焦煤集團九里山礦一三采區(qū)注漿堵水鉆孔布置及施工工藝

李海偉 武成周 李利娟

【摘 要】九里山礦突水均發(fā)生在煤層頂板涌水是由于工作面的回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的。依據(jù)突水水源及地層構造特征制定本次注漿思路為：充填底礫巖空隙及加固基巖風化帶裂隙。在該思路的指導下，確定了注漿堵水的鉆孔布設、鉆具組合、鉆進方法等。經(jīng)過注漿施工，九里山突水工作面出水量減至正常生產采排水平。

【關鍵詞】頂板突水；注漿研究；施工工藝

中圖分類號： TD745 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.083

1 概況

一三采區(qū)位于九里山礦一水平最東翼，1987年投產，2008年10月回采結束。地面標高+98米，井下標高-45～-215米，采區(qū)走向長1400米，傾斜寬600米，煤層厚度5.02米，地質儲量948萬噸，累計采出煤量393萬噸，整個采區(qū)分5個區(qū)段進行了回采，采煤方法采用走向長壁分層開采方式。

1.1 突水點情況

一三采區(qū)共發(fā)生了8次突水（詳細情況見突水點卡片），均為頂板突水，大的頂板突水均發(fā)生在一三采區(qū)的東翼13011工作面和煤柱工作面，13011工作面和煤柱工作面涌水是由于工作面的回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的，13011工作面以下其它工作面的涌水其根源和通道均來源于13011工作面和煤柱工作面上部突水水源。目前一三采區(qū)總水量4.0m3/min，其中東翼為3.5m3/min，西翼水量為0.5m3/min。

1.2 突水點處地層

一三采區(qū)主要地層為奧陶系、石炭系、二疊系、第三四系。簡介如下：

奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2）：由石灰?guī)r組成，厚度450米左右。

石炭系本溪組（C2b）：由灰色鋁土、砂巖組成，含黃鐵礦。厚度9米左右。

石炭系太原組（C2t）：由砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤組成。厚度84米左右。

二疊系山西組（P1sh）：由粉砂巖、砂巖、泥巖和煤組成。厚度51米左右。

第三、四系（Q）：由黃土、紅土、礫石、礫巖層組成。厚度110-119米。其底部有一層厚3-5米的底礫巖，含豐富的地下水，底礫巖上部有一層隔水的紅色粘土層，厚約5米左右。

1.3 突水點處構造

一三采區(qū)為單斜構造，構造簡單，在該區(qū)東部由于方莊斷層的牽引煤層呈向斜構造，整個采區(qū)僅有一條0.6-3.0米的斷層，走向67°，傾角平均70°，傾向南東，該斷層斜穿整個一三采區(qū)。

1.4 本次注漿堵水的思路

充填底礫巖空隙及加固基巖風化帶裂隙是本次注漿堵水的基本思路。二疊系山西組基巖風化帶與第三、四系底礫巖呈假整合接觸，使第三、四系底礫巖含水層的水源源不斷的通過風化帶的裂隙和冒落帶的裂隙通道進入礦井。第三、四系底礫巖厚3-5米，含有豐富的地下水，是本次注水泥、粉煤灰漿液的主要目的層，其上有5米左右的粘土隔水層，突水點處才具備注漿堵水條件，用粉煤灰漿液充填含水層的空隙，把水擠走，以達到治本的目的，由于隔水層的存在，底礫巖相對封閉，不至于用料量太大。其下的基巖風化帶裂隙與開采形成的冒落裂隙已經(jīng)串通，把底礫巖的水導入礦井，因此基巖風化帶導水裂隙和開采冒落帶裂隙通道也是本次治理的對象，對此應以水泥漿為主，把導水裂隙堵死，使底礫巖的水不能進入礦井，以達到治標的目的。

通過以上的堵水思路要達到堵住淺部底礫巖的水進入礦井，同時截斷深部頂板冒落裂隙帶基巖風化帶裂隙的溝通，使底礫巖強含水層的水不具備進入礦井的通道，以達到由于工作面的回采造成頂板冒落，其裂隙帶不能與底礫巖強含水層的水溝通，防止淹掘進頭進水甚至淹井事故的發(fā)生，改善一三采區(qū)頂板含水層及含水層補給通道水文地質條件。

