底板含水層改造套管斷裂事故處理施工實踐

王濟德

(霍州煤電集團 汾源煤業(yè)有限公司， 山西 靜樂 035100)

霍州煤電集團汾源煤業(yè)有限公司一采區(qū)5-103工作面煤層傾角大、煤層厚度大、水壓大，在鉆探施工中鉆孔未到終孔位置時，上部套管在很多因素影響下發(fā)生脫扣、斷裂，為后續(xù)施工帶來許多麻煩。為此，必須采取有效措施進行處理。

1 工作面概況

霍州煤電集團汾源煤業(yè)有限公司一采區(qū)5-103工作面開采5號煤層(太原組)，工作面整體為單斜構(gòu)造，總體趨勢東高西低，煤層起伏變化不明顯，平均厚度10.3 m，煤層走向N6°W，傾向WN，煤層傾角25°～35°，平均傾角30°，煤層節(jié)理發(fā)育，靠近工作面切眼部分斷層較多，外部構(gòu)造簡單。

礦井底板奧陶系石灰?guī)r巖溶含水巖組是對工作面影響最大的含水層組。按突水系數(shù)計算，突水危險性不大(突水系數(shù)小于0.06 MPa/m)，但從該區(qū)和該礦實際揭露底板隔水層條件分析，5號煤層圍巖多段松軟、破碎、垂直裂隙較發(fā)育，臨近礦井大遠煤業(yè)開采上組煤(2號煤)曾經(jīng)出現(xiàn)過奧灰水淹井事故，該礦與大遠煤業(yè)地質(zhì)條件相似，且開采煤層距奧灰含水層更近，所以突水危險性更大。工作面內(nèi)部揭露的小型構(gòu)造表明該工作面地層完整性差，可能存在垂向?qū)ǖ溃簩虞^厚傾角較大，底板破壞深度比水平薄煤層開采的破壞深度相對更大，因此，需對底板隔水層及含水層進行注漿加固改造。

2 水文地質(zhì)概況

5-103工作面位于礦井一采區(qū)北翼，工作面煤層底板標高+1 140～+1 242 m，低于奧灰靜水位標高(奧灰水的靜水位平均標高為+1 466 m)，為帶壓開采工作面，帶壓值為2.24～3.26 MPa.

奧陶系上馬家溝組地層上部約50 m的地段內(nèi)，以石灰?guī)r為主，質(zhì)地較純，巖溶裂隙發(fā)育，含水層富水性較好。煤層開采時存在一定底板擾動破壞，煤層底板隔水層松軟、破碎，剛性不足，難以起到抗壓作用，注漿改造奧灰頂部一定段落成為關(guān)鍵，把其改造成隔水層，可以達到抵抗下伏奧灰水壓的作用，真正達到注漿改造目的。設(shè)計注漿充填改造段要求鉆孔進入奧灰含水層30 m(法線距)[1-2].

3 套管斷裂原因分析

3.1 套管斷裂事故經(jīng)過

5-103工作面底板注漿加固(改造)工程于2019年6月開始施工，5-1031巷工作面布置11個鉆場，其中5號鉆場設(shè)計鉆孔8個，B5-7鉆孔方位角30°，傾角-52°，一級套管(d146 mm)下設(shè)長度16 m，二級套管(d108 mm)下設(shè)長度35 m. 按照設(shè)計要求施工完成后，鉆孔出水量9 m3/h，在關(guān)閉閥門準備安裝孔口注漿裝置時，觀測發(fā)現(xiàn)鉆孔附近巷道底板有底鼓現(xiàn)象，底鼓高度0.1～0.2 m，長度10～15 m，打開閥門對孔內(nèi)進行鉆孔電視成像窺視，發(fā)現(xiàn)孔口以下3.5 m和5 m處套管有脫扣現(xiàn)象。

