深井防滅火注漿系統(tǒng)技術(shù)改造研究

秦 鵬 杜習(xí)成 杜 兵

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦位于山東省曲阜市境內(nèi)，井田面積32.602 4 km2。礦井于2003 年2 月開(kāi)工建設(shè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45 萬(wàn)t/a。2006 年10 月建成投產(chǎn)，2015年核定生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a。礦井采用立井開(kāi)拓方式，走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，開(kāi)采標(biāo)高-600～ -1600 m。礦井主采煤層為3 煤，目前在采采區(qū)為三采區(qū)，接續(xù)采區(qū)為七采區(qū)，三采區(qū)及七采區(qū)埋深均在1200 m左右。礦井試驗(yàn)最短自然發(fā)火期24 d，受沖擊地壓影響，工作面回采速度較慢，高地溫、強(qiáng)卸壓為礦井防滅火工作帶來(lái)了極大的難度。其中，工作面回采期間的注漿為該礦防滅火工作的主要工藝之一。

星村煤礦西風(fēng)井地面設(shè)有注漿站，注漿管路通過(guò)西風(fēng)井敷設(shè)到井下注漿地點(diǎn)。西風(fēng)井于2009 年10 月正式開(kāi)工，至2011 年9 月底施工完成，2012年2 月西風(fēng)井與副井相通的回風(fēng)巷道順利貫通。西風(fēng)井垂深1 187.5 m，具有通風(fēng)、防滅火等功能，地面設(shè)有注漿站、消防水池等防滅火設(shè)施。西風(fēng)井井筒內(nèi)敷設(shè)兩路Φ159 管路，作為井下防滅火注漿之用。通過(guò)西風(fēng)井地面注漿站進(jìn)行制漿，漿液通過(guò)Φ159 管路與井下管路網(wǎng)絡(luò)相連，進(jìn)入采空區(qū)。前期注漿過(guò)程中其中一路在井筒內(nèi)發(fā)生斷裂漏漿，由于無(wú)提升設(shè)備及設(shè)施無(wú)法維修使用，現(xiàn)改用第二路進(jìn)行井下注漿工作。

由于目前只有一路注漿管路，無(wú)備用管路，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將給防滅火工作帶來(lái)重大隱患。因此，決定再施工一路注漿管路作為備用管路，保證防滅火注漿工作的可靠運(yùn)行。若采用常規(guī)的方案在西風(fēng)井井筒內(nèi)重新敷設(shè)一趟Φ159 管路，作為備用注漿管路，需要在西風(fēng)井工廠(chǎng)安設(shè)提升設(shè)施，包括井架、穩(wěn)車(chē)，井筒內(nèi)安設(shè)穩(wěn)繩及吊盤(pán)，進(jìn)行井筒內(nèi)管路安裝施工。工程總費(fèi)用約1000 萬(wàn)元，該工程費(fèi)用高，最重要的是井筒施工存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于西風(fēng)井為回風(fēng)井，施工完成后井口設(shè)備需要撤除，特別是井筒內(nèi)吊盤(pán)等設(shè)施。管路出現(xiàn)問(wèn)題后，無(wú)法進(jìn)行再修復(fù)，修復(fù)需要重新安設(shè)設(shè)施。若保留該套設(shè)施，需要相關(guān)租賃費(fèi)用，以及保養(yǎng)、維護(hù)。西風(fēng)井井筒有淋水，使管路銹蝕加劇，造成管路使用壽命較短。

綜上所述，對(duì)原注漿系統(tǒng)管路進(jìn)行恢復(fù)，無(wú)論從安全、經(jīng)濟(jì)、壽命上均達(dá)不到理想效果，因此選擇西風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)施工地面注漿孔，同時(shí)施工井下巷道與注漿孔貫通連接的方案對(duì)注漿系統(tǒng)進(jìn)行改造，有效地解決了上述難題，保證了礦井防滅火系統(tǒng)主備兩路注漿管路的正常使用，確保礦井注漿系統(tǒng)可靠及防滅火安全。

2 深井防滅火注漿系統(tǒng)改造

2.1 注漿鉆孔位置的確定

利用震動(dòng)波CT 反演技術(shù)，在井下檢測(cè)出應(yīng)力場(chǎng)，劃分出立體低應(yīng)力區(qū)，如圖1；利用SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)出西風(fēng)井范圍內(nèi)震動(dòng)能量較小區(qū)域，如圖2；利用礦井三維地震勘探立體數(shù)據(jù)體，找出規(guī)劃范圍內(nèi)地質(zhì)類(lèi)型相對(duì)簡(jiǎn)單區(qū)域；最終利用圖層疊加，進(jìn)行交叉選擇，精準(zhǔn)選擇出注漿孔開(kāi)孔位置以及注漿孔管道最優(yōu)曲線(xiàn)路徑。

根據(jù)圖1、圖2 綜合考慮與計(jì)算，鉆孔位置選擇距離風(fēng)井井口30 m，距離變電所8 m。地面標(biāo)高+55 m，孔底標(biāo)高-1120 m。設(shè)計(jì)終孔深度為1177 m。

圖1 波速異常系數(shù)與波速變化梯度分布圖（-1070 m）

圖2 震源分布圖

2.2 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)鉆孔采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，其中一開(kāi)為表土段，下Ф273 mm 護(hù)壁管，二開(kāi)為基巖段，下Ф146 mm高錳耐磨套管，詳見(jiàn)表1 和圖3。

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)表

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使用雙千鉆機(jī)，NB850/6泥漿泵，24 mA 型鉆塔，以及鉆機(jī)配套設(shè)備。

