城郊礦水文孔高壓出水封堵方案研究

王傳永

（河南能源化工集團永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600）

城郊礦井下主采煤層的平均厚度為6.4 m，煤層的平均傾角為3.7°，煤層的夾矸層為砂質泥巖，直接頂為砂巖，平均厚度為2.9 m，直接底為泥巖、平均厚度為6.1 m，煤層的基本頂板為細砂巖，為富含水層，巷道掘進過程中將穿過部分富水區。通過觀察，在巖層的石炭系第十四層灰巖7號水文孔處經常出現涌水現象，該水文孔的最大直徑為135 mm，距離巷道頂板的位置約為1.7 m，涌水量約為4.7 m3/h，水壓約為3 MPa，屬于典型的水文孔高壓出水。最初采用了止水塞堵水方案，但效果不理想，漏水現象反復出現，給煤礦井下綜采作業安全造成了較大的威脅。

結合水文孔的實際情況，工程處提出了一種新的止水塞+注漿堵漏的工藝方案。為了實現對不規則水文孔可靠堵漏，在止水塞外側采用了加厚橡膠層方案[1]，能有效適應不規則的水文孔結構，實現初步止水。在注漿過程中采用連續注漿和間歇式注漿相結合的方案實現了堵漏安全性和快速性的統一。

1 堵水方案選擇

通過對7 號水文孔漏水情況分析，涌水出現在水文孔的右側，而且系統原有的排水管內也有少量的水不斷地流出，當關上出水截止閥后仍然有水涌出，因此初步分析是由于井下的密封法蘭破損原因導致的。通常出現該類事故后只需要將破損的法蘭更換即可，但是由于鉆孔的孔口實際高度是低于巷道底板的高度的，而鉆孔內又有大量的積水，因此為了進一步確定出水的原因，工程部人員從出水孔處進行視頻攝像探測，利用水下攝像頭，對出水位置進行判斷。探測發現法蘭處密封完好，破損出現在孔口管處，對其破損狀態分析后發現，該處主要是由于漏刷防水漆，導致該處在長期潮濕環境下腐蝕，進而產生了管口破損，無法通過更換上部的密封結構進行堵漏。因此若采用更換破損結構的方案，需要將底板下側約5 m 深的位置刨開，然后用切割機將破損位置整體切割后換上新的密封裝置，整個施工周期高達5 d，而且成本極高，無法滿足井下綜采作業的需求。而采用補焊的方案則焊點位置受應力作用集中，在井下水壓作用下易開裂，無法滿足長期運行可靠性的需求。因此對多種堵漏方案進行分析后選擇了經濟性和效率較為平衡的止水塞+注漿堵漏的工藝方案，先用止水塞阻絕地下水，然后在管道的周圍注入注漿料，既能夠實現快速堵漏，又能夠保證長期密封效果。

2 止水塞堵孔

7 號水文孔由于長時間浸沒在水中，在鉆孔下側約5 m 的位置產生了大量的坍塌，存在大量的碎石，無法安裝止水塞。因此首先利用沖擊式鉆機對水文孔塌方的位置進行擴孔處理，清除內側的塌方和碎石。在設置止水塞時發現傳統的止水塞外側的橡膠層較薄，當鉆孔不規則時難以達到完全封堵的目的。因此在對該高壓水文孔進行堵孔時，采用了加厚的止水塞，塞長1.8 m，直徑為110 mm，止水塞的內部骨架為直徑60 mm 的鋼管，橡膠層的厚度為25 mm，比正常止水塞橡膠層厚度增加了50%，和水文孔配合時的單邊過盈量約為3 mm，能夠和孔壁完全貼合，確保了封堵時的可靠性。止水塞的結構如圖1[2]。

圖1 止水塞裝配結構示意圖

在安裝止水塞的過程中要先在止水塞內管上側設置一個球閥，然后利用抱箍將球閥和法蘭盤連接起來，球閥需要處于關閉狀態，避免在安裝止水塞的過程中高壓水噴出。止水塞的外側可以適當涂抹凡士林，增加裝配時的潤滑性，止水塞裝配到位后將彎管、高壓連接軟管和注漿泵進行連接，為后續的注漿堵漏做準備。

3 注漿堵漏

為了提高注漿液的輸送效率，降低輸送成本，利用水文孔附近的運輸順槽作為注漿站點，注漿泵采用BW-250/7 型注漿泵[3]。為防止漿液在注漿過程中凝固，在注漿站內設置了攪拌機，以2 r/min 的速度進行均勻攪拌。

由于水文孔內水的壓力為3 MPa，為了避免在注漿過程中高壓水噴出，對多種注漿壓力進行了實驗驗證，最終確認當注漿壓力為4.5 MPa 時具有最佳的注漿性能。在對注漿材料選擇時結合成本和凝固速度，選擇了高強度快干水泥。為了提高封堵效果和凝固速率，在水泥料中增加了促凝劑、膨脹劑及碎石，以確保注漿料在注料后24 h 內凝結完畢，顯著提升注漿堵漏的封堵效果。

在進行注漿過程中采用連續注漿方案，若中間出現漏水情況則可進行間歇式注漿，提高注漿封堵的可靠性。注漿料應該先選用稠一點的注漿料，待注漿完成60%后再逐漸降低注漿料的密度，避免前期注漿料因密度過小和水接觸后無法凝固，影響堵漏效果。

本次對7 號水文孔的注漿堵漏共采用水泥注漿料約1500 kg，在注漿壓力為4.5 MPa 的情況下經過12 h 全部注漿完成。經過25 h 后對注漿料的凝固情況進行檢查，注漿料已完全凝固。完成后在水文孔的頂部和底部套管處利用壓板和錨固螺栓進行加固，加固結構如圖2[4]。

圖2 水文孔封堵后套管加固結構示意圖

4 堵漏效果分析

利用止水塞+注漿堵漏的工藝對水文孔進行堵漏，從鉆孔到完成堵漏的周期約為72 h，傳統堵漏方案的堵漏周期約為120 h，因此比采用傳統鉆孔堵漏方案效率提升了60%以上，同時堵漏一次成功率由56.4%提升到了97%，比優化前提升了72%。在堵漏后未再出現復漏的情況，確保了城郊礦井下綜采工作面安全開采，目前該方案已經得到了廣泛的推廣應用。

5 結論

為解決城郊礦井下水文孔高壓出水問題，采用止水塞+注漿堵漏工藝方案，止水塞外層采用彈性橡膠體結構，能有效適應不規則結構的水文孔。在注漿過程中采用連續注漿和間歇式注漿相結合的方案實現了安全、快速堵漏性的目的，根據應用表明：

（1）對該高壓水文孔進行堵孔時，采用加厚止水塞，橡膠層的厚度為25 mm，比正常止水塞橡膠層厚度增加了50%，和水文孔配合時的單邊過盈量約為3 mm，能夠和孔壁完全貼合，確保了封堵時的可靠性。

（2）為了防止漿液在注漿過程中凝固，在注漿站內設置了攪拌機，以2 r/min 的速度進行均勻攪拌。注漿壓力為4.5 MPa 時具有最佳注漿效果。

（3）水泥:促凝劑:膨脹劑=8:1.5:0.5，能夠確保注漿料在注料后24 h 內凝結完畢，顯著提升了注漿堵漏的封堵效果。

（4）新的水文孔堵水方案從鉆孔到完成堵漏的周期約為72 h，比采用傳統的鉆孔堵漏方案效率提升了60%，堵漏一次成功率提升到了97%。