井下探水鉆孔動水條件下注漿治理

常英俊

(霍州煤電集團公司，山西 霍州 031400)

探水鉆孔突水是水文地質條件復雜的帶壓開采礦井經常發生的具有一定危害性的安全隱患。如果長期不治理，會增加排水費用，甚至引發突水事故。因此，對于較大涌水量的鉆孔，應該采取適當的治理措施進行封堵。目前，鉆孔突水治理一般均采用水泥注漿，這種方法成本較低，但是對于水壓較大的鉆孔突水，由于水泥凝固時間較長，導致堵水效果較差。為此，采用能與水發生反應的高分子化學漿作為堵水材料，縮短漿液凝固時間，進而對鉆孔進行有效的封堵。

1 礦井及出水位置概況

興盛園煤業為霍州煤電集團所屬資源整合礦井，批準開采1#、2#、10#、11#煤層，井田面積為6.425 7 km2，為帶壓開采礦井，主采煤層為山西組1#、2#煤層。1#、2#煤層礦井水文地質類型中等，10#、11#煤層礦井水文地質類型復雜。

該煤礦為了安全生產，在強排硐室開口處進行了超前探水，根據瞬變電物探圈定的兩個異常區，進行了鉆探驗證(探水鉆孔布置見圖1).3#探水鉆孔施工至41 m 時鉆孔出水，水沒有異味，涌水量約為35 m3/h.0 ～19.7 m 是巖層，19.7 ～22 m 是煤，22 ～41 m 是巖層(3#鉆孔巖層圖見圖2).3#探水鉆孔出現涌水后，關閉孔口管閥門，進行了試壓，壓力表升至0.6 MPa，鉆孔附近的巷道壁后出現泄漏水，采取水泥注漿處理后未能封堵住涌水，涌水量最大時達65 m3/h.

圖1 強排硐室開口處探水鉆孔布置剖面示意圖

圖2 3#鉆孔巖層圖

2 突水機理

2.1 煤層頂底板巖性

開采煤層為2#煤，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖、細砂巖。2#煤層頂、底板直接含水層為砂巖含水層，單位涌水量平均為0.009 2 L/s·m，屬弱富水含水巖組。2#煤層的間接含水層為太原組灰巖(K2、K3、K4)和奧灰，太原組灰巖含水層(組)單位涌水量為0.156 L/s·m，富水性中等;奧灰含水層單位涌水量為0.140 L/s·m，富水性中等。2#煤層底板直接含水層為弱富水含水巖組，K4 灰巖含水層是2#煤層底板突水的間接充水因素，距孔口約33 m.探放水鉆孔技術參數見表1.

表1 探放水鉆孔技術參數表

2.2 突水水量分析

鉆孔初始涌水量為35 m3/h，最大涌水量為65 m3/h.根據涌水量變化曲線(見圖3)分析，涌水量可以劃分為4 個階段，即:

Ⅰ階段—涌水量由初始35 m3/h 驟增，是由于受到瞬時水壓和靜儲量的影響，使得涌水量增加。

Ⅱ階段—涌水量逐漸減少，由于K4 灰巖含水層富水性不均一，含水層內部補給有緩沖時間，不能及時補給鉆孔，使得涌水量開始減少。

Ⅲ階段—由于鉆孔水得到補給，涌水量開始增加，直至最大涌水量65 m3/h.

Ⅳ階段—最后穩定在60 m3/h 左右，含水層內部形成穩定的補給條件，使得涌水量趨于穩定。

2.3 水質類型對比分析

根據已有霍州礦區水質資料，太原組灰巖含水層組的富水性不均一，水質類型較復雜，一般以HCO3·Cl－Ca 型、HCO3－Na、HCO3·SO4－Ca·Mg 型為主，礦化度為0.5 ～1.5 g/L. 經取興盛園煤業強排硐室3#探水鉆孔水水樣化驗得知，該鉆孔水化學類型為HCO3·SO4－CaMg(Na)，總礦化度為1.1 g/L.因此，該鉆孔涌水水源應為太原組灰巖水。

圖3 涌水量與時間的關系曲線圖

2.4 構造發育情況分析

根據礦井采掘巷道及物探、鉆探情況，強排硐室掘進過程中沒有揭露斷層、陷落柱等構造現象，只是探水鉆孔鉆進至K4 灰巖層時發生了突水。因此，可以說明鉆孔內涌水是由于鉆進打通了K4 灰巖含水層，導致發生突水事故。