2.3 注漿鉆孔施工

按照鉆前階段、鉆進(jìn)擴(kuò)孔階段、下管、水泥封固、掃水泥塞及抽放漿液階段的程序進(jìn)行施工。

2.3.1 鉆前階段

（1）根據(jù)批準(zhǔn)的孔位進(jìn)行孔口的確定，并按照鉆機(jī)類(lèi)型的需要進(jìn)行場(chǎng)地平整。

（2）保證鉆機(jī)基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)固、平整。根據(jù)場(chǎng)地情況按照相關(guān)要求進(jìn)行泥漿池、循環(huán)槽的施工。按規(guī)定安裝施工設(shè)備，并對(duì)設(shè)備安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查，并做好記錄。

（3）根據(jù)地基土層情況和施工時(shí)鉆塔負(fù)荷等做好鉆塔的基礎(chǔ)，做好設(shè)備檢查和安裝，把好安裝關(guān)，確?！叭c(diǎn)一線(xiàn)”，保證孔眼軌跡垂直符合要求。

2.3.2 鉆進(jìn)擴(kuò)孔階段

（1）全孔采用牙輪鉆頭、復(fù)合片鉆頭、泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)。

（2）首先采用Φ215 mm 鉆頭鉆進(jìn)至60 m 處；擴(kuò)孔采用Φ325 mm 鉆頭，井深50 m 下入護(hù)壁管；然后再采用Φ215 mm 鉆頭，鉆進(jìn)至井深1177 m，下入套管，壁后注漿。

（3）鉆具配置：Φ215 mm 牙輪鉆頭+Φ178 mm 加重管+127 mm 鉆桿+Φ89 mm 鉆桿+立軸，組成由下至上直徑逐漸縮小的塔式鉆具，以保證鉆具有穩(wěn)定的軸心壓力，確保鉆孔垂直。

（4）設(shè)計(jì)全井采用泥漿作為沖洗液。泥漿為低固相聚合物泥漿，采用人工鈉土、廣譜護(hù)壁劑（GSP）、PAC—141、燒堿（NaOH）和清水進(jìn)行配漿。

2.3.3 下套管及壁后注漿

（1）設(shè)計(jì)下入Φ273 mm×6 mm 套管作為護(hù)壁管，下入Φ146 mm×12 mm 高錳耐磨套管為注漿管能夠滿(mǎn)足要求。

（2）采用安全卡、對(duì)卡子的方法下入Φ273 mm套管。要求所有焊接部位連接牢靠，密封性良好。采用合適型號(hào)的焊接材料和焊接方法，Φ146 mm套管下入采用漂浮法，套管底部安裝浮鞋。下套管過(guò)程中及時(shí)向套管內(nèi)灌注清水，為便于觀(guān)察和防止套管內(nèi)水泥串漿，壁后注漿前必須保證套管內(nèi)清水注滿(mǎn)。下套管采用套管夾板固定安全卡二級(jí)保護(hù)、鋼絲繩套提拉，套管采用絲扣連接，接箍要符合相關(guān)規(guī)定，絲扣無(wú)損壞。

（3）為保證壁后注漿的順利完成和注漿質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用逆止閥壁后注漿方法，即在套管的底部安裝逆止閥，下部接2.0 m 長(zhǎng)的Φ108 mm 套管（割10 個(gè)直徑3 cm 的水眼作為注漿通道，底部封堵）作為支架支撐。在套管下入后立即下鉆桿與孔內(nèi)套管底端的逆止閥對(duì)接后，立即用泥漿泵打開(kāi)逆止閥，循環(huán)好泥漿。

（4）采用Φ108 mm 提桶提出管內(nèi)漿液，管內(nèi)漿液殘余不大于0.2 m3，以減少管內(nèi)液柱壓力對(duì)下步巷道施工的影響。

2.4 注漿鉆孔與井下巷道貫通

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)及施工的最終位置，與井下巷道精準(zhǔn)貫通，通過(guò)西風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷原有注漿管路與新施工的注漿鉆孔連接，隨后進(jìn)行新管路打壓試驗(yàn)確保主備注漿管路正常使用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）注漿防滅火是深井煤礦厚煤層開(kāi)采防滅火的必要手段。隨著礦井生產(chǎn)的進(jìn)行，原注漿系統(tǒng)老化，按原注漿系統(tǒng)方案建設(shè)成本高，安全隱患多，影響連續(xù)生產(chǎn)。通過(guò)研究相對(duì)獨(dú)立的注漿輸送系統(tǒng)，有效解決了原有系統(tǒng)受地理環(huán)境限制、重置施工成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、對(duì)生產(chǎn)及效益影響大等問(wèn)題，在深井防滅火注漿系統(tǒng)技術(shù)研究方面取得了創(chuàng)新性成果，對(duì)于類(lèi)似條件下防滅火注漿系統(tǒng)建設(shè)和改造具有積極的推廣和借鑒意義。

（2）應(yīng)用SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、震動(dòng)波CT 反演技術(shù)、三維地震勘探立體數(shù)據(jù)體等技術(shù)與獨(dú)立注漿輸送系統(tǒng)的路線(xiàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，大大減小鉆孔后期因地應(yīng)力作用而發(fā)生的變形、破壞，縮短了施工周期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）隨著煤礦不斷向深部發(fā)展，開(kāi)采條件日益復(fù)雜，注漿系統(tǒng)的維護(hù)、檢修成為常態(tài)化難題。本研究成果在解決深井防滅火注漿難題方面提供了全新的解決方案和成功案例，具有較高推廣價(jià)值。