山东许厂煤矿水文孔井下启封技术_吴新庆.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY high pressure grouting of aquifer roof; underground opening; Xuchang coal mine 封闭不良钻孔水害具有隐蔽性和突发性， 成为煤 矿安全生产的重大隐患[1-2]。根据煤矿安全规程 [3] 规定及采掘接续规划，需对生产区域内所有的钻 孔资料进行分析，发现问题及时提出并解决，特 别是封闭不良钻孔必须启封或留设防水隔离煤 柱， 以防止生产期间钻孔封闭不良钻孔导通含水 层造成水害。 许多学者从封闭不良钻孔危害程度评价[4-7]、 涌水 量预测[1]、 探查与治理[8-11]等方面进行了不同程度的研 究。其中，探查和治理是煤矿生产阶段普遍采用的手 段，主要包括理论分析[12-13 ]、地球物理探测[14-16]、钻 探[13]等。封孔主要包括地面封孔和井下封孔两种。 在前人理论分析与技术探讨基础上，笔者结合 多年煤矿生产实践经验，以山东淄博许厂煤矿 X5-3 钻孔为研究对象，采用高压注浆法进行井下启封， 为该矿及其他煤矿不良钻孔的隐患排查提供借鉴。 1 工程概况 1.1 钻孔地质概况 许厂煤矿位于济宁市城区东北约 8 km 处， 行政 区划隶属济宁市高新区。从区域水文地质情况看， 矿井所处区域水文地质单元范围东起峄山断层， 西至嘉祥断层，南起凫山断层，北至长沟断层。矿 井自上而下主要含水层有第四系砂砾层孔隙含水层、 山西组 3 煤层顶底板砂岩裂隙含水层、太原组三灰岩 溶裂隙含水层、十下灰岩溶裂隙含水层、十三灰岩溶 裂隙含水层及奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。 X5-3 号钻孔属水文观测孔， 位于许厂煤矿 1337 ChaoXing 66 煤田地质与勘探 第 47 卷 工作面内，该孔由山东省煤田地质局第三勘探队于 1982 年 3 月 8 日1982 年 9 月 7 日施工， 终孔层位 奥陶系灰岩，钻探终孔深度 563.82 m，止测深度 557.00 m。其中第四系底界深度为 174.50 m标高– 135.72 m；3 下煤层底板深度为 291.76 m标高– 252.98 m，3 下煤层厚度 5.85 m；16 上煤层底板深 度 452.66 m标高–413.88 m， 16 上煤层厚度 1.24 m。 X5-3 钻孔施工完毕后作为水文观测孔未封孔，1999 年由翔宇公司对钻孔进行地面启封，因施工困难出 现岔孔，启封至 3 下煤层底板以下。具体启封层位 不详， 结论意见为封孔不合格， 处理意见为重新启封。 随着 1337 工作面的推进将揭露 X5-3 钻孔，为避免钻 孔发生突水事故，需对该孔进行注浆封堵。 1.2 钻孔结构 X5-3 钻孔 0174.50 m 段，孔径 Φ150 mm； 174.50563.82 m 段，孔径 Φ91 mm；岔孔段孔径为 Φ91 mm。其中，02.00 m 为水泥砂浆封闭， 255.80291.8 m 为水泥砂浆封闭。 289.8563.82 m 为岔孔，未进行封闭。 2 优化施工方案 a. 第一方案 X5-3 钻孔从地面先启封至 3 下煤层底板，然后 在原岔孔位置附近找未封闭的原孔，若能够找到， 则启封至原岔孔底深 563.82 m 终孔奥灰含水层，然 后对全孔进行封闭。 b. 第二方案 在 1337 轨道顺槽X5-3 钻孔处施工 2 个三灰注 浆孔，采用高压注浆法封堵三灰裂隙，从而在奥灰 上部形成安全顶盖， 然后在 1337 工作面皮带顺槽通 过钻探、巷探找到钻孔位置，根据钻孔实际揭露情 况进行封堵。 由于地面启封封堵难度大，成本高，施工困难， 决定采用第二方案启封钻孔。 井下工程施工前， 在 1337 工作面最低点施工正 式水窝，安设两台 BQW100/50 型排水泵完善排水系 统排水能力不小于 80 m3/h， 直接将水排入–255 m 水 平轨道大巷，沿大巷水沟流入中央泵房水仓。 3 高压注浆施工工艺 3.1 钻探工程 1337 轨道顺槽设计共布置 2 个孔，孔深分别 为 87 m、80 m表 1，对 X5-3 钻孔进行高压注浆。 为保证注浆浆液能充满、充实到 X5-3 钻孔，注浆 层段确定为三灰含水层；即便注浆液不能完全充 实到 X5-3 钻孔，也必将 X5-3 钻孔三灰含水层段 改造为隔水层。