霄雲(yún)煤礦井下突水定向井鉆孔堵水施工技術(shù)及注漿方法

鐘明

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266404)

0 引言

2018年9月10日22時(shí)10分，霄雲(yún)煤礦1313工作面機(jī)尾規(guī)順頂幫出現(xiàn)輕微滲水，涌水量逐漸增大，至11日14時(shí)30分通過巷道容積法測(cè)算涌水量900m3/h；9月13日組織省內(nèi)和國內(nèi)煤礦防治水專家對(duì)突水原因進(jìn)行分析，通過對(duì)水質(zhì)、奧灰長(zhǎng)觀孔水位、水溫等3個(gè)方面的特征和水位下降變化分析，確定突水來源為奧灰水,奧灰水通過隱伏性未探知地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)出。

1 概況

1.1 1313工作面地層發(fā)育情況

根據(jù)1313工作面附近79-4鉆孔揭露的地層自上而下分別為：石炭紀(jì)中統(tǒng)本溪組，揭露厚度7.42m，上統(tǒng)太原組，揭露厚度168m；二疊紀(jì)下統(tǒng)山西組，揭露厚度85.6m；石盒子組，揭露厚度136.4m；新近系及第四系，揭露厚度483m[1]。

1.2 工作面周圍斷層情況

1313工作面周圍共發(fā)育7條斷層，斷層名稱分別為：DF61、XF6、XF7、XF8、XF11、XF12、XF14，各斷層產(chǎn)狀及落差描述見表1。

表1 工作面周圍斷層構(gòu)造一覽表

1.3 工作面內(nèi)斷層情況

1313膠帶順槽掘進(jìn)期間共揭露4條斷層13-2、13-3、13-9、07-7；1313軌道順槽掘進(jìn)期間共揭露6條斷層13-1、13-4、13-5、13-6、13-7、13-8，各斷層產(chǎn)狀及落差描述見表2。

表2 工作面內(nèi)斷層構(gòu)造一覽表

2 堵水鉆孔施工設(shè)計(jì)

2.1 堵水鉆孔布設(shè)及其目的

對(duì)礦井出水原因進(jìn)行了分析，依據(jù)堵水的目的、任務(wù)及對(duì)突水的特征分析，制定如下堵水鉆孔布設(shè)方案。

直接對(duì)工作面突水點(diǎn)進(jìn)行蓋帽封堵，對(duì)突水通道進(jìn)行注漿封堵。本次設(shè)計(jì)鉆孔4個(gè)，2個(gè)蓋帽孔，2個(gè)突水通道注漿孔。

2個(gè)蓋帽鉆孔XY-3、XY-4：鉆孔鉆穿突水點(diǎn)附近上方的采空區(qū)頂板，通過向突水點(diǎn)附近的采空區(qū)注入石子、砂子、水泥等封堵出水點(diǎn)，起到封蓋出水點(diǎn)的作用。

2個(gè)突水通道注漿孔XY-1、XY-2的施工目的是鉆尋出水通道，發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失量大于5m3/h時(shí)，加密觀察鉆井液的漏失量，當(dāng)鉆井液的漏失量大于10m3/h時(shí)，停止鉆進(jìn)進(jìn)行注漿。XY-1孔的靶點(diǎn)位置位于出水點(diǎn)以下垂直距離25m處，終孔位置為三灰底板垂直向下50m。XY-2孔的目標(biāo)層位為出水點(diǎn)垂直向下的三灰層位，終孔位置為三灰底板垂直向下50m。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)與深度

通道注漿孔XY-1、XY-2結(jié)構(gòu)詳情見表3鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，蓋帽孔XY-3、XY-4結(jié)構(gòu)詳見表4, 通道注漿孔井身結(jié)構(gòu)詳見圖1。

表3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表4 蓋帽孔XY-3、XY-4

圖1 通道注漿孔井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 設(shè)備及鉆具選擇

3.1 設(shè)備選擇

鉆塔：A27-90；鉆機(jī)：TSJ2600/445；泥漿泵：3NB350;動(dòng)力機(jī)：350kW電動(dòng)機(jī)；定向隨鉆測(cè)斜儀：SQMWD-Y。

