高承压水文钻孔突水事故快速处理技术及应用.pdf

1772020 年第 5 期 高承压水文钻孔突水事故快速处理技术及应用 王 鹏 （永煤集团股份有限公司顺和煤矿，河南 永城 476600） 摘 要 井下水文地质钻孔施工过程中常发生钻孔突水事故，钻孔突水处理难度较大且极易造成严重不良后果。鉴于此， 顺和煤矿应用了疏水让压下设套管技术处理钻孔突水事故，实践表明该技术能够迅速、安全、可靠地解决钻孔突水难题， 并且能够起到保护钻孔结构完好、延长钻孔使用寿命的作用。 关键词 高承压含水层 止水套管 突水事故 水文钻孔 中图分类号 TD745 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.065 Rapid Treatment Technology and Application of High Pressure Hydrological Drilling Water Inrush Accident Wang Peng （Yongcheng Coal Group Co., Ltd., Shunhe Coal Mine, Henan Yongcheng 476600） Abstract Water inrush accidents often occur in the process of underground hydrogeological drilling construction. The treatment of water inrush is very difficult and easy to cause serious adverse consequences. In view of this, Shunhe Coal Mine has applied the technology of setting casing under the drainage pressure to deal with the accident of water inrush from boreholes. The practice shows that the technology can solve the problem of water inrush from boreholes quickly, safely and reliably, and can play a role in protecting the intact structure of boreholes and prolonging the service life of boreholes. Key words high confined aquifers water-stop casing water inrush accident hydrological drilling 收稿日期 2019-12-17 作者简介 王鹏（1989-），男，安徽淮北人，2011 年毕业于安徽 理工大学，工程师，现在永煤公司顺和煤矿从事地测防治水工作。 井下水文地质钻孔的结构一般为止水套管护 壁，高压闸阀控制出水的结构。该结构施工操作简 单，成孔率高，能够有效地保证钻孔施工安全，便 于收集含水层水文地质信息，因而被广泛使用。然 而在钻孔的使用过程中，由于钻孔施工质量管控不 到位、地压等多种因素影响易造成钻孔突水事故。 如何快速、安全、经济地处理高承压水文钻孔突水 事故是有效避免事故进一步扩大为水灾的关键。 1 概况 1.1 工程概况 顺和煤矿是永城煤电（集团）有限责任公司 在永城本部开发建设的第五对矿井，设计生产能 力 0.6Mt/a。矿井主采煤层为二叠系山西组二2煤， 水文地质类型为中等。二2煤层开采期间直接充水 水源为山西组碎屑岩类含水层中的煤层顶底板砂岩 裂隙含水层，水交替条件极差，为弱含水层，主要 以消耗静储量为主，补给源不足，易于疏干。间接 充水含水层为石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层， 含水层组主要含水层为灰岩，次为砂岩，其间夹有 泥岩和砂质泥岩。