廢棄探水鉆孔囊袋灌漿封堵技術(shù)研究

李志輝

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033000）

探水鉆孔起到探水、疏水的作用，服務(wù)完畢后需要進行永久封堵，防止因采動影響裂隙導通重新有水大量涌出，威脅生產(chǎn)安全，探水鉆孔主要特點是孔內(nèi)有淋水或者積水，給封堵造成一定困難[1～2]。計劃在山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷鉆場開展探水鉆孔封堵試驗。

1 工程背景

山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷目前正在掘進當中，設(shè)計長度3 193 m，絕大部分為巖巷，設(shè)計為拱形斷面，掘進寬度5.9 m，高度4.95 m，拱高為2.95 m，墻高為2 m，掘進斷面積25.47 m2。

在掘進至650 m 位置時，巷道頂?shù)装寰猩倭克疂B出，根據(jù)“有疑必探”原則，在650 m 位置施工鉆場，設(shè)計探水鉆孔，對頂?shù)装暹M行探測，同時現(xiàn)場提前制定了排水措施，探水鉆孔設(shè)計頂板孔5 個，編號頂1～5 號，底板孔5 個，編號底6～10 號，頂板鉆孔仰角均為30°，其中3 號鉆孔深度60 m，沿巷道中心線，2 號和4 號鉆孔偏角10°，孔深63 m，1 號孔和5 號孔偏角30°，孔深70 m，底板鉆孔俯角均為30°，和頂板孔對稱布置?？讖骄鶠?33 mm。探水鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 探水鉆孔布置示意圖

探測孔施工完成后，頂板探水鉆孔涌水量較大，累計排水量6 400 m3，底板探水鉆孔出水量較小，累計排水量730 m3，現(xiàn)場大量排水約7 d 結(jié)束，頂板探水鉆孔持續(xù)有少量淋水、滴水，底板鉆孔不再出水，但孔內(nèi)存在滿孔積水，如圖2 所示。

圖2 探孔內(nèi)淋水、積水示意圖

現(xiàn)需要對廢棄的探水鉆孔進行永久封堵，防止掘進和后期使用過程中，因采動因素有水大量涌出，因孔內(nèi)有水，常規(guī)的黃泥卷封堵方式存在長期水泡后變軟、溶解隱患，且人工操作難以保證封孔長度和填塞嚴實程度。因此，需要采用一種安全可靠的封孔方式進行封堵。

2 封孔囊袋設(shè)計

根據(jù)頂板鉆孔和底板鉆孔封孔原理的不同，設(shè)計2 種囊袋結(jié)構(gòu)。

2.1 頂板鉆孔囊袋

需要具備封堵淋水的作用，采用內(nèi)外雙囊袋結(jié)構(gòu)，包括囊袋、注漿管、返漿管3 部分，如圖3（a）所示。其中囊袋材質(zhì)為完全阻燃抗靜電的透水布袋，按設(shè)計長度縫制而成，注漿管和返漿管采用φ16 mm聚氯乙烯管，根據(jù)孔徑大小設(shè)計囊袋直徑，本次設(shè)計為150 mm，略大于孔徑，保證完全貼合封堵嚴實，2 個囊袋之間的長度即為封孔長度，設(shè)計為20 m，注漿管和返漿管均外漏2 m，便于操作。

圖3 頂板和底板鉆孔囊袋原理圖

在注漿管上設(shè)計3 個壓力片，壓力片1 和壓力片2 分別在2 個囊袋內(nèi)，壓力片3 在2 個囊袋之間偏上位置。壓力片1 和壓力片2 設(shè)計撐開壓力為1.5 MPa，壓力片3 設(shè)計撐開壓力為2.5 MPa，注漿封孔時，在漿液壓力作用下，壓力片1 和壓力片2 首先打開，將2 個囊袋灌滿凝固，然后管內(nèi)壓力逐漸增大，壓力片3 打開，將2 個囊袋之間封孔范圍灌滿，當漿液從返漿管流出時，即代表完成封孔。

2.2 底板鉆孔囊袋

孔內(nèi)滿孔積水，需要通過囊袋隔斷積水，并通過注漿驅(qū)替積水從孔口排出，使?jié){液填滿封孔段，必須保證孔口開放，采用改造的單囊袋結(jié)構(gòu)，只保留內(nèi)囊袋，取消外囊袋，取消返漿管，封孔長度和囊袋尺寸與頂板鉆孔一致，如圖3（b）所示。

在注漿管上保留壓力片1 和壓力片3，囊袋整體向下安裝，囊袋在20 m 終點位置，注漿封孔時，在壓力作用下，壓力片1 首先打開，將囊袋灌滿，形成下部隔擋，分隔積水，然后注漿管內(nèi)壓力增大，壓力片3 打開，漿液從下至上填充鉆孔，期間將鉆孔內(nèi)的積水不斷向孔口排出，人工觀察當漿液灌滿至孔口時，代表完成封孔。

封孔完成后，孔內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 頂板和底板鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意圖

3 封孔實施方案

3.1 封孔材料

采用一種速凝早強、凝結(jié)時間可調(diào)的無機封孔材料，雙組份AB 型，粉末狀，各自加水攪拌，水灰比0.6∶1～1∶1，單漿攪拌后數(shù)小時內(nèi)不沉淀、不凝結(jié)，混合后快速凝結(jié)，強度快速增長。30～180 s 失去流動性，5～15 min 完全固化，凝結(jié)時間通過水灰比調(diào)整，2 h 強度不低于6 MPa，1 d 強度不低于15 MPa，且固結(jié)體抗風化、耐水泡、耐酸堿腐蝕，長期使用不發(fā)生性狀變化。

