高河能源井下一孔多用水文觀測鉆孔施工技術工藝

石 強

（潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 046000）

突水事故[1-3]對井工礦井安全生產影響重大，施工水文觀測鉆孔時礦井地下水位動態監測的重要方法。本文以高河能源為背景，在井下施工垂直向下的水文觀測鉆孔[4-5]，對地下太灰巖水位和奧灰巖水位變化進行觀測，為礦井安全開采提供保障。

1 工程概況

1.1 水文情況

潞安礦區奧陶系中統厚度約600 m左右，高河井田內鉆孔揭露奧陶系地層，揭露最大厚度271.7 m。奧陶系水位標高+634～+638 m之間，單位涌水量3.233～7.646 L/som，含水層為3號煤層底板間接充水含水層。高河能源全區處在奧灰水承壓區，奧灰突水系數在0～0.02 MPa/m，正常情況下工作面不受底板水威脅；但由于隱伏導水斷層、充水陷落柱等的影響，部分區域可能受底板水的威脅，需進一步加強探測。

1.2 施工目的

為了掌握地下奧灰巖水位動態變化，進一步完善建立水文觀測系統與排水管回流緩沖系統，決定在井下實施1個水文觀測孔。該鉆孔可以達到以下目的：①對K2、K3、K4覆巖水長期靜態觀測，必要時可以動態觀測；②觀測奧灰水動態與靜態變化；③奧灰水可以觀測，也可以抽水利用作為動態觀測，動態觀測過程中為預防泵管的回流壓力對鉆孔造成的破壞，進行緩沖裝置的運行。

2 井下水文鉆孔施工方案

2.1 施工位置

該鉆孔位于+450 m水平南輔大巷專門水文觀測硐室中，總計施工1個鉆孔，在水文觀測硐室底板開孔，垂直向下鉆進，鉆孔深度為450 m。

2.2 鉆孔結構及參數

該水文觀測鉆孔分5級施工，采用三級套管，一級套管為10 m，二級套管為40 m，三級套管為155 m，鉆孔結構見圖1所示。具體如下：

圖1 井下水文觀測鉆孔結構圖

1）一開孔徑?173 mm，孔深0～10 m，孔深位置到煤層下第7層泥巖，之后下入?168 mm控水管，共計10 m，規格為Ф168 mm×6.5 mm。

2）二開孔徑?153 mm，孔深10～40 m，孔深位置到煤層下第19層石灰巖，之后下入?146 mm控水管，共計40 m，規格為Ф146 mm×4.5 mm。

3）三開孔徑?133 mm，孔深40～155 m，孔深位置到煤層下第69層石灰巖，之后下入?127 mm控水管，共計155 m，規格為Ф127 mm×4.5 mm。

4）換徑?113 mm，孔深155～400 m；終孔孔徑?98 mm，孔深400～450 m，裸孔鉆至終孔。

2.3 鉆孔施工工藝

1）第一步：水文觀測鉆孔首先采用173 mm鉆孔開孔，鉆進深度達到10 m時，停鉆并下入直徑為168 mm的套管。對套管進行注漿加固后作為孔口管使用，并在孔口管上安裝止水器、孔口控水閥門和壓力表，進行耐壓試驗，試驗合格方可繼續鉆進。試驗孔口壓力不小于3 MPa，穩壓時間大于30 min，耐壓試驗合格標準為：鉆孔周圍沒有漏水、壓力穩定、套管無位移，同時水損耗小于10%，無底鼓和片幫。

2）第二步：采用直徑為153 mm的鉆探繼續向下鉆進，鉆機深度達到40 m時，停鉆并下入直徑為146 mm的套管。對套管進行注漿加固后作為孔口管使用，并在孔口管上安裝止水器、孔口控水閥門和壓力表，進行耐壓試驗，試驗合格方可繼續鉆進。試驗孔口壓力不小于3 MPa，穩壓時間大于30 min，試驗合格標準與上述一致。

3）第三步：采用直徑為133 mm的鉆頭繼續向下鉆進，鉆進深度達到155 m時，停鉆并下入直徑為127 mm的套管。套管進行注漿加固后作為孔口管使用，并在孔口管上安裝止水器、孔口控水閥門和壓力表，進行耐壓試驗，試驗合格方可繼續鉆進。試驗孔口壓力不小于3 MPa，穩壓時間大于30 min，試驗合格標準與上述一致。

4）第四步：采用直徑為113 mm的鉆頭繼續向下鉆進至400 m深度；最后采用直徑為98 mm的鉆頭繼續向下鉆進至終孔深度。

5）在整個水文鉆孔施工過程中，應穩定操作，均勻給壓，嚴格控制鉆進壓力，嚴禁鉆機壓力出現忽大忽小現象；同時，鉆進速度和壓力需根據鉆進施工情況和巖性情況合理確定；鉆進施工應采用復合片鉆頭、孕鑲鉆頭，并提前做好準備，同種規格不少于3個，相互交替使用。

6）未見含水層前安裝好套管。

2.4 固管要求

一、二控水管壁后全段注水泥封堵，在三級套管頂端安裝止水器伴隨三級套管同時下入孔內，用于阻擋三級套管和二級套管中間水泥漿液的返回，達到三級控水管K2以下至套管端注水泥封堵，K2之上不進行水泥封堵。各級套管均進行耐壓試驗并達到上述施工技術工藝要求。

2.5 安全技術措施

1）水文觀測鉆孔止水器必須安裝在巖性完整、隔水性能良好的巖層中。

2）每孔多級法蘭均形成連體。

3）下套管要嚴格把關，杜絕連接頭公差配合有誤。

4）連接頭必須使用密封膠周圈均勻涂抹公母扣，嚴防滲漏水。

5）施工中如遇構造等因素，需向礦地測科和總工匯報經批準后，鉆孔孔徑、套管規格可根據實際地質情況適當調整。

2.6 施工設備

1）鉆探設備。采用ZDY-4000S型鉆機（增程改進型）1臺，電動功率55 kW,電壓660 V/1 140 V。鉆機功能方向360°均可鉆探。

2）注漿固管設備。采用與鉆機配套的BW250型泥漿泵1臺，電動功率22 kW,轉速1 480 r/min，電壓660 V/1 140 V；泥漿泵4個檔位，可根據注漿情況進行多檔位調節，1檔泵量50 ml／min，2檔90 ml／min，3檔160 ml／min，4檔250 ml/min（即15 m3/h），單缸和雙缸區分進出水管，泥漿泵可注高濃度漿液和雙液漿及化學漿液。

3 井下施工效果分析

該水文鉆孔的施工，滿足了太灰水和奧灰水的分離觀測，實現了第三級套管孔內全部為奧灰水，在第三級套管和第二級套管中間全部為太灰水。此鉆孔可有效觀測太灰水和奧灰水的靜態和動態的變化情況，也可以抽水加以利用。最終達到一孔多用的目的，免去了重復施工鉆孔造成成本的浪費。

4 結語

水文鉆孔是觀測地下水位變化的重要技術手段，高河能源全區處在奧灰水承壓區，施工水文觀測孔，完善礦井水文觀測系統，對太灰巖水位和奧灰巖水位進行長期靜態和動態觀測，并可通過排水管回流緩沖系統保護水文觀測鉆孔，有效減少水文鉆孔破碎帶來的安全隱患，保障了礦井安全開采。