茶陵縣沙坪煤礦項目ZK405涌水鉆孔封孔方法的探討

譚千鐘

（湖南省煤田地質局第一勘探隊地勘院，湖南耒陽421800）

茶陵縣沙坪煤礦項目ZK405涌水鉆孔封孔方法的探討

譚千鐘*

（湖南省煤田地質局第一勘探隊地勘院，湖南耒陽421800）

介紹了煤礦鉆孔煤層底板涌水鉆孔的一種雙十字木塞+全孔水泥漿封孔的方法，分析了煤層底板涌水鉆孔的一種雙十字木塞+全孔水泥漿封孔成功與否的原因，揭示了在進行類似鉆孔封閉時的注意事項，以及涌水鉆孔在鉆孔過程中可能發生的安全問題。

地層承壓水；涌水；封孔；雙十字木塞；水灰比；壓力平衡

涌水鉆孔一般采用下塞子等辦法對涌水段進行封閉，但涌水量大的鉆孔，以及孔內涌水壓力大等原因，一般的塞子不能下到指定的位置，即使封住了上部，孔口不向外涌水，但下部的高壓涌水層段和礦層相互串通，將會給今后的采礦作業構成重大安全隱患，地下各含水層的相互串通還會造成地下水質和水位發生變化，也對地下水安全造成一定的危害。為了徹底阻斷各含水層的聯系通道，保證采礦安全和地下水安全，一般采用全孔水泥漿封閉的方法。

茶陵縣沙坪煤礦項目ZK405鉆孔是個涌水量特大的鉆孔，該孔采用了雙十字木塞+全孔水泥漿封閉的方法，經透孔至295m位置取芯檢查，封閉孔段水泥結構較好，取出的芯樣基本成柱狀，證明該方法封閉鉆孔取得了圓滿成功。

1　項目、鉆孔基本情況及面臨的問題

1.1項目和鉆孔基本情況

茶陵縣沙坪煤礦詳查項目位于茶陵縣沙坪鄉，設計鉆孔8個，鉆探工作量3670m，地質鉆孔6個，水文鉆孔2個，全部分布在沙坪煤礦礦區內。區內從新至老的地層分別是①第四系（Q），層厚0～10m，主要為粘土、砂土和礫石，巖性松散；②侏羅系（J1），層厚6～90m，以石英砂巖為主，巖性致密堅硬；③二疊系上統龍潭組（P2l），一般層厚80～350m，煤系地層，以粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖為主，含煤3層；④二疊系下統當沖組（P1d），層厚120～230m，主要為硅質灰巖、灰巖，裂隙發育，局部見溶洞。ZK405鉆孔為探煤孔，設計350m。當鉆至孔深305m時，也就是3煤底板下，鉆孔發生了達80m3/h的涌水。孔口能聞到水中散發出來的異味氣味，經項目部技術人員進行簡易水文觀測，對水質、流量和孔口壓力進行了測定，證實該水質屬3煤層底板下水質，由于在鉆進到305m之前鉆孔內并沒有發生異常現象，泥漿也沒有出現大的變化，結合水質分析，可以基本斷定涌水部位在305m處，屬二疊系下統當沖組灰巖承壓水。當時也試著用加大泥漿比重來壓住涌水進行后期施工，但涌水流量和壓力太大而未成功。在這種情況下，施工鉆機通過精心施工，強行鉆進到310.35m滿足了設計要求。

1.2面臨的問題

該孔涌水量達80m3/h，孔口靜水壓力達2.3MPa，水泥漿泵入孔內會立即稀釋而被沖出孔外，造成封孔失敗。如何能安全圓滿完成封孔任務是擺在施工隊伍面前的難題，業主也派人現場監督，并強調保證鉆孔封閉一次性成功。

2　封孔方案

經研究分析，初步制定了一套完善的封孔方案：第一階段，首先做好一個雙十字鋼絲木塞，長2～3m，用鉆具送至孔深305m左右，開泵送水使雙十字鋼絲木塞與鉆具分離，提升鉆具，觀測涌水流量變化；第二階段水泥漿封閉鉆孔，因涌水層段為主采煤層底板，埋藏不是很深，鉆孔封閉的好壞，直接危及煤礦的安全，并立竿見影，因此封好該孔是施工的難點和重點。

2.1該方案的理論依據

經測試，孔口出水壓力為2.1MPa，孔深310m涌水處的壓力為5.1MPa（出水壓力2.1MPa+孔深310m處液柱壓力為P=ρHg=1×103kg/m3×310m×9.8N/kg×10-6= 3.038MPa，其中ρ為水的密度，H為鉆孔深度，g為重力加速度）。若將孔內密度為1的310m水柱換成密度為ρ的水泥漿，要達到5.1MPa的壓力，孔內水泥漿保持壓力平衡而不外溢，水泥漿的密度為ρ×310×9.8×10-6= 5.1MPa；ρ=1.25×103kg/m3。理論上，只要孔內液體密度達到該值時，孔內將保持壓力平衡而保持一種穩定的狀態，待水泥漿凝固后，達到了封孔的目的。

