高承壓仰斜探放水鉆孔固結套管技術優化

劉 歡

（潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 晉中 032600）

1 概述

潞安集團左權阜生煤業有限公司位于左權縣寒王鄉劉家莊村南，西南距左權縣城約10 km，井田面積5.8196 km2，礦井設計生產能力為1.2 Mt/a。主采煤層為15#煤層，煤層平均厚度為6.5 m，煤層平均傾角為2°。

1102回風巷設計長度為1108 m，斷面規格為凈寬×凈高=4.5 m×3.5 m，沿15#煤層底板掘進，預留頂煤厚度為3.0 m，采用綜合機械化掘進工藝。15#煤層直接頂主要以炭質泥巖及煤混合巖層為主，平均厚度為5.7 m，其中煤層總厚度為2.4 m（不可采），基本頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為8.3 m。煤層頂板裂隙發育，不穩定。

15#煤層上覆巖層含有三層石灰巖含水層，分別是K2石灰巖（四節石）、K3石灰巖（錢石）、K4石灰巖（猴石），其中K2、K4石灰巖連續性好，K3石灰巖局部相變為中粒砂巖和泥灰巖，裂隙發育，與煤層頂板間距為14 m，積水面積達9734 m2，主要分布在施工巷道240～410 m段、577～719 m段以及985～1032 m段頂板上方，預計含水量達5274 m3,預計水壓為2.4 MPa，屬高承壓含水層。巷道掘進至210 m處頂板出現局部淋水現象，平均淋水量達54.0 m3/h，不僅制約了巷道掘進速度，而且威脅著巷道施工安全。

為保證巷道施工安全，1102回風巷掘進采取鉆孔探放水措施，但是在探放水鉆孔受固結套管技術影響，在放水過程中發生2次小型透水事故，共計涌水量為184 m3。

2 探放水鉆孔布置

采用扇形布置兩排探水鉆孔，見圖1。第一排為3個仰角鉆孔（1#～3#），仰角為17°，開孔位置距頂板0.5 m，間距為1.5 m，鉆孔直徑為75 mm，深度為60 m；第二排為3個水平鉆孔（4#～6#），鉆孔參數不變。

圖1 1102回風巷探水鉆孔布置

3 膨脹水泥固結套管問題分析

孔口采用120 mm擴孔鉆頭進行擴孔，擴孔深度為16 m，擴孔后安裝長度為15 m，直徑為108 mm止水套管，并采用膨脹水泥注漿固結，固結封堵長度為6.0 m，止水套管外露端安裝閥門及排水管。存在以下問題：

1）固結套管長度不合理。由于15#煤層結構復雜，煤層含多層夾矸，破壞了煤體膠結穩定性，受圍巖應力影響巷道掘進后圍巖變形嚴重，出現片幫、頂板下沉等現象，在圍巖體內形成應力破壞區、破壞減弱區、穩定區[1]。破壞范圍在8～14 m范圍內，而探放水鉆孔固結套管長度為6 m，未完全延伸至穩定巖體內，造成放水過程中煤體滲水現象嚴重。

2）固結套管工藝落后。15#煤層煤體裂隙發育，在應力破壞區內巖體破碎嚴重，探水鉆孔傾角較大，采用膨脹水泥固結套管時滲透能力、粘接效果差，不能使止水套管與煤體完全膠結，在放水時很容易出現穿線竄動現象[2]。

3）由于1102回風巷上覆巖層裂隙水屬于高承壓含水層，水壓相對較大，而傳統固結套管工藝中未安裝壓力表及卸壓控水裝置，在鉆孔施工期間鉆孔出現流水時無法實時監測水壓，以及水壓大時無法提前卸壓，導致因水壓大沖毀探放水設備。

4）鉆場煤壁穩定性差。在放水時止水套管產生的震動對鉆孔附件煤體產生擾動破壞[3]，導致鉆場煤壁片幫嚴重，最大片幫深度為達1.7 m，降低了鉆孔固結套管效果。

4 固結套管工藝優化

4.1 “兩注一堵”固結套管工藝

探水鉆孔采用“兩堵一注”囊袋式固結套管工藝，實現全長封堵，而且采用高強度化學粘合劑作為封堵材料，滲透力強、填充效果好，提高了止水套管與煤壁粘接效果，保證了固結套管質量。

（1）當鉆孔鉆進16 m后停止施工，更換直徑為130 mm擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔深度為16 m，擴孔后及時清理鉆孔內煤屑，保證擴孔直徑為130 mm。

