煤礦井下水砂突涌鉆孔封孔技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

李曉龍

煤礦井下水砂突涌鉆孔封孔技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

李曉龍1,2,3

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

桑樹坪煤礦采取地面注骨料和井下注漿技術(shù)治理奧灰(奧陶紀(jì)灰?guī)r)巖溶陷落柱時(shí)，施工的3個(gè)常規(guī)檢查鉆孔出現(xiàn)嚴(yán)重的水砂突涌現(xiàn)象，封孔難度極大，采取向孔內(nèi)下入木楔、反絲止?jié){塞等方法均封孔失敗。針對此難題，提出帶壓頂替注漿封孔技術(shù)，首先，向孔內(nèi)注入大于套管體積的清水以確?？變?nèi)通暢，避免砂粒填充至套管內(nèi)，導(dǎo)致封孔深度未達(dá)到套管以下穩(wěn)定巖層；之后，采取低泵量向孔內(nèi)多次循環(huán)注入大于套管體積的稀水泥漿；最后，待水泥漿凝固后，采取小直徑鉆頭鉆進(jìn)至套管外以檢查大孔徑鉆孔的封孔質(zhì)量。該技術(shù)成功應(yīng)用于3個(gè)常規(guī)檢查鉆孔封堵工程，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：先期注漿封孔水泥漿液水灰比宜選取1︰1，單次候凝時(shí)間宜選取3～4 d，延長水泥漿候凝時(shí)間，可提高鉆孔封孔質(zhì)量。此技術(shù)適用于井下狹小空間作業(yè)，可防止孔口涌水涌砂，避免孔內(nèi)水砂高速流動，確保封孔質(zhì)量及人員安全，為封堵類似水砂突涌鉆孔提供技術(shù)借鑒。

定向鉆孔；涌水涌砂；帶壓頂替注漿；封孔；奧灰；注漿；桑樹坪煤礦

我國華北型煤田深受底板奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡稱奧灰)水害威脅，其中渭北煤田的韓城礦區(qū)、澄合礦區(qū)奧灰頂部隔水層極薄，偶有斷裂和陷落柱發(fā)育[1-8]。奧灰水害防治技術(shù)主要有疏水降壓、注漿改造底板隔水層、帷幕截流等。趙慶彪等[9]提出地面超前區(qū)域注漿改造治理技術(shù)，應(yīng)用效果較好，但經(jīng)濟(jì)成本較高；王蘇健等[10]針對澄合礦區(qū)薄隔水層低承壓水體上采煤，提出在煤礦井下利用常規(guī)鉆孔進(jìn)行底板注漿加固治理，以傾斜鉆孔方式施工，有效孔段短，含水層及裂隙鉆遇率低，注漿改造盲區(qū)范圍大；董書寧等[11]針對華北型煤田，提出將奧灰頂部風(fēng)化充填帶作為隔水層利用的理念，并利用煤礦井下近水平定向鉆孔超前區(qū)域治理奧灰水害，取得良好效果。治理奧灰水害過程中，采取地面注漿、注骨料(砂)的方法治理巖溶陷落柱，待治理完成后需在地面或井下施工檢查鉆孔以檢查注漿效果，但鉆孔鉆進(jìn)過程仍可能鉆遇水、砂，加之煤礦井下作業(yè)空間受限，采用常規(guī)木楔、止?jié){塞等封堵井下此類水砂突涌鉆孔效果不理想，且封孔質(zhì)量無法檢查，封堵此類鉆孔一直是礦井防治水的技術(shù)難題。

桑樹坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區(qū)最北端，主采3號和11號煤層[12-13]。其中11號煤層距奧灰含水層極近，煤層開采深受底板奧灰水害威脅。為此，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司利用井下近水平定向鉆孔超前區(qū)域治理奧灰水害[14-15]。治理過程中，探查存在奧灰?guī)r溶陷落柱，并采取地面注骨料的方案治理巖溶陷落柱，且在井下設(shè)計(jì)了多個(gè)常規(guī)檢查鉆孔驗(yàn)證治理效果，檢查鉆孔出現(xiàn)嚴(yán)重的水砂突涌現(xiàn)象，封堵此類鉆孔歷時(shí)1 a，可見該鉆孔封堵難度極大。為此，筆者以此鉆孔封堵為工程背景，研發(fā)水砂突涌鉆孔成套封孔技術(shù)，以期為類似鉆孔封堵工程提供參考。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

