特殊地質(zhì)條件下覆巖離層注漿鉆孔疏通及工作面跑漿防治技術(shù)研究

何 騫

（1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013； 2.中煤科工鑫融科技創(chuàng)新發(fā)展有限公司，山東濟(jì)寧 272000；3.中煤科工循環(huán)產(chǎn)業(yè)研究院（山東）有限公司，山東濟(jì)寧 272000）

煤炭是我國“十四五規(guī)劃”中重要戰(zhàn)略資源［1-2］，但“三下”（建筑物、水體、鐵路）壓煤開采仍是目前諸多煤礦開采過程中的難題［3～5］，尤其是建筑物下采煤涉及的工農(nóng)關(guān)系復(fù)雜、搬遷費用高［6］，成為礦區(qū)發(fā)展尖銳矛盾點。因此，保證建筑物在可接受范圍內(nèi)沉降、并能夠最大限度開采出煤炭資源的不搬遷采煤技術(shù)，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點［7-8］。

國內(nèi)學(xué)者從20 世紀(jì)80 年代開始研究覆巖離層注漿技術(shù)，取得了豐碩的研究成果［9～12］，基本掌握了覆巖離層發(fā)育規(guī)律、離層注漿層位劃分、注漿技術(shù)工藝及鉆探技術(shù)工藝。近些年，覆巖離層注漿工程逐漸在陽泉礦區(qū)、峰峰礦區(qū)、開灤礦區(qū)、兗礦集團(tuán)等國內(nèi)各大礦區(qū)應(yīng)用［13～16］，達(dá)到較好的減沉目標(biāo)，逐步實現(xiàn)了不搬遷采煤技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)價值。但是，覆巖離層注漿工程具有特殊性，技術(shù)要求較高，注漿過程必須與采礦過程實時協(xié)調(diào)，處于動態(tài)變化。注漿壓力及鉆孔深度往往與工程的有效實施存在矛盾之處，較高的注漿壓力能夠?qū)r層起到良好的支撐，較深的鉆孔深度能夠?qū)崿F(xiàn)多層位同時注漿，充填效果得到保障［17～19］，但注漿壓力過大或鉆孔深度不合理，會引起井下跑漿事故，一旦采煤工作面發(fā)生跑漿、潰漿，將直接影響礦井生產(chǎn)及作業(yè)安全，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究井下跑漿事故的預(yù)防技術(shù)及方法，跑漿后科學(xué)合理的分析及對跑漿事故治理，對于離層注漿工程順利實施及礦井生產(chǎn)具有較大意義。

1 工作面鉆孔布置

某煤礦十一盤區(qū)3號綜放工作面計劃進(jìn)行采煤工作，但因該工作面地上均為村莊，人口密度大，若對該工作面影響范圍內(nèi)村莊進(jìn)行搬遷賠償，成本巨大且周期長，短期內(nèi)難以實現(xiàn)，將影響整個礦井工作面接續(xù)。因此，經(jīng)過專業(yè)技術(shù)論證，針對該工作面進(jìn)行覆巖離層注漿，能夠保證礦井工作面順利接續(xù)，又能實現(xiàn)不遷村采煤，節(jié)約成本。

3 號綜放面長度350m，寬度149m，煤層平均厚度5.5m，埋深430～540m。本次離層注漿總計布置注漿鉆孔7 個，5 個定向斜孔、2 個垂直孔，鉆孔平面布置如圖1所示。其中ZK-2孔為定向斜孔，采用三開結(jié)構(gòu)，一開孔徑311mm，下入244.5mm 護(hù)壁套管，二開孔徑216mm，下入177.8mm 技術(shù)套管，三開裸孔孔徑152mm 至終孔，成孔后全孔下入Φ89mm×6.45mm 孔內(nèi)注漿管，其中最下方54m 為花管。終孔孔深422.6m，最大井斜15.8°，視平移69.8m，成孔時孔底有漏失。