灰岩有 11 层，厚度变化大，灰 岩单层厚度 0.50 ～ 21.54m，各层灰岩总平均厚度 51.47m，局部层位缺失，富水性一般，属岩溶裂隙 承压中等含水层。 为缓解矿井供水水压、水量不足的局面，同时 查明太原组灰岩与二2煤层间距，收集太原组灰岩 相关水文地质信息，矿井在 -702m 水平西翼胶带运 输大巷Ⅱ段施工水文地质钻孔 1 个，即 XGS1 孔。 1.2 钻孔结构及施工工艺 钻孔设计开孔层位位于二 2煤层，设计倾 角 -70，钻孔采用三级套管结构。开孔采用 Φ155mm 钻头，一级管 Φ146mm，长度 20m；二 级管 Φ127mm，长度 30m；三级管 Φ108mm，长 1782020 年第 5 期 度 40m。钻孔终孔直径为 Φ92mm，钻孔施工结构 及地质剖面图如图 1 所示。XGS1 孔于 2018 年 8 月 份施工完成，钻孔终孔孔深 199m，于孔深 195m 处 出水 65m/h，实测水压 5.0MPa，水温 41℃，钻孔 水量稳定。 1.3 钻孔突水事故情况 钻孔使用过程中，2019 年 6 月发现钻孔施工地 点巷道帮部多处裂隙内出现渗水现象，水色清澈， 水温 41℃，水量呈逐步增大趋势，8h 后巷道帮部 裂隙出水量增大至 5m/h。16h 后邻近巷道帮部和底 板新增 2 处出水点，共计出水量约 10m/h。发现上 述异常水文地质情况后，为防止事故进一步扩大， 将钻孔全部打开进行疏水泄压。钻孔打开后出水点 处水量明显减小，由此判断，XGS1 孔发生孔内事 故造成突水。 1.4 钻孔突水事故原因分析 XGS1 孔钻场处于 -702m 水平胶带运输大巷Ⅰ 段与Ⅱ段交岔口处，巷道为大断面施工，巷宽 5.0m， 高 4.0m，施工层位为二2煤顶板。巷道四邻施工有 采区避难硐室及西翼轨道大巷Ⅱ段，巷道密集，埋 深较深，应力较为集中。巷道布置层位距离煤层较 近，围岩工程力学性质差，且受集中的地应力影响， 压力显现明显。在钻孔施工前该处巷道即出现浆皮 开裂、脱落和底鼓变形现象。钻孔施工结束后受巷 道持续压力显现影响，钻孔附近底板岩石裂隙活化， 钻孔水沿裂隙导升涌出，造成突水事故。 2 治理方案的制定 高承压水文钻孔涌水失控是造成突水事故的主 要原因，涌水失控止水套管的作用失效，对事故钻 孔既不能关闭孔口闸门控制水，又不能直接注浆封 堵突水裂隙及突水点。因此想要快速地对突水钻孔 处理，往往从修理加固巷道，然后考虑钻孔附近底 板进行浅层加固等保守的方案进行处理，处理时间 长，不利于事故的快速消除，甚至时间耽搁造成事 故的扩大。基于上述情况，在此采用了疏水让压下 设次一级止水套管注浆封孔的办法快速进行处理。 （1）让压疏水下次一级止水套管采用顶水 的方式下设次一级止水套管。该操作可行的关键在 于保证钻孔涌水畅通，高压水流处于敞开疏水放压 的状态，水流对套管的阻滞力小，保证套管顺利下 放至预想位置。次一级套管长度应超过上一级套管 长度，且超过造成突水的裂隙点位置。原则上超过 长度以不低于 20m 为宜。 （2）让压疏水注浆加固次一级止水套管注 浆加固套管是处理事故的关键，采用让压的方式进 行注浆，从次一级套管的外壁注浆，在让压的前提 下浆液沿着套管之间的间隙向下渗透后，逐渐代替 管壁间充填的水。钻孔内的高承压水流从次一级套 管中疏水，保证了浆液沿裂隙扩散，一方面将套管 外壁进行充填加固，另一方面将突水裂隙进行隔离。 （3）止水套管加固质量检验注浆凝固后， 采用注浆设备对止水套管做耐压强度试验，检验套 管的加固质量，以及钻孔周围突水裂隙的隔离封堵 情况。 （4）高压注浆封堵钻孔，完成钻孔突水事故 的处理。 3 治理方案的实施 3.1 疏水让压下止水套管 根据 XGS1 孔钻孔的结构，本次对钻孔事故处 理采用了 Φ73mm 的无缝管作为次一级套管。钻孔 通过疏水让压下管，下入 Φ73mm 套管长度 88m， 超过钻孔三级套管 Φ108mm 套管长度 44m。套管 下入后观察钻孔周围突水点水头及水量有明显降 低，由此判断次一级套管下设长度已超过造成突水 事故的裂隙发育点位置，套管下设长度合理，效果 良好。 