注漿鉆孔穿過煤層采空區(qū)的安全施工工藝探討

潘東懿,杜緒新（.山東煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東　泰安　7000；.濟(jì)南華玫礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東　泰安　763）

注漿鉆孔穿過煤層采空區(qū)的安全施工工藝探討

潘東懿1,杜緒新2
（1.山東煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì),山東泰安271000；2.濟(jì)南華玫礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東泰安271613）

摘要：為有效解決注漿堵水鉆孔穿過多層煤礦采空區(qū)時(shí)因沖洗液漏失，孔壁坍塌等引起的鉆孔事故，研究采用了多種安全施工工藝，成功封堵了礦井涌水。

關(guān)鍵詞：注漿鉆孔；煤層采空區(qū)；鉆孔結(jié)構(gòu)；硫鋁酸鹽水泥；高壓旋噴注漿

1　引言

2006年7月1日，濟(jì)南華玫礦業(yè)公司在礦井北翼10404（2）工作面發(fā)生奧陶系巖溶含水層突水，涌水量高達(dá)2601m3/h超過了該礦-100水平泵房排水能力。通過修筑擋水墻實(shí)現(xiàn)了礦井南北兩翼的有效隔離。在地面施工鉆孔進(jìn)行了注漿堵水。

2　鉆孔過煤層采空區(qū)時(shí)常見的鉆孔事故及其原因分析

煤層在采用自然冒落法開采后，煤層頂板在礦壓作用下會(huì)出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，煤層頂板上覆巖層出現(xiàn)冒裂帶和彎曲帶。鉆孔在穿過冒裂帶時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖洗液嚴(yán)重甚至全部漏失、孔壁坍塌掉塊，鉆孔彎曲偏斜等現(xiàn)象。裂縫帶和彎曲帶之間會(huì)出現(xiàn)一定高度的離層空間，在這些離層空間內(nèi)鉆進(jìn)，會(huì)出現(xiàn)沖洗液完全漏失、鉆孔偏斜，鉆桿脫落、鉆桿折斷、夾鉆事故。

3　過煤層采空區(qū)的注漿鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因注漿堵水鉆孔分別穿過4層采空區(qū)，地質(zhì)條件異常復(fù)雜，施工難度較大，必須對過多層采空區(qū)的鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)權(quán)衡優(yōu)化。注漿鉆孔最終優(yōu)化為五級(jí)孔徑四級(jí)隔離套管結(jié)構(gòu)型式：一級(jí)孔徑Φ250mm，深度70m，下入Φ219×8mm套管，隔離第四系和風(fēng)化帶；二級(jí)孔徑Φ194mm,深度到穿過煤7采空區(qū)5m左右即186m，下入Φ168×7mm套管，隔離煤7采空區(qū)；三級(jí)孔徑Φ150mm,深度到穿過煤9采空區(qū)底板2m即孔深212m，下入Φ146mm隔離套管，隔離煤8、煤9采空區(qū)，對套管底口處管外進(jìn)行注漿封閉加固。四級(jí)孔徑Φ130mm,到10層采空區(qū)底板以下5m左右即220m處，下入Φ127mm套管隔離煤10采空區(qū)，套管底口封閉打壓，壓力不得低于2.5MPa,但不得高于3.0MPa，以防止壓力破壞煤10底板。五級(jí)孔徑Φ110mm,穿過五灰進(jìn)入奧灰內(nèi)終孔。最終Φ127mm套管作為灰?guī)r內(nèi)注漿堵水套管使用。

4　鉆孔在煤層采空區(qū)內(nèi)的安全施工工藝

4.1開孔時(shí)的鉆孔防斜工藝

（1）在鉆進(jìn)過程中，必須注意使用好鉆鋌，鉆鋌的選用必須考慮到是否有利于鉆孔的垂直度、滿足孔底鉆頭壓力的需要和保證孔內(nèi)安全三個(gè)方面的因素。在Φ194mm孔徑以上鉆進(jìn)中，要求使用Φ150mm鉆鋌不少于3根（15m），使用Φ127mm鉆鋌不少于3立根（45m），Φ68mm鉆鋌不得小于3立根（45m）。隨著鉆孔的加深和孔徑的減小，粗徑鉆具由粗到細(xì)逐漸卸除。開孔時(shí)要采用鉆具垂吊方式進(jìn)行,嚴(yán)禁采用加壓方式盲目追求鉆探進(jìn)尺.鉆鋌直徑與鉆孔孔徑懸殊較大時(shí)，采用連接矛桿導(dǎo)向鉆具進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)，防止鉆孔偏斜。