綜合對比分析出水點位置情況、頂底板巖性、主要含水層、突水水量、水質類型以及構造發育情況，可以判定該處突水事故是由探水鉆孔打通含水層引起的鉆孔涌水事故，涌水水源為K4 石灰巖水，涌水通道為探水鉆孔。

3 堵水方案設計及實施

3.1 設計方案的優選

封堵鉆孔涌水的方法主要有兩種:通過一定方法在一定深度注漿堵水;從巷內壁后注漿封堵出水點。

本次優選方案是在一定深度注漿堵水，即從鉆孔內完整并隔水的巖層部位進行封堵。選擇這種方法的原因是:由于強排硐室處的巷道壁后為軟巖層或煤層，出水裂隙分布不勻，采取壁后注漿后涌水會從其它地方竄出，不能從根本上將涌水進行全封閉。從鉆孔內完整并隔水的巖層部位進行封堵，采用化學漿液將裂隙填充和固結軟巖層或煤層，避免注漿后涌水從其他地方竄出，從根本上將涌水封閉在涌水巖層內。

鉆孔注漿堵水施工圖見圖4.

圖4 鉆孔注漿堵水施工圖

3.2 鉆孔掃孔及打撈鉆桿

由于通過鉆桿注漿時尚有24 m 鉆桿存于鉆孔內，因此，應用專用工具對其進行打撈，然后用D110擴孔鉆具，從上至下對鉆孔進行擴孔，便于下一步注漿施工。

3.3 下止漿管

鉆孔擴孔后，往孔內放特制的止漿裝置。止漿管位置選擇在巖層穩定隔水的層位，根據現有地質資料確定在5#煤下面的砂質泥巖和泥巖(21 ～25 m)處。

3.4 注漿

1)注漿材料。采用高分子化學注漿材料，該材料黏度低、可注性好，能注入巖土層中的細小裂隙或孔隙并形成良好的擴散充填，能與水發生化學反應，瞬間生成膠體，與圍巖結合形成永久性的隔水體。

2)注漿壓力。P終壓=(水頭壓力2 ～3 倍)=3 ×0.4 MPa =1.2 MPa

3)注漿機具。專用化學注漿泵及配套管路閥門。

4)注漿量。依公式V=λπR2Lпβ 計算或按實際注漿量計算。式中:

V—注漿(化學漿液)量，L;

π—取3.14;

λ—漿液損失系數，可取0.1 ～0.3;

R—漿液擴散半徑，m;

L—注漿孔深度，m;

п—巖體裂隙率，可取0.5% ～3%;

β—漿液在孔隙內的有效充填系數，可取0.85.

相關數據代入公式，計算得出V=1 500 kg.

5)注漿原理。利用氣動注漿泵將化學漿壓入鉆孔中，該化學漿能與水發生反應，瞬間變為乳狀膠體，利用氣壓將其頂入鉆孔周圍的裂隙中，與圍巖結合形成永久性的隔水體，從而達到封堵鉆孔涌水的效果。

6)注漿結束標準。注漿量達到設計值或孔口返出濃漿為結束標準。

3.5 方案實施

安裝鉆機→擴孔、打撈鉆桿→下止漿管→注漿→結束。

3.6 注漿效果的檢查

經注漿堵水施工后，鉆孔及周邊無滲漏水即為合格。

4 封堵效果

前期采用常規水泥注漿，由于水壓較大，水泥凝固時間較長，無法對動水條件下鉆孔水進行有效封堵，且成本高。采用化學漿封堵后，孔內不再涌水，周邊無滲漏水，說明涌水層位得到徹底封堵。

5 結 語

1)此次探水鉆孔出水是由于揭露了含水層，突水形成后按照以往的水泥注漿進行處理，沒有考慮到情況的特殊性，致使水量逐漸增大，造成煤礦安全生產隱患。

2)對于動水條件下，具有較大水壓鉆孔涌水的治理，采用能與水迅速反應的高分子化學漿比常規水泥注漿堵水效果好，且經濟、高效。

3)工作面出水要重視水質化驗分析，及時收集整理礦井各含水層的水質資料，發生突水時，做好資料對比分析，利于礦井水害的預防和治理。

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