3.2 让压疏水注浆加固次一级止水套管 注浆加固套管采用 4 寸双法兰盘注浆装置，装 置安装结构为 Φ108mm 套管、Φ73mm 套管同心安 装法兰盘，Φ108mm 套管法兰盘上带有注浆偏嘴。 注浆装置安装完毕后，钻孔涌水自 Φ73mm 套管内 涌出，对钻孔疏水泄压。注浆时始终保持 Φ73mm 套管内涌水泄压正常。注浆采用双液固管技术，即 “水泥浆 水玻璃”的双液浆注浆。该材料具有微 膨胀性、速凝性，有效地克服了单液埋管结石率低、 终凝时间长的缺点，大大节约了加固套管凝固时间。 注浆时双液水泥浆自注浆接头进入Φ108mm套管、 Φ73mm 套管管壁之间，浆液混合后逐步将管壁之 间的水替代，最终充填为双液水泥浆。由于钻孔处 于敞开疏水泄压状态，浆液扩散至 Φ73mm 套管末 端后在涌水的作用下自Φ73mm套管内随水流返出。 此时可以证明双液浆已将 Φ108mm 套管、Φ73mm 1792020 年第 5 期 套管管壁之间的水置换为双液水泥浆。浆液凝固膨 胀后形成强度，将次一级套管凝固。XGS1 孔注浆 加固 Φ73mm 套管采用 P.O425 普通硅酸盐水泥，水 灰重量比W∶C11～11.2；水玻璃 （38～40Be′） 与水泥浆液体积比为 SC0.31 ～ 0.51，共计使用 水泥 0.85t，水玻璃 30kg, 注浆过程中双液浆自孔内 顺利返出，注浆终压 12MPa。注浆期间随着浆液的 运移扩散，巷道帮部裂隙出水量减小，注浆结束时， 裂隙跑水已全部被有效封堵。套管注浆加固示意图 如图 1 所示。 图 1 注浆加固套管示意图 3.3 止水套管加固质量检验 Φ73mm 套管注浆加固完成后，双液浆的速凝 性使得加固套管的凝固时间缩短了 24h，注浆结束 后将钻孔进行 24h 的凝固后即可对钻孔进行耐压试 验。试验采用 2ZBQ-3/21 矿用风动注浆泵清水试 压，根据钻孔水压为 5MPa、注浆终压为 12MPa， 将试压标准定为 12MPa，稳压 30min，有效证明了 Φ73mm 套管成功有效地进行了加固，将突水裂隙 成功隔离（注浆同时进行了充填封堵）。 3.4 高压注浆封堵钻孔 在对止水套管进行耐压试验质量检验后，矿 井采用地面注浆站对钻孔进行了注浆封堵。地面 注浆采用 BWD-350/10-45 型注浆泵进行注浆，注 浆同样采用 P.O425 普通硅酸盐水泥，浆液浓度为 1.28 ～ 1.32t/m3，注浆终压为 10MPa，钻孔注浆共 计 15t，有效地将钻孔进行了封堵。封堵后钻孔周 围出水裂隙均得到了封堵，无跑水现象，成功处理 了事故。 4 结论 （1） 采用疏水让压注浆， 明确浆液的运移路线， 充分明确施工的关键点，确保了套管加固质量及突 水裂隙有效隔离封堵。根据事故特点制定了详细的 处理方案，安全、快速完成钻孔封堵，成功处理钻 孔突水事故，保障了矿井安全生产。 （2）通过分析高承压水钻孔突水的特点，提 出疏水让压的人工下套管方法，避免了上设备、上 工程的繁琐及人力、物力的大量投入。钻孔事故处 理及时，针对性强，与以往的技术路线相比较，工 期及成本投入大大降低。 （3）疏水让压下止水套管的快速处理技术具 有诸多优点，在煤矿底板注浆改造钻孔、供水孔施 工具有较好的参考和推广应用价值。 （4）疏水让压下止水套管处理事故钻孔是一 种保守、快速有效的手段，在确保质量可靠的前提 下，钻孔套管下设成功保证了钻孔结构完好，使钻 孔可以继续使用，起到了修复钻孔、延长使用寿命 的作用。 【参考书目】 ［1］ 安妮，赵宇，石文广，等 . 水泥水玻璃双液浆 的特性试验研究及应用[J].铁道建筑， 2011 （12） 128-130． ［2］ 王希良，黄有汉，梁建明，等 . 高承压含水层突 水钻孔的治理技术 [J]. 矿业安全与环保，2000 （06）64-65149. ［3］ 孙尚云 . 井下水文钻孔施工及突水治理工程实践 [J]. 煤炭技术，2007（12）86-88. ［4］ 张利标 . 扩孔加壁治理钻孔井下突水 [J]. 采矿技 术，2003（12）81-82.