（2）開孔時(shí)要采用先探后擴(kuò)的施工工藝，若使用Φ150mm凹心鉆頭開孔，必須逐漸加足Φ127mm鉆鋌；使用Φ170mm凹心鉆頭開孔，要加足使用Φ150mm鉆鋌；無論采用哪種鉆頭,必須使用比鉆頭小一級(jí)的鉆鋌，加壓并作為導(dǎo)向器使用，以保證開孔的垂直度。隨著鉆孔延深逐步加齊相應(yīng)的鉆鋌數(shù)量。要求開孔孔徑必須超過變徑位置10m左右后，方可對上部孔段擴(kuò)孔。變徑鉆進(jìn)時(shí)，要使用與上一級(jí)孔徑相匹配的導(dǎo)向，導(dǎo)向部分不得少于6m。

4.2在煤層采空區(qū)內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)的防斜工藝

除保持使用上述鉆具組配外，在采空區(qū)鉆進(jìn)時(shí)，要求使用高重量長鉆鋌垂吊加壓鉆進(jìn)，并且要求粗徑鉆具上頭不得低于采空區(qū)頂板（即不得進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)）。鉆鋌在巷道頂板內(nèi)要起到導(dǎo)向作用，并反復(fù)試鉆，防止過采空區(qū)后鉆孔偏斜。巷道或采空區(qū)內(nèi)有雜物影響鉆進(jìn)時(shí)，可以用水泥噴射加固并取芯鉆進(jìn)，但是取芯時(shí)粗徑鉆具上頭不得低于巷道頂板。

4.3旋噴注漿工藝在采空區(qū)鉆孔堵漏中的應(yīng)用

對于孔壁較完整，但裂隙高度發(fā)育的地層，或者采空區(qū)形成時(shí)間較長，受上覆巖層壓力作用較密實(shí)但沖洗液嚴(yán)重漏失時(shí)（煤3、煤7采空區(qū)），為了保證施工安全，防止沖洗液漏失后的燒鉆、埋鉆事故發(fā)生，采用了普通注漿和高壓噴射注漿工藝。主要是采用了下延式注漿工藝，即孔內(nèi)出現(xiàn)沖洗液全漏失后，慢慢鉆進(jìn)一定深度，然后采用標(biāo)號(hào)為42.5R的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行注漿，依靠漿液自重和液柱壓力把水泥漿壓入到地層裂隙中。水泥漿中要加入一定量的速凝劑，以減少注入漿液的擴(kuò)散范圍。

4.4填筑骨料及高壓噴射注漿固結(jié)工藝在采空區(qū)孔壁嚴(yán)重坍塌時(shí)的應(yīng)用

因?yàn)椴煽諈^(qū)上部存有離層空間、采空區(qū)內(nèi)垮落帶巖塊松散（煤8、煤9和煤10采空區(qū)）難以鉆進(jìn)，故采用了在離層空間內(nèi)填筑骨料，并進(jìn)行注漿加固的工藝。等把空間內(nèi)用骨料填充滿后，要對填料和垮落帶利用專用工具進(jìn)行高壓噴射注漿加固，把填料（沙子、石子）和垮落帶松散的巖塊固結(jié)起來，等具有一定固結(jié)強(qiáng)度后，再施工鉆孔，達(dá)到鉆孔安全穿過采空區(qū)的目的。為滿足快速固結(jié)的要求，高壓噴射使用了快凝硫鋁酸鹽水泥，水泥漿標(biāo)號(hào)為32.5R，水泥漿密度控制在了1.2～1.3g/cm3之間。選用硫鋁酸鹽水泥主要是因?yàn)樗哂锌焖倌蹋淠Y(jié)時(shí)間隨漿液比重增大而急劇減少，初期凝結(jié)強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。但在使用快凝硫鋁酸鹽水泥注漿前，要提前做好硫鋁酸鹽水泥的配比凝固試驗(yàn)，試驗(yàn)要根據(jù)待注漿鉆孔受注層的深度、受注能力、水泥在采空區(qū)內(nèi)擴(kuò)散的范圍、漿液凝固時(shí)間和現(xiàn)場安全操作等因素進(jìn)行。

5　結(jié)論

為有效解決沖洗液在裂縫帶和采空區(qū)內(nèi)完全漏失后出現(xiàn)埋鉆、燒鉆和卡鉆事故，可以選擇使用單液水泥漿、水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行高壓噴射注漿封閉。對于消除離層空間，可以選用投入骨料的辦法進(jìn)行充填，然后對充填的骨料堆積物和垮落帶進(jìn)行高壓噴射注漿加固，使上述兩種松散體形成具有一定固結(jié)輕度的整體，以保證鉆孔在松散堆積體內(nèi)穿過時(shí)不再出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定釋義[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

作者簡介：潘東懿（1969-），男，山東臨清人，鉆探工程師，主要從事：現(xiàn)場鉆探施工安全及技術(shù)管理工作。