇了高強(qiáng)度快干水泥。為了提高封堵效果和凝固速率，在水泥料中增加了促凝劑、膨脹劑及碎石，以確保注漿料在注料后24 h 內(nèi)凝結(jié)完畢，顯著提升注漿堵漏的封堵效果。

在進(jìn)行注漿過程中采用連續(xù)注漿方案，若中間出現(xiàn)漏水情況則可進(jìn)行間歇式注漿，提高注漿封堵的可靠性。注漿料應(yīng)該先選用稠一點(diǎn)的注漿料，待注漿完成60%后再逐漸降低注漿料的密度，避免前期注漿料因密度過小和水接觸后無法凝固，影響堵漏效果。

本次對7 號水文孔的注漿堵漏共采用水泥注漿料約1500 kg，在注漿壓力為4.5 MPa 的情況下經(jīng)過12 h 全部注漿完成。經(jīng)過25 h 后對注漿料的凝固情況進(jìn)行檢查，注漿料已完全凝固。完成后在水文孔的頂部和底部套管處利用壓板和錨固螺栓進(jìn)行加固，加固結(jié)構(gòu)如圖2[4]。

圖2 水文孔封堵后套管加固結(jié)構(gòu)示意圖

4 堵漏效果分析

利用止水塞+注漿堵漏的工藝對水文孔進(jìn)行堵漏，從鉆孔到完成堵漏的周期約為72 h，傳統(tǒng)堵漏方案的堵漏周期約為120 h，因此比采用傳統(tǒng)鉆孔堵漏方案效率提升了60%以上，同時堵漏一次成功率由56.4%提升到了97%，比優(yōu)化前提升了72%。在堵漏后未再出現(xiàn)復(fù)漏的情況，確保了城郊礦井下綜采工作面安全開采，目前該方案已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

為解決城郊礦井下水文孔高壓出水問題，采用止水塞+注漿堵漏工藝方案，止水塞外層采用彈性橡膠體結(jié)構(gòu)，能有效適應(yīng)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的水文孔。在注漿過程中采用連續(xù)注漿和間歇式注漿相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)了安全、快速堵漏性的目的，根據(jù)應(yīng)用表明：

（1）對該高壓水文孔進(jìn)行堵孔時，采用加厚止水塞，橡膠層的厚度為25 mm，比正常止水塞橡膠層厚度增加了50%，和水文孔配合時的單邊過盈量約為3 mm，能夠和孔壁完全貼合，確保了封堵時的可靠性。

（2）為了防止?jié){液在注漿過程中凝固，在注漿站內(nèi)設(shè)置了攪拌機(jī)，以2 r/min 的速度進(jìn)行均勻攪拌。注漿壓力為4.5 MPa 時具有最佳注漿效果。

（3）水泥:促凝劑:膨脹劑=8:1.5:0.5，能夠確保注漿料在注料后24 h 內(nèi)凝結(jié)完畢，顯著提升了注漿堵漏的封堵效果。

（4）新的水文孔堵水方案從鉆孔到完成堵漏的周期約為72 h，比采用傳統(tǒng)的鉆孔堵漏方案效率提升了60%，堵漏一次成功率提升到了97%。