古交礦區奧灰封堵不良鉆孔突水防治方法

弓金保

(西山煤電集團公司 馬蘭礦， 山西 古交 030200)

西山煤田古交礦區從20世紀50年代初開始大規模勘探到90年代精查階段基本結束，由多個勘探單位組織施工，其中利用煤田勘探鉆孔兼做奧灰勘探孔的多達132個。這些鉆孔均不同程度揭露奧灰含水層，成為奧灰導水的直接通道。在生產中如何勘查其導水性，確保安全揭露，直接關系到礦井安全[1-3]。本文通過對實際揭露的M94揭奧灰煤田孔的綜合勘查及全過程治理管控，查明了該類鉆孔的封孔情況和治理方法，對今后采掘揭露類似鉆孔有重要的現實意義[4-5]。

1 井田水文地質條件

馬蘭井田位于西山煤田西北邊緣，主要開采石炭二疊系山西組和太原組煤層，主要含水層自下而上有奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層，石炭系上統太原組灰巖巖溶含水層及砂巖裂隙含水層，二疊紀下統山西組砂巖裂隙含水層，二疊系上、下石盒子組砂巖裂隙含水層和第四系松散層孔隙水含水層。其中以太原組灰巖巖溶含水層q=0.000 1～0.008 1 L/(s·m)和第四系松散層孔隙水含水層q=1.3～11.79 L/(s·m)為鉆孔充水水源；奧陶系碳酸鹽巖則重點關注峰峰組二段q=0.002 5～5.011 L/(s·m)與鉆孔間補給。井田奧陶系碳酸鹽巖含水層賦水性強至中等，賦水不均一，對下組煤開采影響較大。

2 封堵不良鉆孔揭露情況

2.1 鉆孔概況

馬蘭礦南八采區M94煤田/水文孔為原148勘探隊于1977年1月施工，孔深634.56 m，終孔進入奧灰巖層151 m，主要作用是對奧灰含水層進行水文地質補充勘探，該孔為礦區補勘階段施工鉆孔，鉆孔對K4至奧灰巖段進行了取芯觀測，鉆孔綜合質量乙級，終孔測斜6°；在《馬蘭勘探區精查地質報告》對補勘所有鉆孔封孔說明中，均評價為封閉質量良好，鉆孔頂部下木塞，煤系層段用水泥砂漿封堵。

2.2 揭露經過

2.2.1 探查方案及實施

南八運輸大巷(巖巷)位于該鉆孔附近，大巷底板標高908 m，該區域奧灰水位905 m左右，為防止發生鉆孔奧灰導水，在施工至里程1 248 m，距該孔46 m處停掘，采用瞬變電探測與鉆探驗證的綜合勘探方法對M94鉆孔導水性進行了探查[4]，見圖1。

圖1 鉆孔位置示意

1 ) 物探方法。瞬變電探測采用多匝重疊回線方式，發射頻率為25 Hz，疊加次數為64次，發射線框采用多匝1.5 m×1.5 m正方形回線。探測分水平順層方向、水平向上30°、水平向下30°三個方向掃描，水平方向掃描共計19個測點，掃描180°范圍；另外還加測垂直方向掃描，共計11個測點，掃描頂板50°～底板50°范圍。因為瞬變電磁法特有的關斷效應，使得探測中前方20 m以內的數據不可靠，形成盲區。

綜合物探成果資料，視電阻率分布范圍為0～100 Ω·m，根據整體視電阻率分布情況，定義煤巖層視電阻率小于10 Ω·m為相對低阻異常區，推測為富水區。對比分析4個方向上視電阻率等值線圖得出：掘進頭正前方及左右幫120 m范圍內整體視電阻率值變化不大，無低阻異常區，推測為含水性較弱或不含水。但有6處視電阻率范圍在15～40 Ω·m，視電阻率值相對較低，結合相關地質資料分析，推測這些區域巖體裂隙較為發育且掘進過程中可能由于裂隙的導通會使掘進頭頂板出現淋水現象，對采掘工程有一定的影響。

2) 鉆探情況。結合瞬變電探測情況，在里程1 248 m處施工5個鉆孔對M94鉆孔20 m范圍頂、底板進行了超前鉆探控制，未發有涌水異常。

2.2.2 實際揭露經過

2017年4月20日，當允許掘進至里程1 274.8 m時揭露該鉆孔(揭露層位為02號煤頂3 m巖層中)，發現鉆孔封堵不良，揭露段未封堵，鉆孔上部有涌水約0.2 m3/h，鉆孔實際為D108 mm，鉆孔揭露位置與原坐標偏離25 m，鉆孔下部出水0.5 m3/h左右。

3 治理方案及經過

3.1 治理方案

由于該鉆孔終孔進入奧灰巖層151 m，且位于南八采區的02、2、8號煤開準巷道施工區域附近，均位于帶壓區內，為防止在其它巷道施工中揭露該孔時由于封孔不良造成奧灰水害事故[5]。結合揭露位置鉆孔上下兩段不同水文地質條件，確定以上、下兩部分段封堵方案，具體為：在完善排水系統后，采用分段封堵法，先對鉆孔進行套孔，下部至上馬家溝組內30 m，上部考慮后期采動影響擴孔至頂上80 m；然后下止水器，分別位于上馬家溝組與峰峰組間、峰峰組與煤系基底、9號線在底板以下30 m處和上部孔深80 m處；每下一下止水器均進行一次水泥注漿，確保分段注漿可靠。