3.2 鉆具選擇

Φ127mm鉆桿、Φ177.8mm鉆鋌、Φ203mm鉆鋌、Φ177.8mm無磁鉆鋌、7LZ165D單彎螺桿鉆具(1.25°～1.75°)。

4 定向孔施工

4.1 設(shè)備安裝

鉆場(chǎng)地基要平坦穩(wěn)固，鉆塔四角及孔口要夯實(shí)并鋪設(shè)鋼板(厚度≥25mm，長(zhǎng)×寬≥1m×1m)，并用水平尺找平在同一水平面上，然后在安裝鉆塔，以防雨水及泥漿侵蝕鉆塔地基，造成鉆塔歪斜，影響施工及鉆孔孔身質(zhì)量。

設(shè)備安裝要周正、穩(wěn)固、水平；鉆塔天輪中心、立軸中心、孔口中心在同一鉛錘線上[2]。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)詳見表5，定向滑動(dòng)鉆進(jìn)參數(shù)見表6，定向復(fù)合鉆進(jìn)參數(shù)見表7，泥漿配比見表8，泥漿性能見表9。

表5 鉆進(jìn)參數(shù)表

表6 定向滑動(dòng)鉆進(jìn)參數(shù)表

表7 定向復(fù)合鉆進(jìn)參數(shù)

表8 泥漿配比表

表9 泥漿性能參數(shù)表

該區(qū)新近系、第四系松散地層厚度480余米，預(yù)防鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，保障鉆孔順利施工，以及防止泥漿中的固相含量過高磨損或卡死定向螺桿鉆具的定子及轉(zhuǎn)子，控制泥漿中固相含量及失水量是關(guān)鍵，為控制泥漿的固相含量以及井壁泥皮厚度，使用水解度30%聚丙烯酰胺化學(xué)除沙結(jié)合泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用長(zhǎng)槽大池自然重力沉降除沙，再采用除沙器與離心機(jī)機(jī)械除沙，確保鉆孔施工每個(gè)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行[3]。

4.3 鉆進(jìn)施工

(1)直孔段施工方法。直孔段施工要做到高精度垂直，為下一步定向孔施工打下良好的基礎(chǔ)，以利于下一步定向孔施工。在鉆具組合采用“剛、長(zhǎng)、直”的原則[4]，孔內(nèi)粗徑鉆具即鉆鋌沒有加足之前不能向孔內(nèi)加入鉆桿，嚴(yán)禁向孔內(nèi)加入彎曲鉆具，防止鉆具在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆具即發(fā)生自轉(zhuǎn)又發(fā)生公轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆孔偏斜，其鉆具組合為：Φ244.5mm鉆頭+Φ203mm鉆鋌2立根+Φ177.8mm鉆鋌4立根+Φ127mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿。

直孔段施工地層為第四紀(jì)、新近紀(jì)松軟地層，防止鉆孔偏斜，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)采取鉆壓小、轉(zhuǎn)速高、泵量大的原則，鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鉆井進(jìn)尺明顯減慢，應(yīng)立即提鉆檢查鉆具，防止鉆具中途跑水，泥漿不能有效到達(dá)孔底冷卻鉆頭排除巖屑，造成燒鉆埋鉆或者泥包鉆頭堵塞部分鉆頭水眼泥漿偏射導(dǎo)致孔斜。

(2)定向孔施工方法。定向孔定向起始垂深280m,終孔垂深700m,水平偏距110m,造斜率(6°～8°)/30m,由于起始造斜點(diǎn)位于第四紀(jì)、新近紀(jì)松軟地層，造斜點(diǎn)作用力作用在井壁上，井壁松軟支撐不住造斜工具，而影響造斜成功率，只有加大造斜工具的彎曲度，才能在松軟的地層進(jìn)行有效偏斜。一般情況下在松軟地層選用1.25°～1.75°彎曲度的螺桿，以利于松軟地層造斜。其鉆具組合為Φ244.5mm鉆頭+Φ165mm螺桿鉆具+Φ177.8mm無磁鉆鋌+Φ127mm鉆桿+Φ177,8鉆鋌+主動(dòng)鉆桿。

(3)斷層破碎帶等復(fù)雜地層施工方法。礦井涌水說明該處地層構(gòu)造復(fù)雜，具有斷層破碎帶，施工定向孔斷層破碎帶容易導(dǎo)致鉆孔漏失，導(dǎo)致鉆孔液柱下降，液柱壓力降低不能有效平衡地層壓力，從而導(dǎo)致鉆孔坍塌、掉塊、縮徑，造成定向孔施工中卡鉆、事故發(fā)生。