使用方法：

1）頂板鉆孔：因向上注漿，注漿泵壓力損失較大，且有雙囊袋兩端封堵，因此漿液應(yīng)具備一定的流動性，保證可注性和充滿填實，設(shè)計采用0.8∶1 水灰比，約120 s 失去流動性，10 min 左右完全固結(jié)，2 h 強度10 MPa，1 d 強度18 MPa；

2）底板鉆孔∶因鉆孔內(nèi)有水，需要漿液驅(qū)替水，且漿液不能在鉆孔水內(nèi)發(fā)生分散，因此漿液需要快速凝固成膏狀，設(shè)計采用0.6∶1 水灰比，約30～40s失去流動性，5～6 min 完全固結(jié)，2 h 強度12 MPa，1 d 強度24 MPa。

3.2 封孔設(shè)備

封孔采用2ZBQS25/6 型雙液氣動注漿泵和連體攪拌桶，分別用于注漿和攪拌。 注漿泵雙缸獨立，2 個吸排口能夠同時吸漿、出漿，使?jié){液按照1∶1比例混合，注漿泵工作壓力在0～11 MPa 可調(diào)。連體攪拌桶單桶容量90 L，合計180 L。如圖5 所示。

圖5 氣動注漿泵+連體攪拌桶

3.3 實施工藝

3.3.1 材料消耗量測算

孔徑133 mm，封孔長度20 m，則單孔充填體積約0.28 m3。

頂板鉆孔采用0.8∶1 水灰比，封孔材料固結(jié)密度約1.8 t/m3，總質(zhì)量約0.5 t，則單孔需要消耗干料約0.28 t，即280 kg。

底板鉆孔采用0.6∶1 水灰比，封孔材料固結(jié)密度約2 t/m3，總質(zhì)量約0.56 t，則單孔需要消耗干料約0.35 t，即350 kg。

共計5 個頂板鉆孔、5 個底板鉆孔，預計消耗封孔材料3 150 kg。

3.3.2 操作流程

1）安裝囊袋。首先將囊袋展開，檢查完好后，將囊袋塞入指定位置，外囊袋應(yīng)塞入孔內(nèi)0.5 m 左右，防止因孔口附近破碎導致周邊漏漿。

2）攪拌制漿。封孔材料AB 料分別加入連體攪拌桶2 個桶內(nèi)，先加水后加料，頂板鉆孔封孔采用0.8∶1 水灰比，每16 公升水（20 kg）配1 袋料（每袋25 kg），底板鉆孔封孔采用0.6∶1 水灰比，每12 公升水（15 kg）配1 袋料（每袋25 kg），純攪拌時間不得低于3 min，攪拌均勻。

3）注漿封孔。將檢修完畢的注漿泵2 個吸漿籠頭分別放入2 個攪拌桶內(nèi)，開泵，調(diào)小壓力和流量，將管路內(nèi)清水打完，管口出稠漿時，連接囊袋注漿管尾端，開始注漿，因囊袋為透水布袋，注漿初期孔內(nèi)有清水流出，之后逐漸消失，加快泵速，依次注滿囊袋和封孔段，當返漿管開始返漿時，停止注漿，關(guān)閉注漿管和返漿管管口，底板鉆孔無返漿管，主要通過人工觀察稠漿位置，從孔口流出時，停止注漿，拆除管路，徹底清洗。

4）實施方式。為避免材料浪費、提高實施效率，采用集中安裝封孔囊袋、集中制漿注漿方式，10 個鉆孔全部安裝完畢后，再進行封孔。

4 實施效果

2022 年6 月8 日在設(shè)備、材料、囊袋等現(xiàn)場準備完畢后開始實施，1 個半班完成全部封孔作業(yè)，實際消耗封孔材料3 025 kg，封孔過程中漿液凝固情況良好，人員主要工作是安裝囊袋和制作封孔漿液，勞動強度較小。

與其他封孔方式相比，采用黃泥卷方式，頂板鉆孔難以保證封孔長度和填實率，底板鉆孔難以控制封孔范圍，且強度較低，水泡容易軟化，封孔效率低下，封孔效果較差；采用聚氨酯類高分子材料封孔，因凝固速度快不可調(diào)，難以保證封孔長度，且遇水發(fā)泡，嚴重影響強度，難以達到理想效果。

封孔完成后，頂板鉆孔淋水完全消失，巷道繼續(xù)掘進，在掘進過程中，以及巷道后續(xù)使用的8 個月內(nèi)，頂板鉆孔和底板鉆孔未有明顯異常變化。

5 結(jié) 論

1）頂板探水鉆孔封孔主要存在孔內(nèi)淋水問題，底板探水鉆孔封孔需要通過注漿驅(qū)替積水從孔口排出，根據(jù)要求不同，設(shè)計了雙囊袋和單囊袋2 種封孔裝置。

2）采用無機封孔材料，水灰比0.6∶1～1∶1，凝結(jié)時間可調(diào)，約30～180 s 失去流動性，5～15 min 完全固化，固結(jié)體抗風化、耐水泡、耐酸堿腐蝕，根據(jù)頂板鉆孔和底板鉆孔對漿液凝結(jié)時間要求，設(shè)計了0.8∶1 和0.6∶1 兩種水灰比及封孔實施工藝。

3）現(xiàn)場實施表明，1 個半班完成了10 個探水鉆孔的封孔作業(yè)，實際消耗封孔材料3 025 kg，封孔過程中漿液凝固情況良好，勞動強度較小，與黃泥卷封孔和聚氨酯封孔相比，技術(shù)優(yōu)勢明顯。巷道在繼續(xù)掘進過程中和后續(xù)使用的8 個月內(nèi)，頂板鉆孔和底板鉆孔未有明顯異常變化。