桑樹坪煤礦南一采區(qū)11號煤層距奧灰?guī)r層頂界面15～33 m，開采高程位于區(qū)域奧灰水位+375 m以下，煤層底板完整性較差，奧灰含水層富水性不均一，煤層回采受底板奧灰水害威脅嚴(yán)重。建礦以來共發(fā)生9次奧灰突水，突水層位主要為峰峰組二段。最嚴(yán)重的是2011年8月底板突水事故，涌水量平均為6 580 m3/h，最大涌水量達(dá)到13 200 m3/h，造成礦井淹井，可見峰峰組二段富水性極強(qiáng)。11號煤層底板含隔水層相對位置如圖1所示，11號煤層底板距奧灰頂界面厚度等值線如圖2所示。

圖1 11號煤層底板含隔水層相對位置

圖2 11號煤層底板距奧灰頂界面厚度等值線

2 水砂突涌鉆孔特征

2.1 奧灰水害防治方案

利用煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，開展11號煤層底板以下奧灰?guī)r層頂部利用與注漿改造。若奧灰頂部構(gòu)造簡單，巖溶裂隙不發(fā)育，則將其作為隔水層加以利用，若奧灰頂部構(gòu)造復(fù)雜，巖溶裂隙發(fā)育，則將其注漿改造為隔水層段[12,16]。奧灰頂部利用與注漿改造工程布置如圖3所示。

圖3 奧灰頂部利用與注漿改造工程布置

南一采區(qū)運(yùn)輸巷掘進(jìn)前，在巷道底板以下奧灰?guī)r層頂部設(shè)計(jì)ZK01定向鉆孔探查奧灰頂部含水層富水性，鉆進(jìn)至孔深365 m處，孔內(nèi)出水，涌水量115 m3/h，水壓1.2 MPa。之后圍繞該區(qū)域注漿，并在巷道外側(cè)10 m位置處設(shè)計(jì)1個(gè)定向鉆孔ZK02，在?；叵锏涝O(shè)計(jì)3個(gè)常規(guī)鉆孔1號、2號、3號，探查奧灰富水異常區(qū)。ZK02、1號、3號鉆孔均出水，2號鉆孔未見出水等異常，隨之2號鉆孔封孔。探查鉆孔參數(shù)見表1。

表1 探查鉆孔參數(shù)

2.2 巖溶陷落柱探查和治理

ZK02定向鉆孔沿巷道水平方向鉆具放空39 m，放空段到煤層底板垂距約27 m，3號鉆孔鉆具放空2.3 m，上距11號煤層底板約15.5 m。初步分析認(rèn)為，該奧灰富水異常體為巖溶陷落柱，平面形態(tài)為不規(guī)則橢圓形。由此可見，該富水異常體發(fā)育范圍較大、富水性強(qiáng)?；诰绿讲榻Y(jié)果，采取地面鉆孔灌注骨料(砂)、井下鉆孔注漿技術(shù)，治理奧灰強(qiáng)富水異常體。治理結(jié)束后，ZK01、ZK02、1號、3號鉆孔均被砂子填充，再無出水。巖溶陷落柱探查如圖4所示。

圖4 巖溶陷落柱探查

2.3 檢查鉆孔概況

巖溶陷落柱治理結(jié)束后，設(shè)計(jì)3個(gè)常規(guī)鉆孔4號、5號、6號檢查治理效果。檢查鉆孔參數(shù)見表2，鉆孔軌跡如圖4所示。

4號鉆孔鉆進(jìn)至49 m涌水涌砂，并含有少量的煤塊和水泥塊，水量為75～80 m3/h，水壓1.3 MPa。由于涌水伴隨煤塊和水泥塊，因此，基本確定富水異常體為陷落柱，且富水性極強(qiáng)。

5號鉆孔鉆進(jìn)至45.7 m涌水涌砂，繼續(xù)鉆進(jìn)至46 m，空送至47 m，最終鉆進(jìn)至47.5 m。由于孔內(nèi)出砂量較大，提鉆后鉆孔被砂堵塞。

6號鉆孔鉆進(jìn)至49.1 m出水，伴隨水砂突涌現(xiàn)象，繼續(xù)鉆進(jìn)至49.4 m，空送至49.7 m終孔，涌水量為32 m3/h，水壓為1.3 MPa。

表2 檢查鉆孔參數(shù)

4號、5號、6號鉆孔涌水量和水壓均小于初始揭露值，可見治理雖取得一些效果，但仍需繼續(xù)治理，隨后再次開展了井下和地面注漿工作。由于陷落柱水文地質(zhì)條件復(fù)雜，治理過程存在諸多不確定性，陷落柱探查治理工程量大、工期長，最終選擇留設(shè)防水煤柱，確保礦井安全掘進(jìn)，因此，需封堵水砂突涌鉆孔。