根据经验，预期注浆扩散半径为 8.0 m。 表 1 钻探注浆工程量及技术参数 Table1 Drilling Grouting Quantity and Technical Parameters 孔号 方位角/ 倾角/ 孔深/m 开孔位置 1 12 –40 87 1337轨道顺槽107号导线点以内20 m，左帮底板 2 228 –40 80 1337轨道顺槽737号导线点以内16 m，左帮底板 3.2 孔口安全套管下设长度 X5-3 钻孔终孔层位为奥灰含水层，据目前地面 L13–Ⅰ水文观测孔奥灰水位4.1 m， 换算至 1337 轨 道顺槽钻孔开孔口处奥灰水头静水水压为 2.47 MPa。 依据煤矿防治水细则规定，当水压 23.0 MPa 时，孔口安全套管长度不小于 20 m。 3.3 钻孔结构 考虑奥灰含水层水压较大及矿压等不利因素的 影响，钻孔采用双层套管，并用水泥固结且做耐压 试验。 根据煤矿防治水细则有关规定，钻孔采用 三级结构双层止水套管，钻孔开孔 Φ91 mm 钻头 钻进到 5.5 m 后，用 Φ146 mm 钻头扩孔到 5.5 m， 下入 Φ127 mm 的护孔套管 5.0 m，孔口管外口外露 0.2 m，孔口外壁周围与孔壁之间用树脂锚固剂捣实 封闭，封闭长度不小于 0.5 m，同时预埋导气铁管， 导气铁管加上小闸阀，注浆固管且做耐压试验压力 大于 4.0 MPa，注浆固管且做耐压试验合格后换直 径Φ110 mm钻头钻进距三灰顶界以上2 m垂距后， 下入 Φ89 mm 套管； 注浆固管且做耐压试验合格后， 换 Φ73 mm 钻头钻进至终孔。 3.4 钻探质量技术要求 a. 注浆钻孔按设计要求允许偏差应符合钻孔 开孔间距误差0.1 m，钻孔偏斜率≤0.5，钻孔深 度误差0.1 m。 b. 孔口管结构应符合设计要求，埋设牢固。 c. 钻孔的位置、倾角应由测量及防治水工程技 术人员根据设计，实地测量后标定。 d. 施工过程中，必须现场交接班，每班要准确 丈量钻具，并按照表格要求准确详细地记录原始数 ChaoXing 增刊 1 吴新庆等 山东许厂煤矿水文孔井下启封技术 67 据，严禁涂改、划改，记录字迹必须清楚工整。 3.5 钻探施工 3.5.1 施工方法和顺序 选用杭钻 650 型液压钻机，进行钻孔。开孔选 用 Φ89 mm 无心钻进至 5.50 m， 换用 Φ146 mm 钻头 扩孔至 5.00 m，下入 Φ127 mm 孔口管 5.00 m， 套管 外环状间隙水泥浆封闭，共用水泥 150 kg。水泥凝 固 24 h 后， 扫孔至 5.5 m， 打压试验， 压力 4.5 MPa， 周围无异常，打压试验合格。采用 Φ89 mm 钻头钻 进至 82.50 m，再换用 Φ108 mm 扩孔钻头扩孔至 82.00 m。下入 Φ89 mm 套管 82.00 m，并用水泥浆 对套管外环状间隙全固管，共用水泥 800 kg，清水 800 kg。水泥凝固后，投孔至 82.50 m，打压试验， 压力为 5 MPa，周围无异常，打压试验合格。 打压试验结束后，换用 Φ73 mm 取心钻进至终 孔 108.65 m。全孔采用清水钻进。 施工选用的设备及用水来源杭钻 650 型液压 钻机、钻场附近的钻孔水。 3.5.2 终孔钻孔结构 05.00 m，孔径 Ф146 mm，下入 Ф127 mm 套 管 5.00 m，用水泥浆全固管； 5.0082.50 m，孔径 Ф108 mm，下入 Ф89 mm 套管 82.00 m，用水泥浆全固管； 82.50108.65m，终孔，孔径 Ф73 mm，裸孔。 3.6 地 层 该孔揭露地层为石炭二叠系太原组，全孔取 心钻进。岩性上部主要由灰白色细砂岩及中砂岩、 灰黑色泥岩、煤、灰色石灰岩、灰黑色粉砂岩。其 中三灰深度为 88.6599.65 m，钻孔方位角 12，倾 角–40，斜厚为 10.00 m，垂厚为 6.43 m。 3.7 水量与水压观测 观测该孔三灰水量为 11 m3/h， 水压为 1.8 MPa。 3.8 钻孔注浆封闭 3.8.1 注浆量估算 注浆量计算采用如下公式 21QRH 1 式中 Q 为注浆量，m3；R 为浆液扩散半径，根据许厂 矿多年帷幕注浆经验，拟定浆液扩散半径为 8 m；H 为注浆长度，取 30 m；η 为岩层孔隙率，取 1；β 为 浆液充填系数，一般取 0.70.9，本次设计取 0.7；λ 为浆液损失系数， 一般取1030％， 本次设计取10。 