井下帶壓水文鉆孔封堵技術研究

白利明

井下帶壓水文鉆孔封堵技術研究

白利明

（西山煤電（集團）有限責任公司邢家社煤業公司，山西 太原 030053）

通過對鎮城底礦GS13－2水文孔出水經過、突水原因的分析，提出適合井下帶壓水文鉆孔的封堵治理方案，總結了配重計算、止水塞下放、補注漿等技術措施。在此基礎上，提出了水文鉆孔設計與施工等方面的合理化建議，為同類鉆孔的施工、日常監管與應急封堵提供了借鑒。

帶壓水文鉆孔；突水；封堵

井下未封堵的水文鉆孔是帶壓開采礦井進行地下水動態監測的重要部分，同時也是礦井水患之一。由于管壁腐蝕、構造應力破壞以及礦山壓力等因素影響，水文鉆孔極易出現無計劃突水，給礦井安全生產造成嚴重威脅。西山煤電集團所屬各帶壓開采礦井均不同程度地存在井下未封堵水文鉆孔的隱患，在強化日常監測管理的同時，研究帶壓水文鉆孔突水封堵技術，提高礦井防治水應急能力是非常必要的。本文以鎮城底礦GS13－2水文孔出水封堵為實例，分析研究了其具體封堵技術，可為同類鉆孔的施工、日常監管與應急封堵提供借鑒。

1 概 況

GS13－2水文孔位于鎮城底礦井下760東軌道大巷800 m處，由148隊于2002年1月施工，2002年7月竣工，孔深380 m，開孔層位為太原組8＃煤底板，終孔層位為奧陶系中統上馬家溝組下段，孔深80 m時進入中奧陶統石灰巖。該孔開孔為377 mm無縫鋼管，逐段孔徑為325 mm、273 mm、219 mm、168 mm，孔口173.68 m以下為直徑168 mm花管。鉆孔抽水試驗涌水量最大為299.988 m3／h。鉆孔結構見圖1。GS13－2水文孔硐室底板標高＋771 m，奧灰水靜止水位標高＋900 m，帶壓1.29 MPa，突水系數為0.026 MPa／m，隔水層厚度約80 m。

圖1 GS13－2水文鉆孔結構圖

2011年8月8日凌晨5∶30，井下匯報760東軌道大巷800 m處GS13－2水文孔硐室有水涌出，經觀測，發現GS13－2水文孔硐室底板有4個較大涌水點和3個小的涌水點，涌水水源確定為來自GS13－2孔內的奧陶系巖溶水。現場檢測H2S氣體濃度為0.8×10－6，總涌水量約150 m3／h。8月8日早8∶30，涌水量逐漸增至230 m3／h，后逐漸趨于穩定。

2 出水原因分析

根據對鉆孔出水情況和GS13－2水文孔鉆孔結構分析，認為出水原因如下：

1）設計不當：施工中鉆孔結構由3徑變成復雜的5徑，不取芯鉆進，致使層位判斷不準確。第一徑套管未下到位（奧灰頂界面），致使煤系地層段增加一徑325 mm的井壁管；鉆至峰峰組地層段時，出現嚴重孔壁坍塌，而下一徑273 mm管護壁，未下到峰峰組底，而后又多下一徑219 mm井壁管。

2）孔壁坍塌：因施工時地層坍塌嚴重，致使井壁管滑動，在變徑連接處、井壁管薄弱處破裂而造成出水。

3）水質腐蝕井壁管：井壁管經過近十年的水質腐蝕，在變徑連接處、井壁管薄弱處破裂而造成出水。

4）奧灰靜止水位升高：鎮城底井田位于晉祠泉流域，由于晉祠泉流域近十年來嚴禁開采奧灰水，導致水位升高10～31 m。該水文孔原抽水試驗奧灰水位標高868.5 m，現附近水文孔觀測奧灰水位標高899.5 m。

5）構造應力作用：水文孔硐室位于馬蘭向斜軸北部，應力集中，斷裂構造較多，裂隙發育，致使巖層整體穩定性差，阻水能力減弱。

6）礦山壓力作用：GS13－2水文孔硐室底板巖層由于巷道掘進引起的礦山壓力，導致裂隙增大，奧陶系巖溶水沿鉆孔套管破裂處通過鉆孔周圍裂隙涌出。

3 鉆孔封堵方案

1）探孔深。2011年8月15日，探孔225 m，達到封堵方案要求。

2）探變徑深度及準確尺寸。8月15日，探至70 m見273 mm套管頂端位置，探至145 m見168 mm套管頂端位置。施工方根據探孔情況加工止水塞和配重圓鋼。

3）止水塞的制作和下放。

第一組止水塞放于168 mm套管頂部，深度145 m，用d190 mm止水塞（2 m，重0.44 t）和d140 mm圓鋼（8根，24 m，共重2.91 t），在190 mm止水塞上纏膨脹膠皮。8月19日凌晨，第一組止水塞下到預定位置，水量由230 m3／h減小為170 m3／h，達到設計要求，但因配重不足，止水效果不理想。