（2）擴孔完成后對鉆孔內安裝止水套管，采用D108×4鋼管，每節長度2.8 m，共計7節，相鄰兩節套管采用絲扣式連接[4]。

（3）止水套管安裝后對孔底采用膨脹水泥進行局部封堵，封堵長度為1.0 m，封堵后及時安裝一個PKN型固結套管器，同時在距孔口1.0 m處安裝一個固結套管器，并對孔口1.0 m范圍內采用膨脹水泥封堵，使止水套管與孔壁之間形成一個環閉式封堵空間，見圖2。

（4）在安裝固結套管器期間對環閉式封堵空間埋入一根直徑為16 mm注漿軟管，軟管另一端與2ZBQ-5/4注漿泵連接，高壓注入化學粘接材料，注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa范圍內。

（5）止水套管封固2 h后對固結套管段進行注水耐壓試驗，注水壓力為承壓水水壓的1.5倍，即注水壓力控制在2.4～3.6 MPa范圍內，注水10 min后止水套管無竄動、滲水等現象確定為固結套管合格。

圖2 “兩堵一注”囊袋式固結套管工藝

4.2 孔口安裝卸壓控水裝置

通過安裝孔口卸壓控水裝置，避免在鉆進時因水壓大出現頂鉆現象。

（1）卸壓控水裝置主要由壓力表、法蘭盤、控制閘閥、控水電控液閥、環形抱箍、PLC控制器、聯鎖開關（60A）等部分組成，見圖3。

（2）法蘭盤安裝在止水套管外露端，法蘭盤長度為0.5 m，在法蘭盤上安裝有電控閘閥以及壓力表，電控閘閥與聯鎖開關連接，壓力表主要檢測水壓，壓力表通過集控裝置與PLC控制器連接。

（3）在法蘭盤外端依次安裝電控液閥及環形抱箍，電控液閥與聯鎖開關連接，環形抱箍由橡膠材料制成，可通過人工旋轉頂絲扳手實現抱箍與鉆孔牢牢固定。

（4）聯鎖開關額定電流為60 A，聯鎖開關分別與電控液閥、電控閘閥以及PLC控制器連接，實現斷送電動作，PLC控制器主要用于信號采集、傳輸以及指令下達等作用。

圖3 卸壓控水裝置結構

（5）鉆桿在鉆進出現流水時壓力表對水壓進行實時監測，當水壓大于1.2 MPa時壓力表及時將數據通過集控裝置傳輸至PLC控制器，控制器接收信號后對數據信號進行處理，并將“開啟”指令發送至聯鎖開關，聯鎖開關接受指令后及時對電控液閥通電，電控液閥打開進行放水卸壓，同時人工及時擰動頂絲扳手使環形抱箍固定鉆桿，防止鉆孔噴出。

4.3 鉆場煤壁加固技術措施

為保證探放水施工安全，對鉆場附近煤壁及頂板進行“注漿+T型鋼棚”聯合加固措施。

（1）注漿加固。對鉆場煤壁施工一排注漿鉆孔，共計布置4個，鉆孔間距為1.2 m，鉆孔施工在距頂板1.0 m處且以17°仰角布置，鉆孔深度為5.0 m，孔徑為40 mm；鉆孔施工完后采用注漿泵對鉆孔內高壓注射聚氨酯粘合劑，注漿壓力為0.9 MPa，注漿后及時對鉆孔進行封堵。

（2）安裝T型鋼棚。為了防止放水期間出現頂板破碎、冒落現象，在鉆場附近架設5架T型鋼棚，棚距為1.0 m，并用水泥背板背幫，確保鋼棚能夠對煤壁起到均勻支護作用。

5 應用效果分析

1102回風巷掘進期間共計施工探水鉆孔76個，其中出水孔為58個，干孔為18個，共計放水量為5031 m3，實際放水水壓為2.1 MPa。采用“兩堵一注”囊袋式固結套管工藝，并在孔口安裝卸壓控水裝置，對鉆場附近煤壁及頂板進行“注漿+T型鋼棚”聯合加固措施，放水過程中未出現止水套管竄動現象，鉆場煤壁及頂板未出現片幫、冒落現象，工作面未出現大面積頂板淋水現象，局部淋水不足1.2 m3/h，基本消除了頂板含水層對巷道掘進影響，保證了巷道施工安全。