井下带压水文钻孔封堵技术研究

白利明

井下带压水文钻孔封堵技术研究

白利明

（西山煤电（集团）有限责任公司邢家社煤业公司，山西 太原 030053）

通过对镇城底矿GS13－2水文孔出水经过、突水原因的分析，提出适合井下带压水文钻孔的封堵治理方案，总结了配重计算、止水塞下放、补注浆等技术措施。在此基础上，提出了水文钻孔设计与施工等方面的合理化建议，为同类钻孔的施工、日常监管与应急封堵提供了借鉴。

带压水文钻孔；突水；封堵

井下未封堵的水文钻孔是带压开采矿井进行地下水动态监测的重要部分，同时也是矿井水患之一。由于管壁腐蚀、构造应力破坏以及矿山压力等因素影响，水文钻孔极易出现无计划突水，给矿井安全生产造成严重威胁。西山煤电集团所属各带压开采矿井均不同程度地存在井下未封堵水文钻孔的隐患，在强化日常监测管理的同时，研究带压水文钻孔突水封堵技术，提高矿井防治水应急能力是非常必要的。本文以镇城底矿GS13－2水文孔出水封堵为实例，分析研究了其具体封堵技术，可为同类钻孔的施工、日常监管与应急封堵提供借鉴。

1 概 况

GS13－2水文孔位于镇城底矿井下760东轨道大巷800 m处，由148队于2002年1月施工，2002年7月竣工，孔深380 m，开孔层位为太原组8＃煤底板，终孔层位为奥陶系中统上马家沟组下段，孔深80 m时进入中奥陶统石灰岩。该孔开孔为377 mm无缝钢管，逐段孔径为325 mm、273 mm、219 mm、168 mm，孔口173.68 m以下为直径168 mm花管。钻孔抽水试验涌水量最大为299.988 m3／h。钻孔结构见图1。GS13－2水文孔硐室底板标高＋771 m，奥灰水静止水位标高＋900 m，带压1.29 MPa，突水系数为0.026 MPa／m，隔水层厚度约80 m。

图1 GS13－2水文钻孔结构图

2011年8月8日凌晨5∶30，井下汇报760东轨道大巷800 m处GS13－2水文孔硐室有水涌出，经观测，发现GS13－2水文孔硐室底板有4个较大涌水点和3个小的涌水点，涌水水源确定为来自GS13－2孔内的奥陶系岩溶水。现场检测H2S气体浓度为0.8×10－6，总涌水量约150 m3／h。8月8日早8∶30，涌水量逐渐增至230 m3／h，后逐渐趋于稳定。

2 出水原因分析

根据对钻孔出水情况和GS13－2水文孔钻孔结构分析，认为出水原因如下：

1）设计不当：施工中钻孔结构由3径变成复杂的5径，不取芯钻进，致使层位判断不准确。第一径套管未下到位（奥灰顶界面），致使煤系地层段增加一径325 mm的井壁管；钻至峰峰组地层段时，出现严重孔壁坍塌，而下一径273 mm管护壁，未下到峰峰组底，而后又多下一径219 mm井壁管。

2）孔壁坍塌：因施工时地层坍塌严重，致使井壁管滑动，在变径连接处、井壁管薄弱处破裂而造成出水。

3）水质腐蚀井壁管：井壁管经过近十年的水质腐蚀，在变径连接处、井壁管薄弱处破裂而造成出水。

4）奥灰静止水位升高：镇城底井田位于晋祠泉流域，由于晋祠泉流域近十年来严禁开采奥灰水，导致水位升高10～31 m。该水文孔原抽水试验奥灰水位标高868.5 m，现附近水文孔观测奥灰水位标高899.5 m。

5）构造应力作用：水文孔硐室位于马兰向斜轴北部，应力集中，断裂构造较多，裂隙发育，致使岩层整体稳定性差，阻水能力减弱。

6）矿山压力作用：GS13－2水文孔硐室底板岩层由于巷道掘进引起的矿山压力，导致裂隙增大，奥陶系岩溶水沿钻孔套管破裂处通过钻孔周围裂隙涌出。

3 钻孔封堵方案

1）探孔深。2011年8月15日，探孔225 m，达到封堵方案要求。

2）探变径深度及准确尺寸。8月15日，探至70 m见273 mm套管顶端位置，探至145 m见168 mm套管顶端位置。施工方根据探孔情况加工止水塞和配重圆钢。

3）止水塞的制作和下放。

第一组止水塞放于168 mm套管顶部，深度145 m，用d190 mm止水塞（2 m，重0.44 t）和d140 mm圆钢（8根，24 m，共重2.91 t），在190 mm止水塞上缠膨胀胶皮。8月19日凌晨，第一组止水塞下到预定位置，水量由230 m3／h减小为170 m3／h，达到设计要求，但因配重不足，止水效果不理想。