2.2水泥用量計算

經分析水泥用量應包含孔內水泥漿、從鉆孔流出的損耗量、進入孔內裂隙，以及地面的損耗。水泥計算如下：孔深310m，孔徑77mm，鉆孔總容積1.44m3，密度取1.84t/m3，所需水泥漿重量級2.65t；由于水灰比為0.5（水∶水泥=1∶2），需水泥量1.77t。前面所提到的各種損耗按1.2t計算，考慮其它不確定因素，為確保萬無一失，現場準備了3.5t水泥。

3　現場操作

3.1第一階段操作

3.1.1木塞的制作

取輕質干杉木（木質較松、最好在水中浸泡一段時間后，膨脹系數大一點的）一根，長2～3m，直徑不大于?72mm，用電鉆在木柱的上下兩端離端口500mm處各打一個十字型?10mm的眼，眼的兩端修成往上的斜槽，裁2段彈性較大?8mm鋼絲繩，長82mm，穿在十字孔內，保證該木塞在孔內只能沿著孔壁向下運動，向上運動時鋼絲繩在彈力的作用下向外張開，撐死在孔壁上或裂隙上。木塞的制作如圖1所示。

圖1　雙十字木塞示意圖（單位：mm）

3.1.2木塞的定位

用鉆具將雙十字木塞送到孔深306m處，開泵讓鉆具與木塞分離，觀察孔口涌水量，再用鉆具探定木塞孔深，確認位置正確、木塞牢固可靠后，將鉆具提升20m，即孔深280m左右。

3.2第二階段的操作

3.2.1準備工作

第二階段應與第一階段同時進行，在操作前應做到材料到位（包括水泥、水、設備）；人員到位；設備進行調試，所有設備都處于良好狀態；輔助設備應齊全。

3.2.2具體步驟

①攪拌水泥漿，可利用泥漿攪拌設備為主，人工配合攪拌，爭取在1h內漿水泥漿準備好；②將鉆具下302m左右（涌水部位5～10m左右）；③在泵入水泥漿的過程中，應注意觀察泵壓表，防止水泥管路阻塞而影響泵量；④在泵入水泥漿的同時，可將鉆具在孔內適當活動，也可以用管鉗慢擰鉆具，如果鉆具擰不動，或需要很大力氣才能擰動鉆具時，應立即關泵，上鉆，將鉆具提升5個立根后，繼續泵入水泥漿。上鉆要盡可能的快，以防止泵入的水泥漿被水稀釋沖出孔外而造成封孔失敗；⑤注意觀察鉆孔涌水量的變化，水變渾濁是被水稀釋的水泥漿，水量在減少是因為孔內液體的密度在逐步增大，而使得孔內液體壓力在逐步增大，最后直到壓力平衡，將涌水徹底封堵；⑥上鉆，注意觀察孔口，如果鉆孔液面下降，仍有少量的水泥漿溢出，應停止上鉆，繼續泵入水泥漿，直到孔口不再有水泥漿外溢后，再上鉆；⑦鉆具應提出孔外，泥漿泵和鉆具應及時清洗。

操作過程注意事項：①在泵入水泥漿時，應不斷活動鉆具，防止鉆具被埋而造成孔內事故；②盡量提高泵量，以縮短孔內液體密度上升的時間，減少水泥漿孔口的流失量，以保證封孔的成功；③適當掌握從孔內提出鉆具體的長度和次數，保證安全的同時保證封孔質量。

4　效果

2014年3月20日上午8：30，ZK405鉆孔在監理旁站下按上述方案進行封孔，4h鉆孔封閉結束，孔口完全無水上返。23日開始透孔，28日透至孔深295m，封閉孔段水泥結構較好，取出的水泥芯樣基本為柱狀，很少蜂窩。29日對封閉鉆孔進行了注水檢測，鉆孔無漏水。現場監理認為封孔質量可靠。

5　結語

ZK405鉆孔的封孔雖然取得了成功，但仍有些問題：①水泥的用量，尤其是水泥的損耗，是不是能通過更加精確的計算得出結論，以減少不必要的損耗；②上述操作方案的成功與否應該是由多種因素決定的，除了與木塞的牢靠、涌水層的水壓、水量和涌水位置有關外，還和灌注設備泥漿泵的泵量、泵壓有關，低泵量可能會造成孔內水泥漿被稀釋而沖出孔外，孔內液體密度無法提高而造成封孔失敗，因此從理論上講，存在一個最低泵量，低于該泵量，封堵涌水層段就不會成功，這個泵量和涌水量有著一定的關系。以上幾個問題值得探討。

［1］煤田勘探規程［S］.中國統配煤礦總公司.

［2］陳永立，王殿琦，王潔，李云飛，等.固體礦產鉆探工［M］.北京：地質出版社.

TD231

A

1004-5716（2016）02-0045-02

2015-02-05

2015-02-06

譚千鐘（1963-），男（漢族），湖南湘潭人，工程師，現從事探礦技術負責工作。