針對(duì)破碎帶鉆孔漏失等復(fù)雜地層施工，鉆具組合盡量少使用或不使用鉆鋌等粗徑鉆具，預(yù)防鉆孔漏失導(dǎo)致孔壁不穩(wěn)固造成坍塌掉塊卡埋鉆具事故發(fā)生，應(yīng)立即提鉆，對(duì)漏失層位采用水泥漿進(jìn)行注漿封堵破碎裂隙漏失通道加固井壁，用水泥漿封固不低于24h沖掃鉆正常鉆進(jìn)，如鉆孔再漏失，重復(fù)上述步驟，直至終孔層位注漿堵水工作完成。

(4)采空區(qū)頂?shù)装迕奥鋷У毓膸┕し椒?。所施工?個(gè)蓋帽孔穿過頂板采空冒落區(qū)，2個(gè)注漿堵水孔穿過頂板采空冒落區(qū)及底板地鼓突起區(qū)，頂板及底板巖石受重力地應(yīng)力影響擠壓破碎。在鉆孔施工中破碎的巖石形成水力聯(lián)系的通道導(dǎo)致鉆孔鉆井液漏失；破碎的巖石極易坍塌、掉塊，造成卡鉆埋鉆事故發(fā)生。針對(duì)上述情況，及時(shí)采取水泥漿液注漿，一是水泥漿液堵塞漏失通道；二是水泥漿液加固破碎的頂?shù)装?；三是恢?fù)地層壓力，以利于鉆孔后續(xù)施工。

(5)正在注漿孔鉆孔同正在施工鉆孔竄漿問題的解決。由于2個(gè)蓋帽孔、2個(gè)注漿孔同時(shí)向同一水力聯(lián)系構(gòu)造施工，注漿鉆孔注漿會(huì)影響施工到同一層位的鉆孔施工，注漿液擊穿地層進(jìn)入另一施工鉆孔，并從該施工鉆孔涌出注漿液，而導(dǎo)致鉆孔壓力失衡，造成鉆孔坍塌、掉塊，導(dǎo)致施工鉆孔卡鉆、埋鉆事故發(fā)生。針對(duì)上述情況，一是同一水力聯(lián)系單位的鉆孔同步施工；二是鉆孔出現(xiàn)串漿后，要輕壓、慢轉(zhuǎn)，將井壁掉塊坍落物擠碎被循環(huán)漿液攜帶到井口或落入井底，并適時(shí)將從孔內(nèi)鉆具提出，防止掉塊卡鉆的發(fā)生；三是一個(gè)鉆孔注漿另外鉆孔在井口帶上套管帽子憋壓防止串漿，待鉆孔停止注漿后其他鉆孔再進(jìn)行后續(xù)施工。

5 鉆孔注漿工程設(shè)計(jì)

5.1 注漿順序

采用下行方式注漿，逢漏(漏失量大于10m3/h)注漿封堵。根據(jù)鉆探揭示的實(shí)際地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，對(duì)鉆孔的裸孔段，采取下行、大小間歇、復(fù)掃、復(fù)注的方式，達(dá)到注漿終止條件為止，凝固24 h后，繼續(xù)鉆進(jìn)，遇漏重復(fù)注漿，直至設(shè)計(jì)終孔深度為止。

在靜水條件下采用單液水泥漿為主[5]，必要時(shí)可添加速凝材料(水玻璃)或細(xì)骨料。對(duì)單位吸水量大于16～20L/min者，可試注骨料(粒徑由小到大，一律從中粗砂、米石開始探索灌注)[6]。

5.2 注漿材料與配比

通道孔采用水泥單液漿，水灰比根據(jù)實(shí)際漏失量選擇由2∶1～0.7∶1。

應(yīng)先稀后稠，從水灰比2∶1開始，根據(jù)漏失量及注漿泵起壓情況，可逐漸加稠，先期水泥漿比重不宜大于1.36g/mL(水灰比不宜小于1.5∶1)，注漿泵起壓不宜大于1MPa，以無壓注漿為宜[7]。

單液水泥漿水灰質(zhì)量比范圍0.5∶1～2∶1，對(duì)應(yīng)漿液比重1.65～1.29，單液水泥漿比重可參考表10。

表10 水泥漿比重對(duì)比表

5.3 注漿壓力設(shè)計(jì)