3.2 套管斷裂原因分析

通過收集現(xiàn)場資料，勘查現(xiàn)場地質(zhì)及水文地質(zhì)條件并整理查閱鉆孔施工記錄，對照圖紙設(shè)計，分析B5-7孔套管脫扣事故原因主要有：

1) B5-7鉆孔與B5-5鉆孔施工孔口相距0.6 m，B5-5鉆孔是在B5-7鉆孔施工完成后開始施工的鉆孔，分析B5-5鉆孔在下設(shè)一級套管進行固結(jié)施工過程中，因注漿固管壓力升高導(dǎo)致孔口周圍煤體松動移位抬升，是導(dǎo)致B5-7鉆孔套管脫扣的主要原因。B5-7鉆孔與B5-5鉆孔平面布置圖見圖1.

圖1 B5-7鉆孔與B5-5鉆孔平面布置圖

2) 5-1031巷工作面是沿5號煤層(煤厚10.3 m)頂板掘進的進風(fēng)巷道，巷道底板以下煤層厚度預(yù)計6～7 m，因5號煤層為松軟煤層，整體抗壓強度較小，也是導(dǎo)致B5-7鉆孔套管脫扣的又一主要原因。

3) B5-7鉆孔與5-1031巷工作面(巷道方位角6°)間夾角較小(24°)，孔口距巷幫0.4 m，鉆孔在巷道內(nèi)暴露的長度為0.98 m，鉆孔與巷道夾角較小是造成套管斷裂事故發(fā)生的次要原因。

4) B5-7鉆孔施工完成后未能及時注漿，也是造成套管斷裂脫扣事故發(fā)生的次要原因。

4 施工方案

鉆孔套管斷裂事故處理方法有多種，因現(xiàn)場地質(zhì)及水文地質(zhì)條件不同、施工條件不同，所采用的事故處理施工方法也不相同。但每種方法必須結(jié)合現(xiàn)場實際情況，綜合分析主要原因，找出關(guān)鍵問題所在進行處理。現(xiàn)場鉆探設(shè)備完好，套管等材料齊全，經(jīng)綜合評定，B5-7鉆孔再下入一級套管的施工工藝是處理該孔斷管事故最簡便、最快捷、最有效的方法[3-4].

5-1031巷5號鉆場B5-7鉆孔二級套管長度35 m，d108 mm，套管脫扣位置位于孔深3.5 m和5 m處，鉆孔傾角尚未發(fā)生變化，處理方法為再下入一級套管；可以在二級套管內(nèi)再下入d89 mm三級套管，長度以超出二級套管長度為宜，并將孔口法蘭盤固定在一起，然后使用注漿泵對二三級套管間的環(huán)狀間隙用水泥水玻璃雙液漿進行充填固結(jié)。施工前要先進行水泥和水玻璃的配比試驗，選擇合適的比例以達到最佳的反應(yīng)凝結(jié)效果，以孔口有濃稠的漿液返出為結(jié)束標準，停止注漿泵并關(guān)閉注漿閥門，等待漿液凝固后即可對鉆孔進行試壓和注漿施工。

具體施工方法為：1) 準備d89 mm三級套管36 m并焊接4英寸法蘭。2) 準備注漿水泥2 t及水玻璃1 t. 3) 下入帶法蘭盤的d89 mm三級套管36 m并與一級、二級套管法蘭盤進行連接固定。4) 現(xiàn)場使用多個鐵桶進行水泥和水玻璃的配比試驗，并確定比例。5) 使用注漿泵將雙液漿注入二三級套管間的間隙內(nèi)直至孔口由漿液返出。6) 停止注漿泵并關(guān)閉注漿閥門。7) 待漿液凝固后即可對鉆孔進行試壓和注漿施工。

5 注漿設(shè)備、材料及施工工藝

1) 注漿設(shè)備、材料。

注漿設(shè)備采用QB-12型氣動化學(xué)雙液漿泵，該泵具有體積小、重量輕、注漿泵壓高等優(yōu)點。注漿材料選用水泥和水玻璃兩種注漿材料。d89 mm套管36 m，注漿桶3個，可以用廢舊液壓油桶中間截開代替，分別盛裝水泥漿、水玻璃和清水[5].