3 封孔關(guān)鍵技術(shù)

隨著治理工程的進(jìn)行，鉆孔內(nèi)的水砂涌出情況發(fā)生了變化。探查鉆孔ZK02、1號、3號雖被砂子填充，已不出水，但為確保封孔質(zhì)量，必須將孔內(nèi)砂子沖出孔外，之后采用水泥漿封孔至套管以下穩(wěn)定巖層段。檢查鉆孔4號、5號、6號均噴水噴砂，水壓1.3 MPa，且鉆孔涌水量均大于300 m3/h，封孔難度極大。因此，ZK02、1號、3號3個(gè)鉆孔采用常規(guī)掃孔沖砂注漿技術(shù)進(jìn)行封孔。4號、5號、6號3個(gè)鉆孔則在嘗試常規(guī)封孔材料、封孔技術(shù)失敗的基礎(chǔ)上，研發(fā)了帶壓頂替注漿封孔技術(shù)[17-18]。

3.1 常規(guī)掃孔沖砂注漿封孔技術(shù)

常規(guī)掃孔沖砂注漿封孔技術(shù)，即利用鉆具或者其他通水管將孔內(nèi)的砂子沖出孔外，確保套管以上無砂，之后向孔內(nèi)注入高濃度水泥漿至穩(wěn)定巖層。

利用泥漿泵和鉆具開展ZK02鉆孔掃孔沖砂，掃孔過程中鉆頭后方配帶單向逆止閥，以防鉆具內(nèi)噴水噴砂傷人，掃孔沖砂至孔深120 m未出水，隨之向孔內(nèi)注入高濃度水泥漿封孔，注漿壓力5～ 6 MPa，封孔深度遠(yuǎn)大于套管長度61.5 m。

1號鉆孔被砂子填充至孔口，借助泥漿泵和高壓膠管掃孔沖砂至套管以下，之后向孔內(nèi)注入高濃度水泥漿封孔。

3號鉆孔雖被砂子填充，但不確定填充深度，隨之利用?50 mm鍍鋅管探查填充界面，結(jié)果顯示砂子已填充至孔深25.6 m處，大于套管長度25 m，隨之向孔內(nèi)注入高濃度水泥漿封孔，注漿壓力5～ 6 MPa。

3.2 常規(guī)材料封孔技術(shù)

3.2.1 木楔封孔

針對6號鉆孔封孔工程，分別利用?90 mm× 0.9 m和?110 mm×0.5 m松木材質(zhì)的木楔，并在木楔表面纏繞海帶，借助鉆機(jī)和鉆具將木楔送入孔內(nèi)以封堵鉆孔，但兩次下入木楔過程中，木楔均在孔口附近被鉆機(jī)、高壓水砂劈裂破壞，封孔失敗。

3.2.2 反絲止?jié){塞封孔

木楔封孔失敗后，利用鉆機(jī)將?73 mm×1 m反絲止?jié){塞送入孔內(nèi)，待止?jié){塞進(jìn)入孔內(nèi)穿過防噴裝置后，由于鉆機(jī)和鉆孔角度存在偏差，加之止?jié){塞和鉆具連接處強(qiáng)度較薄弱，造成止?jié){塞與鉆桿連接處斷裂，封孔失敗。

3.2.3 常規(guī)材料封孔技術(shù)存在問題

①在煤礦井下有限空間利用鉆機(jī)壓入棉被、止?jié){塞、木楔等材料以封堵此類水砂突涌鉆孔，受到作業(yè)空間限制和影響，且給操作人員帶來安全隱患。

②孔內(nèi)水砂噴出量和水壓均較大，利用鉆機(jī)從孔口壓入棉被、止?jié){塞、木楔等，作業(yè)過程中，由于壓入物與孔壁之間存在間隙，無法完全將水、砂控制在孔內(nèi)，造成孔口出現(xiàn)嚴(yán)重的噴水噴砂現(xiàn)象，從而影響正常作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)停止。

③采取常規(guī)孔口敞開式封孔技術(shù)，較大的水壓會造成孔內(nèi)水砂處于高速流動狀態(tài)，且存在鉆具與動態(tài)水砂的相互作用，進(jìn)而可能壓壞封孔材料，可見高速流動的水砂增加了下入封孔材料的難度。