1.5 地面鉆孔布置及鉆孔結構

該工程根據(jù)井下突水點位置在地面布置鉆孔，加固一三采區(qū)東翼13011工作面和煤柱工作面回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的頂板上部突水水源及通道。注漿鉆孔結構具體情況如下：

用Φ152mm開孔，鉆進至底礫巖下Φ133mm套管止水注漿，全孔灰漿固管，檢驗止水效果，然后在底礫巖段注漿，然后再用Φ108mm孔徑鉆進，鉆進至設計地層位置注漿。

鉆孔施工過程要求鉆具配置合理，保證鉆孔的垂直度，并做好簡易水文地質觀測工作。

2 施工場地布置及要求

2.1 道路

至井場的道路，寬度為8m， 15m長貨車能進出自由，保證鉆機搬遷車正常通行。道路路基壓實，中間略高兩側略低，有排水溝，不影響雨季施工。

2.2 井場

井場為30×30m正方形，方便設備進出、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以及鉆井液凈化設備的安裝。泥漿池根據(jù)場地的實際情況建造，不影響交通和設備進出。

鉆場場面平整，虛土部分軋實，對鉆塔底座進行挖方、以利鉆塔設備安裝平整。

井場四周建泄水溝、圍土堰，以備雨季防洪。

2.3 注漿站

注漿站布置在注漿區(qū)域中部，盡量減少壓力損失。場地面積為30×30m。

3 鉆探施工技術

3.1 鉆具組合

鉆具組合應力求合理，并考慮鉆具的垂直性及鋼性，根據(jù)“長、直、粗、重、剛”的原則，做到下部粗重長直，以利防斜和提高鉆效。

組合順序（自下而上）：

Ф110mm鉆頭—Ф89mm加重鉆鋌（9米左右）—Ф68鉆鋌（70米左右）—Ф50mm鉆桿。然后逐級擴孔至Ф152mm，置入Ф133mm護壁兼注漿管。

Ф110mm取心鉆頭—Ф94mm巖芯管（4.5米左右）—Ф68鉆鋌（70米左右）—Ф50mm鉆桿。

3.2 鉆進方法

根據(jù)本礦區(qū)的地層地質特點，為優(yōu)質高效地完成施工任務，本次設計以PDC鉆進為主，硬質合金、金剛石鉆進為輔的鉆進方法。見表1

3.3 鉆進參數(shù)

鉆進參數(shù)見下表2。

3.4 沖洗液與護壁

（1）沖洗液的選用

粘土粉：鈉土粉。

聚丙烯酰胺：高分子量，優(yōu)質。

纖維素：中高粘度。

優(yōu)質燒堿、純堿，優(yōu)質腐植酸鉀等各種護壁劑。

根據(jù)地層特征，配制不同指標的化學泥漿。見下表3。

（2）沖洗液的凈化

循環(huán)系統(tǒng)長度不少于15米。每1.5米加1擋板，觀測池用2立方米的標準觀測池。每趟鉆都要及時清理循環(huán)槽的沉渣，鉆進時采用除砂器進行機械除砂。如泥漿老化，性能指標無法保持，則徹底換漿。

3.5 防斜措施

根據(jù)本區(qū)的地層情況，采用防斜措施如下：

（1）嚴格按設計施工，不準隨意改變設計的各種技術參數(shù)。

（2）把好安裝關，鉆塔安裝一定要平整牢固，做到三心照。

（3）把好開孔關，保證開孔要垂直。

（4）把好鉆進關，正常鉆進三班的技術參數(shù)要基本一致，巖芯管不得短于4.5米，彎曲鉆具不得下入孔內，鉆鋌重量大于鉆頭所需壓力的30%。

（5）鉆壓不得超過鉆鋌的自重壓力，嚴禁鉆進過程中用鉆桿加壓。

4 套管固結

Ф110mm鉆頭開孔，見底礫巖擴孔至152mm下入Ф133mm護壁兼注漿管，，壁厚4.5mm。全管外圍進行水泥漿固管，待凝固后必須在孔口進行耐壓試驗，耐壓試驗的壓力不小于含水層靜水壓力的2倍，持續(xù)耐壓時間不少于30分鐘，不合格必須重封，合格后才可以二級取心鉆進，最大抗壓能力要與注漿終孔壓力相匹配，即不低于含水層靜水壓力的2倍，套管固井合格后，即成井可開始注漿。