2) 注漿原理。

注漿原理是兩種漿液在孔內(nèi)混合后迅速反應(yīng)，由泵給壓進入環(huán)狀間隙，把二三級套管固結(jié)在一起，達到一定抗壓強度的密實整體[6].

3) 施工工藝。

漿液經(jīng)注漿泵加壓，由導(dǎo)管與事故鉆孔孔口盤連接，孔口盤外連接三通，兩個輸漿管分別輸送水泥、水玻璃兩種漿液。

設(shè)備安裝完畢后，即可開始注漿。采用孔口混合方式，漿液在三通內(nèi)即發(fā)生混合反應(yīng)。這種混合方式可防止?jié){液還沒反應(yīng)完全就被水流稀釋，但弊端是漿液易在輸漿管內(nèi)形成結(jié)石體阻塞注漿管，使壓力增高無法繼續(xù)注漿。隨注漿泵不斷壓入，漿液也不斷擴散至套管環(huán)狀空間中，最終漿液凝結(jié)成密實的結(jié)石體，充滿鉆孔環(huán)狀空間。注漿結(jié)束以孔口返出濃稠漿液為信號，說明漿液已充滿環(huán)狀間隙。

4) 施工過程。

2019年10月27日在前期準備工作就緒后，開始按設(shè)計方案確定的施工順序進行施工，先下入d89 mm套管，在最下端一根套管頭纏繞麻繩，厚度以不影響套管順利下入為原則，長度0.5 m，共下入套管36 m，孔口連接法蘭盤，并與一級二級套管法蘭盤固定在一起;連接雙液注漿泵對套管環(huán)狀間隙進行注漿，一人負責(zé)現(xiàn)場指揮，二人制作水泥漿液，一人負責(zé)將水玻璃倒入注漿桶，一人操作注漿泵，一人在孔口觀測。孔口有濃稠漿液返出停止注漿，關(guān)閉注漿閥門清洗注漿泵和注漿管，等待漿液凝結(jié)48 h后關(guān)閉孔口閥門，觀測孔口周圍底板無滲水。

6 效 果

套管斷裂事故的處理，不僅保留了B5-7孔作為注漿孔繼續(xù)使用，節(jié)約施工費用70多萬元，而且不影響鉆場內(nèi)其他鉆孔的施工，改善了施工現(xiàn)場的安全環(huán)境，加快了工程進度。

7 結(jié) 論

采用雙漿液處理鉆孔套管折斷及鉆孔周圍漏漿情況時，漿液反應(yīng)速度快、結(jié)石率高、結(jié)石體不透水；采用下多級套管進行鉆孔套管折斷或脫扣事故處理時，操作簡單、便捷。綜上實踐證明，采用三級套管法結(jié)合雙液漿注漿法在鉆孔變形不嚴重或脫扣、地層破碎等地質(zhì)條件下固管技術(shù)，能有效改善鉆孔后續(xù)注漿施工條件，為加快施工進度打下牢固基礎(chǔ)，是一項具有推廣應(yīng)用價值的現(xiàn)場實用技術(shù)。

8 建 議

通過B5-7鉆孔套管脫扣事故處理，發(fā)現(xiàn)在煤層底板注漿加固(改造)的設(shè)計及鉆孔施工中有很多需要改進和提高的地方。

1) 在施工前要施工鉆場，鉆孔盡量布置在鉆場內(nèi)，以有效避免鉆孔方向與巷道夾角小時孔口套管暴露在巷道底板過長的問題。

2) 同一鉆場內(nèi)，相鄰鉆孔孔口間距適當加大。

3) 鉆探施工結(jié)束后不要頻繁開關(guān)孔口閥門，及時安排注漿，減少鉆孔成孔后與注漿開始的間隔時間。