根據(jù)施工各類地質(zhì)鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)泥漿黏度高、密度大，鉆孔液柱壓力增大，而將鉆孔壓漏；有時(shí)開泵時(shí)不活動(dòng)鉆具攪動(dòng)拆散泥漿結(jié)構(gòu)導(dǎo)致泵壓升高，而將地層擊穿壓漏鉆孔。鑒于出水點(diǎn)工作面南側(cè)有采空區(qū)，出水點(diǎn)附近距三灰含水層又較近，推斷三灰為間接導(dǎo)水通道，底板遭受破壞，壓力過大，易使底板隔水層破壞加劇，造成水量反復(fù)，壓力太小，又影響進(jìn)漿量和堵水效果，綜合考慮確定終孔壓力為靜水壓的1.5倍(靜止水壓約6.5 MPa，設(shè)計(jì)終壓10.5 MPa，終壓時(shí)漿液比重不大于1.3 g/mL)，當(dāng)注漿壓力達(dá)相應(yīng)設(shè)計(jì)終止壓力時(shí)或吸漿量小于50L/min時(shí)，應(yīng)終止注漿。

5.4 技術(shù)要求

(1)注漿連續(xù)性要求。注漿過程中不宜間斷，要保證水泥的供應(yīng)；注漿設(shè)備及管路均需備用一臺(tái)套。當(dāng)出現(xiàn)確實(shí)無法連續(xù)注漿時(shí)，應(yīng)壓清水沖洗管路及通道，2 h內(nèi)的流量可保持與注漿量相同，2h以后，可減小流量，但不能小于注漿量的0.5倍，且不能間斷。

(2)注入的水泥漿液必須進(jìn)行二次攪拌。

(3)漿液配比控制。為了確保漿液質(zhì)量，必須配備波美度計(jì)和比重稱，在制漿過程中經(jīng)常測(cè)試漿液濃度，如發(fā)現(xiàn)比重異常，應(yīng)及時(shí)調(diào)整[8-14]。

5.5 注漿流程及操作方法

(1)測(cè)量注漿泵實(shí)際泵量，根據(jù)泵量、漿液比重計(jì)算供水量、水泥量和添加劑數(shù)量，并選定調(diào)速螺旋推進(jìn)器轉(zhuǎn)速。

(2)開啟空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)閥門，保持使用過程中的所需壓力。

(3)開啟供水泵，通過調(diào)節(jié)閥門和流量調(diào)整供水量達(dá)到使用要求。

(4)開啟調(diào)速螺旋推進(jìn)器，保持均勻下料和吸漿池?cái)嚢铏C(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(5)測(cè)量漿液實(shí)際比重，作好記錄，并根據(jù)注漿情況對(duì)供水量和水泥量作適當(dāng)調(diào)整，保持漿液比重的相對(duì)穩(wěn)定。

(6)開啟注漿泵，做注水試驗(yàn)，暢通裂隙，確定吸漿量。

(7)將注漿泵吸水籠頭放入吸漿池內(nèi)，按要求泵量注漿。

(8)注水泥漿時(shí)，及時(shí)做好注漿記錄，不得漏測(cè)、漏記。

(9)為防止水泥漿堵管和提管后噴漿，每次注水泥漿結(jié)束時(shí)馬上壓清水，壓入量為孔內(nèi)體積的1～2倍為宜，直至泵壓降至0.2MPa以下。如出現(xiàn)壓不進(jìn)水的情況，應(yīng)盡快提管沖洗。如保留再次注漿的條件，采用間歇壓水方式，壓水量一般為鉆孔體積的4倍左右。

(10)如注雙液漿，提出并拆卸鉆孔內(nèi)注漿管路，把止?jié){塞、混和器等拆卸清洗后重新組裝。

(11)清理攪拌池、吸漿管匯、注漿泵，對(duì)其他注漿設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，放凈管路及設(shè)備積水。

(12)處理堵水孔，探查注后漿液凝固面、漏水段等，并清洗注漿泵，放凈管路及設(shè)備積水，為下次注漿做準(zhǔn)備。

5.6 技術(shù)操作要求

(1)上料、造漿、司泵嚴(yán)格執(zhí)行工種崗位責(zé)任制，聽從注漿指揮的安排，確保順利實(shí)施。同時(shí)對(duì)積水水位和礦井涌水量及跑漿情況等加密觀測(cè)，觀測(cè)地點(diǎn)設(shè)專用電話或?qū)χv機(jī)，觀測(cè)結(jié)果要及時(shí)匯報(bào)注漿指揮部。