3.2 治理過程

1) 探掃孔。探掃孔是探查封閉井孔前的一個重要環節，其目的是查明井孔原結構，清理孔內雜物及灰漿，為下一步封堵作業做準備。M94號孔施工時間已經久遠，據以往經驗孔內可能存在掉塊、雜物堆積和井壁坍塌等問題，極易造成掃孔時孔位偏離原孔。

解決辦法：一是通過對鉆頭改進，在三翼鉆頭掃孔時鉆具下部加2～3根D68 mm鉆鋌(總長10～15 m) ，起到導向作用的同時，也提高了鉆探效率；二是探掃孔過程中保持穩壓勻速轉進，鉆壓在1～2 kN，轉速穩定在75～150 r/min；三是當施工中孔內出現異常如異響、進尺變慢等現象時，及時提鉆、下鉆取芯察看等方案，針對性解決。

探掃查明，巷道底板下260 m(進峰峰組80 m)，地面孔深563 m情況。原孔在153.40～153.60 m(峰峰組頂部位置)，孔內用木塞封堵；153.60～154.80 m峰峰組段無任何封堵物，處于空芯狀態；中間局部有水泥塊，至258.10～259.70 m時，孔內又處于空芯狀態。

2) 掃孔注漿封堵。通過對鉆孔揭露層位情況分析，在上、下兩段封堵過程中采用不同止水方法，從而達到最佳封堵效果。

向下掃孔注漿時，采用止水器+配重組合體，止水器為外徑90 mm、長度1.7 m、置深180 m；配重圓鋼為外徑90 mm、長度7 m、置深7 m；然后將鉆具下至距止水器5～10 m位置開泵注漿，并勻速上提鉆具，直至孔口后上堵板加壓注漿至設計壓力，凝固48 h。

掃孔前先用D94 mm復合片鉆頭掃孔12.11 m，再用D150 mm復合片鉆頭擴孔12.11 m；下D108 mm套管12.12 m，并注水泥漿封閉固井，2 h后測試打壓2.5 MPa，合格。主要是預防掃孔時發生奧灰突水。

孔口管安設好后，采用D94 mm三翼復合片鉆頭掃孔至260.28 m(進入峰峰組80 m左右)，后注入水泥漿封井至220 m，待48 h再掃至220.05 m，確認上底部水泥硬化，封孔合格；下入第一止水器和配重組合體(止水器：外徑90 mm、長度1.7 m、置深213 m；配重圓鋼：外徑90 mm、長度7 m、置深213～220 m)，注漿封井至180 m，48 h后再掃孔至187.17 m，確認水泥硬化，封孔合格后下第二止水器和配重組合體，注漿封井至130 m，48 h后探掃孔至132 m，水泥已硬化，封孔合格，后下入第三止水器和配重組合體，注漿封井至底板，下部封堵結束，見圖2。

圖2 鉆孔封堵結構示意

下部共下入止水器3個，其中第一止水器下入巷道底板下213 m(進峰峰組33 m)，加配重，注漿；第二止水器下入巷道底板下180 m(位于本溪組底部)，加配重，注漿；第三止水器下入巷道底板下125 m(9號煤下約15 m)，加配重，注漿至底板井口位置。

向上注漿前先用D94 mm復合片鉆頭掃孔10 m，再用D150 mm復合片鉆頭擴孔10 m；后下D108 mm套管10 m，并注水泥漿封閉固井，凝固48 h后測壓2.5 MPa，30 min內無滲水合格；目的是防止在向上掃孔過程中出現異常涌水。

掃孔采用D94 mm三翼復合片鉆頭，向上掃孔至81.02 m(其以上原鉆孔仍未封好、中空)，地面深度220 m左右；將MNZF/A76型的中空止水器于81 m，隔離上部含水層，后用逆向注漿器向上注漿至巷道頂板孔口，封堵結束。

3.3 治理創新點

1) 通過對鉆頭改進，在三翼鉆頭掃孔時鉆具下部加2～3根D68 mm鉆鋌(總長10～15 m)，起到導向作用的同時，也提高了鉆探效率。

2) 通過在原高壓注漿系統基礎上增加計置排氣系統，以解決向上注漿時，在井孔內形成相對密閉空間，致氣壓迅速升高的問題，可以及時排出氣體，確保封堵注漿正常進行，見圖3。

圖3 逆向封堵注漿示意

3) 通過圓鋼止水器與MNZF/A76型中空止水器不同特點，采用圓鋼止水器封堵下部奧灰水，中空止水器封堵止部含水層水，達到最佳止水效果。

4 結 語

1) 由于歷史施工測斜誤差較大，鉆孔測斜資料與實際施工偏差達20余米，在今后揭露類似鉆孔時，要特別注意孔斜造成的鉆孔偏移。

2) 從掃孔情況看，鉆孔的封孔質量較差，一般僅在峰峰組頂部下木塞進行隔水，后水泥封堵，但水泥封堵質量差，全孔僅個別深度出現有水泥封堵痕跡。今后在類似鉆孔揭露或在其附近施工中一定要注意鉆孔封堵質量，特別是揭露奧灰鉆孔，要充分考慮揭露奧灰深度和其含水性，防止無計劃揭露發生事故。

3) 該孔掃孔至上馬家溝組30 m后，鉆孔有涌水0.5 m3/h左右，為上馬家溝組與峰峰組接觸位置涌水，對比鉆孔資料，對該孔奧灰含水層的描述基本可靠，可以做為今后奧灰帶壓開采的參考依據之一。

4) 在治理過程中要充分考慮鉆孔孔斜問題，采用導向掃孔措施，防止發生掃孔偏斜。

5) 掃孔前要完善排水系統，充分考慮鉆孔孔口承壓、涌水量等因素。