圖1 鉆孔布置Figure 1 Drilling arrangement

2 鉆孔注漿情況

2.1 注漿前壓水分析

覆巖離層注漿是一項邊采邊注的動態(tài)注漿工程，因此鉆孔成孔后受采動影響較大，在成孔以后要結(jié)合工作面推采進(jìn)度及采礦地質(zhì)條件，推測離層發(fā)育規(guī)律，同時進(jìn)行壓水試驗，分析壓水結(jié)果，確保注漿內(nèi)管及內(nèi)管與孔壁間的環(huán)空間隙通暢，選擇合理的注漿時機(jī)，才能保證后期正常注漿。

圖2 為ZK-2 孔，壓水孔口壓力p及回壓時間t與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系。分析工作面距孔底平面距離48～41.8mp-t曲線知，孔口壓力在2.8～3.2MPa，最長回壓時間40min，最短回壓時間9min，說明鉆孔注漿段通暢，壓入孔內(nèi)的水可自行擴(kuò)散；而當(dāng)工作面距離ZK-2 孔36～40.3m，多次壓水試驗，孔口壓力達(dá)3.8MPa，孔壓歸零時間最長可達(dá)208min，且單次壓水量較小，因此經(jīng)技術(shù)分析，認(rèn)為鉆孔塌孔，后下入測繩后在341m 遇阻，隨后對鉆孔進(jìn)行掃孔。

2.2 高壓氣-液聯(lián)動通孔技術(shù)

因ZK-2 鉆孔已下入注漿管，注漿管受鉆孔底部巖粉圍抱作用難以上拔，拉拔力過大會將注漿管拉斷，無法注漿。因此，常規(guī)通掃孔工藝難以實施。

經(jīng)過技術(shù)分析，決定采用高壓氣-液連動通孔技術(shù)對ZK-2孔進(jìn)行通孔。如圖3所示，首先采用定制的Φ50mm 鉆桿和三翼刮刀鉆頭自注漿管內(nèi)部鉆進(jìn)，采用清水循環(huán)，鉆進(jìn)至孔底后，持續(xù)用清水循環(huán)至從注漿內(nèi)管返回的水顏色變清，起鉆進(jìn)行壓水試驗，試驗結(jié)果顯示孔口壓力大于3MPa。第二，進(jìn)行循環(huán)洗井，不下入通孔鉆桿，直接從注漿內(nèi)管壓入清水，泵量需小于78～156L/min，打開觀測口閥門，觀察壓力情況，多次壓水后，觀測口閥門仍不出水且孔口壓力大于3MPa，經(jīng)分析知底部注漿通道不通暢，故壓力上升快，且注漿內(nèi)管與鉆孔之間的環(huán)空間隙堵塞，觀測孔不能出水。第三，采用高壓氣-液聯(lián)動通孔，下入Φ50mm鉆孔距孔底1～2m，將孔口鉆桿與注漿管及注漿管與Φ177.8mm 之間的間隙焊接封堵，打開觀測口閥門，利用高壓氣流向鉆孔內(nèi)部壓氣，每次壓氣壓力上升到2～3MPa 時停止。在前5次壓氣過程中，觀測口閥門無流水，但伴有氣流聲。第6 次壓氣時，觀測孔開始滲水，且水量逐漸增大，出水時間從20s逐漸增加，直至壓氣14余次后，觀測孔出水時間可達(dá)2min以上。

圖3 鉆孔投影示意Figure 3 Schematic diagram of drilling projection

經(jīng)分析可知，鉆孔內(nèi)的氣體及液體在高壓推動下，多次滲入地層內(nèi)部，對地層裂隙進(jìn)行壓裂，同時在高壓氣體及液體多次沖擊作用下，注漿內(nèi)管與鉆孔之間的環(huán)空間隙逐漸被導(dǎo)通，觀測口得以出水。出水后，在多次壓氣條件下，鉆孔底部周圍沉積的沉渣及環(huán)空間隙的沉渣被循環(huán)水流攜帶出鉆孔，且鉆孔底部周圍的裂隙被沖開。此外，每次壓氣結(jié)束，會在孔底周圍形成負(fù)壓區(qū)，有助于鉆孔周邊的地層水向鉆孔內(nèi)流動。故經(jīng)高壓氣-液聯(lián)動通孔后，ZK-2鉆孔成功疏通，節(jié)約重新施工鉆孔的成本。