第二組止水塞放在273 mm套管頂部，深度在70 m（峰峰組頂部）。8月21日，開始下d297 mm止水塞（2 m，重1.09 t）和d200mm圓鋼（5根，15m，共重3.70 t），但止水塞下至53 m處受阻。現場分析認為，與孔徑、水壓等有關。后用d300 mm鉆頭掃孔，至70 m見273 mm套管頂端。

8月24日，重新開始空下d297 mm止水塞（2 m，重1.09 t）和d200 mm圓鋼（5根，15 m，共重3.70 t），至58 m水壓太大、配重不夠受阻。8月25日，增加兩根d200 mm圓鋼（2根，6 m，共重1.48 t），空下d297 mm止水塞，可下至70 m處，但纏上膨脹膠皮后，下至50 m處受阻，經分析配重仍然不足。

8月30日，增加d303 mm止水塞（1.0 m，重0.57 t）和d200 mm圓鋼（3根，9 m，共重2.23 t）下至70 m處，水量減小為90 m3／h，之后2 h不出水，后水量又增加為50 m3／h，配重仍然不足。

9月3日，增加d200 mm圓鋼（2根，6 m，共重1.48 t），止水塞下到70 m，3 h后水文孔停止出水，水文孔硐室內僅有1～2 m3／h水流出，達到注漿封堵要求。

4）注漿止水。下止水塞止水成功后，開采進行圍幕注漿，9月5日注漿完畢，并用堵盤將孔口封堵。9月7日驗孔，泥漿凝固效果良好，打開堵盤泥漿下沉2.0 m，再次進行了補注漿。兩次用水泥共12 t。

4 封堵技術研究

1）配重計算。

第一組止水塞：

半徑：r＝0.168 m／2＝0.084 m

壓強：P＝1.29＋1.73＝3.02 MPa

代入公式：

式中：

m—配重的重量，kg；

g—重力加速度，N／kg，取10；

s—第一組止水塞斷面，m2，取3.14×r2。計算得：

m＝6 691 kg，即6.69 t；

第二組止水塞：

半徑：r＝0.273 m／2＝0.136 5 m

壓強：P＝1.29＋0.80＝2.09 MPa

代入公式：

式中：

m—配重的重量，kg；

g—重力加速度，N／kg，取10；

s—第一組止水塞斷面，m2，取3.14×r2。

計算得：

m＝12.2×103kg，即12.2 t。

根據實際封堵情況，以上配重的計算方法可靠，能達到封堵需求，可以推廣使用。

2）止水塞下放。

在第二組止水塞下放過程中，水壓過大，止水塞受阻，通過調整設計，三次增加配重和止水塞，先空下止水塞，能達到預定位置后，再纏膨脹膠皮，成功地封堵了水文孔出水，達到注漿封堵條件。

3）注漿后進行補注漿。

9月5日注漿完畢后，9月7日進行驗孔，泥漿下沉2.0 m，再次進行了補注漿。通過兩次注漿，完成了GS13－2水文孔最后的封堵工作。

5 建 議

1）帶壓開采礦井，盡量避免井下施工水文鉆孔，如果確實需要，井下鉆孔孔徑滿足勘探基本要求即可，同時留設水文孔保護煤柱，并安設水文動態監測系統。

2）水文地質補充勘探中，水文地質鉆孔奧灰頂界面以上巖層盡量全部取芯（特別是井下水文地質鉆孔），以便準確判斷層位。

3）水文孔各級套管須下到預定位置，由于特殊情況下不能下到預定位置的，必須在水文孔綜合資料中準確說明情況。各級不同管徑處水泥壁座必須符合規定要求。

4）如要封堵水文鉆孔，封堵設計中，嚴格按照止水點水壓計算配重，減少封堵中的不確定因素，提高封堵效率。

［1］ 柴登榜.礦井地質工作手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，1986：591－610.

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［3］ 李 朋，郭冬蘭，張 強.大水量、高水壓條件下封堵井下漏水鉆孔［J］.山東煤炭科技，2010（6）：198.

［4］ 葛均剛.地面水文孔井下封堵技術［J］.煤礦安全，2007，38（06）：28－29.

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Technology Research on Plugging the Hydrogeologic Drill－hole With Pressure in Coal Mine

Bai Li－Ming

By analysing the process and the cause of the water inrush of GS13－2 hydrological hole in Zhenchengdi coalmine，puts forward the plugging solution to suit for underground hydrological drilling with pressure，summarizes technicalmeasures such as weight calculation，installing sealing plug，filling grouting and etc.On this basis offers rationalization proposal on hydrological borehole design，construction and other，for similar drilling construction，daily supervision and emergency plugging provides the reference.

Hydrogeologic drill－hole with pressure；Water inrush；Plugging

TD745

B

1672－0652（2013）04－0007－03

2013－01－16

白利明（1970—），男，山西興縣人，1997年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事礦井地質與水文地質工作（E－mail）351005352＠qq.com