(2)注漿前都應(yīng)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)合格，并有專人對(duì)其維護(hù)，特別是每次注雙液前都必須對(duì)活塞、吸漿管、排水高壓管以及各部接頭處進(jìn)行檢查，混合器底閥結(jié)合嚴(yán)密，無泄漏。發(fā)現(xiàn)有磨損或泄漏、松動(dòng)現(xiàn)象要及時(shí)排除。使用壓力表質(zhì)量必須合格。同時(shí)取得現(xiàn)場(chǎng)需用的各種水泥漿比重或水灰比數(shù)據(jù)下的送水量和下灰量的速度和重量，取得可靠的操作相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)每次注漿前后要進(jìn)行泵量的測(cè)量。每次注入雙液前都應(yīng)對(duì)注漿系統(tǒng)進(jìn)行打壓試驗(yàn)，以便檢驗(yàn)其工作能力和耐壓狀況，發(fā)現(xiàn)異?；蜻_(dá)不到設(shè)計(jì)要求必須立即整改。

(4)旋噴時(shí)要求粗徑鉆具不得放在采空區(qū)以內(nèi)，防止事故發(fā)生。

(5)隨著骨料的注入使用慢速(75r/min)轉(zhuǎn)動(dòng)，送入骨料采用先細(xì)后粗的順序，要保持均勻下料，以保證不埋設(shè)卡夾鉆具或能通暢下入為宜，但送水量必須保持不間斷，水量要求不得小于30m3/h。

(6)要求注漿過程必須保證供水、供料的足量及時(shí)供應(yīng)。要求對(duì)關(guān)鍵設(shè)備要留有一定的備用。作為發(fā)生意外情況時(shí)的應(yīng)急措施。

(7)孔內(nèi)混合器在鉆孔內(nèi)的位置要根據(jù)雙液配比試驗(yàn)參數(shù)、造注漿系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)孔內(nèi)吸漿量、壓力等情況靈活設(shè)定。但其在孔內(nèi)深度必須在安全孔段。

(8)注漿操作時(shí)，要求散裝水泥罐下料口、高速制漿器送水口、水泥泵、水玻璃泵、供電供水系統(tǒng)、供料等都必須要有技術(shù)熟練的專人和責(zé)任心強(qiáng)的人員進(jìn)行操作。且必須通力合作，聽從指揮，注意力集中，能在出現(xiàn)異常的情況下有一定的處理經(jīng)驗(yàn)。防止出現(xiàn)孔內(nèi)注漿事故。

(9)所有鉆機(jī)人員不要遠(yuǎn)離鉆機(jī)，一旦發(fā)生中途起壓，可以迅速打開孔口，把注漿鉆具處理上來。并立即下鉆沖孔，進(jìn)行注水打壓，把雙液凝固帶打開，以利下一步繼續(xù)注漿。

6 結(jié)論

(1)通過水質(zhì)化驗(yàn)分析，本次突水水源為奧灰水。通過分析1313工作面突水點(diǎn)周圍已查明老鉆孔、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，否定了老鉆孔、斷層等地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致突水的可能性。通過XY-1孔鉆遇突水通道注漿時(shí)，吸漿量大、先期注漿孔口閥門監(jiān)測(cè)到負(fù)壓，說明突水通道較大，而且暢通，符合陷落柱出水通道的特征；在XY-1孔的施工過程中3次鉆遇通道，并且在XY-2孔、XY-1施工分支孔的過程中，孔口返出的巖屑中發(fā)現(xiàn)XY-1孔注突水通道時(shí)封堵的水泥圈定了出水通道的范圍，即陷落柱的范圍，1313工作面突水通道為隱伏的陷落柱。

(2)堵水鉆孔按照布設(shè)4個(gè)，其中XY-1、XY-2是通道封堵孔，XY-3、XY-4是蓋帽孔，通過2個(gè)月的地面鉆探注漿堵水施工，鉆孔終孔孔深分別達(dá)到了設(shè)計(jì)的孔深要求；鉆孔注漿結(jié)束壓力達(dá)到了終壓標(biāo)準(zhǔn)的壓力要求。

(3)4個(gè)鉆孔注入蓋帽漿液26622.6m3，注入通道36394.2m3。經(jīng)計(jì)算，帽體、通道防隔水能力達(dá)到《煤礦防治水細(xì)則》要求，奧灰水已被封堵。

(4)從排水的過程中副井水位的下降和計(jì)算的下降速度吻合，經(jīng)過計(jì)算在排水過程中的整個(gè)礦井的涌水量300m3/h，較突水前的涌水量50m3/h增加了5倍，是因?yàn)橥凰途畬?dǎo)致含水層吸水，排水時(shí)礦井水位下降，含水層回吐造成的。