通孔完成后，按照回采進(jìn)度進(jìn)行壓水試驗如圖2 所示，分析結(jié)果可知隨著工作面與鉆孔孔底距離不斷縮短，壓水回壓時間逐漸縮短，孔口壓力保持在0.8MPa 以下，特別當(dāng)工作面距鉆孔孔底11m 以內(nèi)后，回壓時間逐漸縮短，均在5min以內(nèi)。

2.3 注漿及工作面跑漿

綜合分析壓水情況，且工作面已距離ZK-2 孔孔底10m，故決定對ZK-2 孔試注漿。初始采用水∶灰（粉煤灰）=3∶1～2∶1的稀漿，后水灰比逐漸過渡度為2∶1～1.1∶1，流量546～1 248L/min，孔口壓力0～2.7MPa，平均壓力0.9MPa，在此期間，地面巡視無跑漿現(xiàn)象、井下淋水量無明顯增大，注漿壓力無異常突降情況，平均日注灰量618t，注采比約34%。

至工作面過孔底0.7m 當(dāng)天夜班，據(jù)井下反饋，3號工作面上段（南側(cè)）出現(xiàn)兩處滲水異常點，如圖4所示，并伴有稀漿涌出，流量在30m3/h左右。

圖4 工作面出漿點Figure 4 Slurry discharge points on the working face

跑漿后約1h，井下水量減小至15m3/h，且已變成清水。跑漿后約4h，工作面已無明顯漿液跡象，兩處滲水異常點的滲水流量6m3/h 左右，且明顯為砂巖裂隙水。隨即對ZK-2 號孔壓入含有示蹤劑的清水，并記錄含示蹤劑的清水到工作面的時間，發(fā)現(xiàn)后停止壓水，并統(tǒng)計計算總壓水量及工作面流入含示蹤劑清水的方量，隨后暫停注漿工作。

3 跑漿原因分析及處理

3.1 跑漿原因分析

3.1.1 3號綜放工作面地質(zhì)采礦情況

1）周邊采面。3 號工作面東部為十一盤區(qū)軌道，東南方向為已采完的2號工作面，西部為東北翼回風(fēng)道，北部為未開采區(qū)域。工作面下部4 煤為采條帶采空區(qū)，層間距約35m，2013 年回采結(jié)束，平均采厚1.3m，與3號工作面部分區(qū)域重合，工作面北側(cè)為溜子道、南側(cè)為運料巷（圖5）。

2）構(gòu)造。工作面中東部受向斜構(gòu)造影響，巖層走向SE 轉(zhuǎn)NE，傾向NE 轉(zhuǎn)NW，中部位于向斜軸附近。

根據(jù)鄰區(qū)采掘活動及工作面掘進(jìn)期間揭露的斷層情況，受向斜構(gòu)造影響，掘進(jìn)、回采過程中揭露小斷層較多。其中，較大斷層為F01斷層，位于3 號與2 號工作面之間，傾角45°～70°、落差4.5～15m（圖5）。

3.1.2 跑漿原因分析

1）F01斷層影響導(dǎo)水裂縫帶異常發(fā)育。由F01斷層產(chǎn)狀及位置可知，該斷層從工作面上方穿過，與工作面相對位置見圖5、圖6。分析工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)，工作面初次來壓步距約20m，周期來壓步距約10m，出現(xiàn)導(dǎo)水裂縫帶的推進(jìn)距離為50～60m。截至跑漿當(dāng)天3 號工作面已推進(jìn)53m，同時該推進(jìn)距離正處于來壓前后，所以此階段工作面導(dǎo)水裂隙帶開始發(fā)育，同時該推進(jìn)距離正處于來壓前后，煤巖應(yīng)力集中破碎性增強(qiáng)，導(dǎo)水性增強(qiáng)。

根據(jù)長壁綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶受斷層影響的發(fā)育規(guī)律［20］，結(jié)合平面和剖面圖可知，F(xiàn)01斷層下部位于導(dǎo)水裂縫帶以內(nèi)，上部位于導(dǎo)水裂縫的上部。因此，經(jīng)分析工作面開采后將造成以下情況：

①3 號工作面開采后，工作面上段導(dǎo)水裂縫帶與斷層弱面溝通，位于3 號面運料巷和2 號面探巷之間的導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)的巖層加劇了覆巖的破壞程度，滲透性大幅增加。