代入式1，计算得出的注浆量为 3.7 m3，须注 入水泥 5 300 kg。 3.8.2 注 浆 该孔启封深度为 108.65 m，注浆封孔预注浆水 灰比按 1︰0.3 进行，后期调制 1︰1 到终孔，终孔 注浆压力为 8 MPa，持续 30 min。 4 钻探与巷探施工工艺 4.1 钻探工程 1337 皮带顺槽设计共布置 2 个孔对 X5-3 钻孔 进行探查，孔深均为 35 m表 2。 表 2 钻孔技术参数 Table2 Technical parameters of borehole 孔号 方位角/ 倾角/ 孔深/m 开孔位置 1 122 8 35 1337皮带顺槽705号导线点以内2.5 m，右帮底板以上1.0 m 2 122 8 35 1337皮带顺槽705号导线点以内3.5 m，右帮底板以上1.0 m 严格按照煤矿防治水细则规定，钻孔采用 三级结构双层止水套管，钻孔开孔 Φ91 mm 钻头 钻进到 5.5 m 后，用 Φ146 mm 钻头扩孔到 5.5 m， 下入 Φ127 mm 的护孔套管 5.0 m，孔口管外口外露 0.2 m，孔口外壁周围与孔壁之间用树脂锚固剂捣实 封闭，封闭长度不小于 0.5 m，同时预埋导气铁管， 导气铁管加上小闸阀，注浆固管且做耐压试验压力 大于 4.0 MPa，注浆固管且做耐压试验合格后换径 Φ110 mm 钻头钻进 15 m 后，下入 Φ89 mm 套管； 注浆固管且做耐压试验合格后，换 Φ73 mm 钻头钻 进至终孔 35 m，两探查孔均无涌水。 4.2 巷探工程 1337 巷探布置在工作面皮带顺槽，巷道为全煤 掘进，锚索支护形式；巷探为矩形断面，设计全长 为 31 m，分为断面 1、断面 2 和过渡段，其中断面 1设计荒宽为3.2 m， 荒高为2.6 m， 设计长度为23 m； 过渡段设计长为 1 m；断面 2 设计荒宽为 5 m，荒高 为 2.6 m，设计长度为 7 m。巷道内水沟布置在掘进 方向的左侧，宽深为 300 mm200 mm。 在 1337 皮带顺槽内 705 号导线点前 3.5 m 处 的右侧巷帮处，按 122方位角、巷探巷道断面规 格、沿煤层顶板掘进施工 6 m巷道中心线位置， 平距，然后再将巷道开门口范围内的巷道底板， 按照8上坡与门口处的 1337 皮带顺槽巷道底板 顺齐，施工至 6 m 掘进迎头后继续按 122方位角 施工 31 m。 ChaoXing 68 煤田地质与勘探 第 47 卷 5 钻孔启封 5.1 巷道探查 1337 巷道探查按照 122方位角、8倾角施工 至 30 m 处，揭露 X5-3 钻孔，钻孔套管完整无渗漏 水现象，应用 SET-2010 全站仪进行控制测量，对钻 孔坐标进行核实。 5.2 钻孔封堵 按照预先编制的专项措施在管壁上接入 Φ50 mm 高压直通闸阀，使用专业钻具通过直通闸阀与钻孔 内部通透，安设压力表测量水压值为 2.48 MPa，提 取水样进行水质分析。钻孔积水经过 Φ50 mm 高压直通 闸阀24 h，疏放210 m3后，量测水压值仍为2.48 MPa， 同时水样化验结果为奥灰水质。注浆封孔预注浆水 灰比按 1︰0.3 的比例进行，后期调制 1︰1 到终孔，终 孔注浆压力为 8 MPa， 持续 30 min， 共用水泥 6 000 kg。 凝固 24 h 后钻孔周围起底至煤层底板以下 1.0 m， 使用手动割管机对揭露的钻孔上、下部进行截割， 然后对钻孔下部套管实施压槽套丝盖帽封堵，上 方再浇筑 0.6 m 厚度的混凝土，钻孔封堵工作结束。 该次启封 X5-3 钻孔工程严格按照设计进行， 巷 道施工、注浆压力、浆液配比均符合设计要求，封 孔质量合格，达到设计要求和目的，并保证了矿井 的安全生产。 6 结 论 a. 优选采用高压注浆法井下启封不良钻孔，通 过钻探、巷探对山东许厂煤矿 X5-3 钻孔进行封孔。 b. 通过实施井下巷探， 采用高压注浆封堵， 终孔 注浆压力为 8 MPa，持续 30 min，共用水泥 6 000 kg， 成功实施封堵。 c. 该钻孔启封技术既简化了施工工艺，又保证 了施工质量，同时避免了地表启封损坏农作物而引 起的地企纠纷，取得了良好的经济、社会效益。 参考文献 [1] 董书宁. 对中国煤矿水害频发的几个关键科学问题的探讨[J]. 煤炭学报，2010，35166–71. 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