④當(dāng)成功下入棉被、止?jié){塞、木楔等材料時(shí)，仍需注入速凝水泥，對水泥凝固時(shí)間要求較高。

為解決上述問題，提出一種孔口不噴水噴砂的帶壓頂替注漿封孔技術(shù)。

3.3 帶壓頂替注漿封孔技術(shù)

帶壓頂替注漿封孔技術(shù)的思路是利用泥漿泵從鉆孔孔口以大于奧灰水壓的壓力，多循環(huán)壓入大于套管體積的水泥漿，延長單次水泥漿凝固時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)水泥漿液封孔，此技術(shù)適用于井下狹小空間作業(yè)，避免孔口噴水噴砂和孔內(nèi)水砂高速流動。

首先，利用泥漿泵低泵量向水砂突涌鉆孔孔內(nèi)壓入大于套管體積清水，確?？變?nèi)通道暢通。然后，采取低泵量向孔內(nèi)緩慢注入大于套管體積以及注漿管線體積的稀水泥漿，水灰比大于等于1︰1，注漿壓力大于水壓的2倍，注漿結(jié)束后單次水泥漿凝固3～4 d，以保證封孔質(zhì)量。最后，利用小直徑鉆頭鉆進(jìn)至套管外檢查大孔徑鉆孔的封孔質(zhì)量，由于鉆頭尺寸小，即使鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)出現(xiàn)涌水涌砂，小孔徑涌水涌砂量也會大幅減小，從而確保人員作業(yè)安全。具體步驟如下：

①打開孔口閥門，判斷孔內(nèi)是否正常涌水涌砂；

②漿液桶內(nèi)準(zhǔn)備好清水，啟動泥漿泵向孔內(nèi)注入大于套管體積的清水，若清水能完全順利注入孔內(nèi)，確認(rèn)管路及鉆孔通暢，則啟動注漿工作；

③配置水灰比大于等于1︰1的水泥漿，并以118 L/min的低泵量向孔內(nèi)緩慢壓入水泥漿，直至向孔內(nèi)壓入大于套管體積的水泥漿液，關(guān)閉孔口閥門，候凝3～4 d；

④打開孔口閥門，觀察孔內(nèi)是否涌水涌砂，若孔內(nèi)仍涌水涌砂，則再次重復(fù)步驟②和步驟③，直至孔內(nèi)無涌水涌砂現(xiàn)象；

⑤探查孔內(nèi)凝固水泥界面深度，循環(huán)向孔內(nèi)灌注高濃度水泥漿液，候凝3～4 d，直至凝固水泥界面上升至孔口；

⑥采用小型ZDY-1200S鉆機(jī)、?50 mm×1.5 m鉆具和?60 mm鉆頭鉆進(jìn)至套管底部，完成封孔質(zhì)量檢查。

4 工程應(yīng)用

將帶壓頂替注漿封孔技術(shù)應(yīng)用于3個(gè)檢查鉆孔封孔工程，均成功封孔。其中，4號鉆孔第一次向孔內(nèi)注入稀水泥漿，凝固3 d后，孔內(nèi)仍涌水涌沙。5號和6號鉆孔均未發(fā)生此現(xiàn)象，封孔環(huán)節(jié)一致。因此，下文主要介紹4號、5號鉆孔封孔工程。鉆孔封孔參數(shù)見表3。

表3 鉆孔封孔參數(shù)

4.1 4號鉆孔封孔工程

1) 鉆孔注水通孔

打開孔口閥門，孔內(nèi)涌水涌砂，隨之關(guān)閉閥門，停待30 min，確?？變?nèi)水砂處于平衡狀態(tài)。利用泥漿泵向孔內(nèi)注入0.2 m3清水，泵量為118 L/min，水可順利注入。

2) 低泵量多次循環(huán)注漿

利用泥漿泵向孔內(nèi)注入0.1 m3水泥漿，水灰比為2︰1，候凝3 d后打開閥門孔內(nèi)仍涌水涌砂。再次利用泥漿泵向孔內(nèi)注水，水可順利注入，隨之再次注入水泥漿0.1 m3，水灰比為1︰1，候凝4 d，打開閥門后孔內(nèi)無涌水涌砂，水泥界面位于巷道底板以下10 m。再次注入水泥漿0.1 m3至孔口，水灰比為0.8︰1，候凝3 d后打開閥門孔內(nèi)無涌水涌砂，水泥界面位于巷道底板以下2 m，繼續(xù)注入濃漿至孔口，候凝4 d。