②位于2號面探巷以北的局部工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶范圍將有所擴(kuò)大，即發(fā)育高度增大，并于其上斷層弱面溝通。

③如圖7所示，根據(jù)覆巖移動規(guī)律，當(dāng)斷層面傾角與開采移動角傾向相反時，斷層面上部位于采動影響范圍內(nèi)，斷層面下部位于采動影響范圍外。工作面開采后，特別是當(dāng)斷層位于工作面上方時，覆巖將優(yōu)先沿斷層面ab 移動，使斷層活化，弱面裂隙通道暫時打開，滲透性增大，形成導(dǎo)水通道。

圖7 斷層面傾角與移動角傾向相反活化特征Figure 7 Activation characteristics when the dip angle and movement angle of the fault plane are opposite

根據(jù)上述規(guī)律，結(jié)合3 號工作面及F01斷層位置關(guān)系可知，工作面開采后巖層上山方向移動角與F01斷層傾向相反，斷層面上部位于3 號工作面采動影響范圍內(nèi)。當(dāng)3 號工作面開采后，上覆巖層發(fā)生移動時，覆巖將優(yōu)先沿斷層面弱面移動，使斷層活化，斷層通道暫時打開。

2）小裂隙影響。從圖5、圖6 可以分析可知，向斜軸部附件和F01斷層兩側(cè)伴生裂隙較發(fā)育，導(dǎo)致工作面附近煤巖體較破碎，3 號工作面上段割煤過程中出現(xiàn)煤壁片幫、割煤后頂板隨即冒落等現(xiàn)象，伴生裂隙致受開采擾動后裂隙擴(kuò)展、滲透性增大，在煤壁上方亦可形成跑漿通道。

3）支承壓力影響。工作面開采過程中，在四周煤體及覆巖形成支承壓力區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5～3倍的原巖應(yīng)力。煤層開采后，支承壓力使得煤壁上方煤巖體更易破碎，產(chǎn)生煤壁片幫，滲透性增加，特別位于向斜和斷層構(gòu)造附近的3號工作面上段的煤巖體。

綜上，確定本次跑漿事故為受采動影響F01斷層上段活化、向斜構(gòu)造附近裂隙發(fā)育，形成暫時過漿通道，ZK-2孔漿液通過孔底破碎地層或離層空間與活化的F01斷層上段暫時連通，并通過3 號面運料巷和2 號面探巷間較為發(fā)育的裂縫與工作面溝通，并在本段形成跑漿通道，漿液流入工作面。

3.2 綜合處置

3.2.1 導(dǎo)漿通道封堵

根據(jù)本次事件原因，結(jié)合礦井工作面實際狀況，制定針對性的處置措施，確保井下生產(chǎn)和地面注漿工作正常進(jìn)行。處置原則如下：

1）ZK-2孔保持暫停注漿狀態(tài)，待漿液沉淀一定時間即工作面恢復(fù)生產(chǎn)，推采過ZK-2 孔3m 后，對跑漿通道進(jìn)行封堵處理。

2）采用多次、定量注純水泥漿的方法，對裂隙進(jìn)行封堵，水泥漿液密度應(yīng)大于1.5g/cm3。

3）后期注漿過程中，漿液濃度，保持在70%以上。同時，遇到鉆孔注漿不帶壓或負(fù)壓等情況，加強(qiáng)分析判斷，必要時添加水泥。

4）對ZK-2 孔注水、注水泥漿過程中，井下和注漿站做好信息一致及時，確保安全、有效處置完該事件。

采用純水泥漿液對跑漿通道進(jìn)行封堵，水泥漿液的壓入量較為關(guān)鍵。若壓入量不足，封堵效果不佳，繼續(xù)影響后續(xù)生產(chǎn)及注漿。若水泥漿液壓入量過大，會造成鉆口周邊離層裂隙被封堵，后續(xù)注漿質(zhì)量將受到影響。因此，需準(zhǔn)確的計算每次水泥漿液的壓入量，保證跑漿通道被良好封堵。

水泥漿壓入量按照以下經(jīng)驗公式計算：

式中：V為需壓入水泥漿的方量，m3；V1、V2為工作面跑漿點無明顯涌水或涌水量小于礦井開采正常涌水量7m3/h 時，壓入含有示蹤劑清水的總方量及流入工作面含有示蹤劑清水的方量，m3；V3為壓水后鉆孔內(nèi)剩余水量，m3；k為修正系數(shù)，因隨著工作面推采及粉煤灰漿液沉淀，部分導(dǎo)漿通道閉合，取0.5～0.9，工作面推采距離越大、壓水泥漿時距跑漿時間越久取值越小。

其中，V1、V3可表示為

式中：Q為注漿泵流量，L/min；t為跑漿后壓入含示蹤劑清水的時間，min；V鉆孔為鉆孔體積，m3；V管為注漿內(nèi)管本身體積，m3。

（1）～（3）式中，本次封堵是在工作面推過3m 即跑漿1 天半以后，k取值為0.8，因長期注漿鉆孔內(nèi)水位總體較高，故V3簡化為鉆孔環(huán)空間隙的體積，Q為741L/min，壓水試驗實測t為76min、V2為14m3。

綜合以上各參數(shù)，計算得需壓入水泥漿液量V為28m3。

3.2.2 封堵實施及效果

工作面采過ZK-2 孔3m 時，開始進(jìn)行封堵工作，因壓入水泥漿液以后要壓水洗孔，壓水量不得低于鉆孔體積的1.5 倍，所以調(diào)制的水泥漿液密度大，具體封堵過程如下：

1）注入密度為1.7g/cm3純水泥漿液28.5m3，孔口最大壓力顯示為2.5 MPa，并能夠持續(xù)保持壓力。

2）壓入清水10m3，壓水過程中孔口壓力1.7～2.6MPa，停止壓水后23min 孔口壓力歸零。第一次封堵結(jié)束，初步判斷封堵效果良好。

分析封堵結(jié)果可知，壓漿過程井下未發(fā)現(xiàn)異常情況，且孔口能保持壓力，說明部分導(dǎo)水通道自然閉合。壓水洗孔能保持壓力并短時間內(nèi)歸零，說明存在導(dǎo)漿裂隙，因此24h 后進(jìn)行二次封堵。第二次封堵加入密度為1.65g/cm3純水泥漿液15m3，孔口壓力保持在1.6～2.7MPa，30min孔口壓力歸零。

經(jīng)過兩次封堵，采煤工作面未見涌水異常，孔口壓力未出現(xiàn)明顯性突降，且平均壓力能夠保持2MPa，據(jù)此判斷，具備繼續(xù)注漿條件，因此侯凝24h后恢復(fù)正常注漿，回復(fù)初期注漿壓力保持在2～2.5MPa。

隨著工作面推采，ZK-2 孔恢復(fù)正常注漿，注漿壓力能夠保持在3MPa，井下未再次發(fā)現(xiàn)異常情況，累計注漿2.5萬余噸。

4 結(jié)論

1）分析了十一盤區(qū)3 號作面ZK-2 孔離層注漿鉆孔前期壓水p-t曲線，結(jié)合孔口壓力、回壓時間、推采進(jìn)度以及鉆孔附近地質(zhì)條件等因素，確定ZK-2孔開始注漿時機(jī)為回采線距離孔底10m。針對性的采用高壓氣-液聯(lián)動通孔技術(shù)，成功疏通ZK-2 鉆孔，節(jié)約施工成本。

2）從地質(zhì)構(gòu)造、采動影響裂隙發(fā)育、支承壓力等方面，確定了ZK-2 號孔跑漿原因為：受采動影響F01斷層上段活化、向斜構(gòu)造附近裂隙發(fā)育，形成暫時過漿通道，ZK-2 孔漿液通過孔底破碎地層、離層空間與活化的F01斷層上段暫時連通，并通過3 號面運料巷和2號面探巷間較為發(fā)育的裂縫與工作面溝通，并在本段形成跑漿通道，漿液流入工作面。

3）從堵漏時機(jī)、漿液種類、密度、實施方法等方面確定ZK-2 孔跑漿綜合處置方案，提出了計算封堵漿液壓入量的經(jīng)驗公式，經(jīng)實施堵漏效果良好，高效恢復(fù)ZK-2 孔正常注漿，ZK-2 孔后期順利完成注漿施工。