3) 小直徑鉆頭檢查大孔徑鉆孔封孔質(zhì)量

采用ZDY-1200S鉆機(jī)及配套鉆具對4號鉆孔掃孔鉆進(jìn)至套管深度31.5 m，孔內(nèi)無涌水涌砂，封孔質(zhì)量合格。之后注入高濃度水泥漿，完成封孔。

4.2 5號鉆孔封孔工程

1) 鉆孔注水通孔

該環(huán)節(jié)同4號鉆孔一致，孔內(nèi)通暢。

2) 低泵量多次循環(huán)注漿

利用泥漿泵向孔內(nèi)注入0.9 m3水泥漿，水灰比為1︰1，候凝3 d后打開閥門孔內(nèi)無涌水涌砂，繼續(xù)延長候凝4 d，打開閥門探查水泥界面位于巷道底板以下11.1 m。再次注入水泥漿0.1 m3，水灰比為1︰1，候凝3 d后打開閥門孔內(nèi)未出水，水泥界面位于巷道底板以下0.3 m，繼續(xù)注濃漿至孔口，候凝4 d。

3) 小直徑鉆頭檢查大孔徑鉆孔封孔質(zhì)量

采用ZDY-1200S鉆機(jī)及配套鉆具對5號鉆孔掃孔鉆進(jìn)至套管深度22.5 m，孔內(nèi)無涌水涌砂，封孔質(zhì)量合格。之后注入高濃度水泥漿，完成封孔。

上述封孔工程可知先期注漿封孔水泥漿液水灰比宜選取1︰1；延長單次候凝時(shí)間有助于提高封孔質(zhì)量，單次候凝時(shí)間宜選取3～4 d，最長可候凝7 d；宜采取低泵量緩慢向孔內(nèi)注入水泥漿液，確保封孔質(zhì)量。

5 結(jié)論

a.提出了帶壓頂替注漿封孔技術(shù)，包括鉆孔注水通孔技術(shù)、低泵量多次循環(huán)注漿技術(shù)和小直徑鉆頭檢查大孔徑鉆孔封孔質(zhì)量技術(shù)，在3個(gè)水砂突涌鉆孔封孔工程中取得成功。

b. 煤礦井下延長水泥漿候凝時(shí)間，可提高鉆孔封孔質(zhì)量，一般單次需候凝3～4 d。先期注漿封孔水泥漿液水灰比宜選取1︰1。

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Development and application of borehole sealing technology for water-sand inrush from Ordovician limestone aquifer in coal mine

LI Xiaolong1,2,3

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

The technology for surface sand filling and underground grouting is adopted to control the karst collapse column of Ordovician limestone in Sangshuping Coal Mine. However, there are serious water-sand inrushes in three conventional inspection boreholes, so it is of great difficulty to seal them. Putting wooden wedges and reverse wire packers into the boreholes all fail. In order to solve this problem, the grouting sealing technology with pressure replacement is proposed in this paper. Firstly, water larger than the casing pipe volume is injected into the borehole to ensure a clear borehole and to avoid sand filling into the casing pipe, resulting in the sealing depth not reaching the stable rock layer below the casing. After that, a lower pumping volume is adopted to repeatedly inject cement slurry larger than the casing volume into the borehole. Finally, after the cement slurry is solidified, a small diameter bit is used to drill outside the casing to check the sealing quality of the large diameter boreholes. Three conventional inspection boreholes are successfully sealed. In the engineering practice, it is found that the water-cement ratio of the cement slurry for early grouting borehole sealing should be 1︰1, and the single setting time should be 3 to 4 days. Prolonging the cement setting time can improve the quality of borehole sealing. This borehole sealing technology is applicable to underground narrow space operation, which can prevent water-sand inrushes from the orifice, ensure the sealing quality and personnel safety, and provide a technical reference for sealing similar water-sand inrushes.

directional borehole; water and sand gush; grouting with pressure replacement; borehole sealing; Ordovician limestone; grouting; Sangshuping Coal Mine

TD745+.22

A

1001-1986(2021)04-0192-06

2020-12-20；

2021-05-19

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)課題(2017YFC0804102)

李曉龍，1989 年生，男，陜西澄城人，博士研究生，助理研究員，從事礦井水害防治、井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用推廣工作. E-mail：Lxlxust@163.com

李曉龍. 煤礦井下水砂突涌鉆孔封孔技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：192–197. doi: 10.3969/j. issn. 1001-1986.2021.04.023

LI Xiaolong. Development and application of borehole sealing technology for water-sand inrush from Ordovician limestone aquifer in coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：192–197. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.04.023

(責(zé)任編輯 周建軍)