第二组止水塞放在273 mm套管顶部，深度在70 m（峰峰组顶部）。8月21日，开始下d297 mm止水塞（2 m，重1.09 t）和d200mm圆钢（5根，15m，共重3.70 t），但止水塞下至53 m处受阻。现场分析认为，与孔径、水压等有关。后用d300 mm钻头扫孔，至70 m见273 mm套管顶端。

8月24日，重新开始空下d297 mm止水塞（2 m，重1.09 t）和d200 mm圆钢（5根，15 m，共重3.70 t），至58 m水压太大、配重不够受阻。8月25日，增加两根d200 mm圆钢（2根，6 m，共重1.48 t），空下d297 mm止水塞，可下至70 m处，但缠上膨胀胶皮后，下至50 m处受阻，经分析配重仍然不足。

8月30日，增加d303 mm止水塞（1.0 m，重0.57 t）和d200 mm圆钢（3根，9 m，共重2.23 t）下至70 m处，水量减小为90 m3／h，之后2 h不出水，后水量又增加为50 m3／h，配重仍然不足。

9月3日，增加d200 mm圆钢（2根，6 m，共重1.48 t），止水塞下到70 m，3 h后水文孔停止出水，水文孔硐室内仅有1～2 m3／h水流出，达到注浆封堵要求。

4）注浆止水。下止水塞止水成功后，开采进行围幕注浆，9月5日注浆完毕，并用堵盘将孔口封堵。9月7日验孔，泥浆凝固效果良好，打开堵盘泥浆下沉2.0 m，再次进行了补注浆。两次用水泥共12 t。

4 封堵技术研究

1）配重计算。

第一组止水塞：

半径：r＝0.168 m／2＝0.084 m

压强：P＝1.29＋1.73＝3.02 MPa

代入公式：

式中：

m—配重的重量，kg；

g—重力加速度，N／kg，取10；

s—第一组止水塞断面，m2，取3.14×r2。计算得：

m＝6 691 kg，即6.69 t；

第二组止水塞：

半径：r＝0.273 m／2＝0.136 5 m

压强：P＝1.29＋0.80＝2.09 MPa

代入公式：

式中：

m—配重的重量，kg；

g—重力加速度，N／kg，取10；

s—第一组止水塞断面，m2，取3.14×r2。

计算得：

m＝12.2×103kg，即12.2 t。

根据实际封堵情况，以上配重的计算方法可靠，能达到封堵需求，可以推广使用。

2）止水塞下放。

在第二组止水塞下放过程中，水压过大，止水塞受阻，通过调整设计，三次增加配重和止水塞，先空下止水塞，能达到预定位置后，再缠膨胀胶皮，成功地封堵了水文孔出水，达到注浆封堵条件。

3）注浆后进行补注浆。

9月5日注浆完毕后，9月7日进行验孔，泥浆下沉2.0 m，再次进行了补注浆。通过两次注浆，完成了GS13－2水文孔最后的封堵工作。

5 建 议

1）带压开采矿井，尽量避免井下施工水文钻孔，如果确实需要，井下钻孔孔径满足勘探基本要求即可，同时留设水文孔保护煤柱，并安设水文动态监测系统。

2）水文地质补充勘探中，水文地质钻孔奥灰顶界面以上岩层尽量全部取芯（特别是井下水文地质钻孔），以便准确判断层位。

3）水文孔各级套管须下到预定位置，由于特殊情况下不能下到预定位置的，必须在水文孔综合资料中准确说明情况。各级不同管径处水泥壁座必须符合规定要求。

4）如要封堵水文钻孔，封堵设计中，严格按照止水点水压计算配重，减少封堵中的不确定因素，提高封堵效率。

［1］ 柴登榜.矿井地质工作手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1986：591－610.

［2］ 虎维岳.矿井水害防治理论与方法［M］.北京：煤炭工业出版社，2005：108－132.

［3］ 李 朋，郭冬兰，张 强.大水量、高水压条件下封堵井下漏水钻孔［J］.山东煤炭科技，2010（6）：198.

［4］ 葛均刚.地面水文孔井下封堵技术［J］.煤矿安全，2007，38（06）：28－29.

［5］ 孙尚云.井下水文钻孔施工及突水治理工程实践［J］.煤炭技术，2007（12）：86－88.

Technology Research on Plugging the Hydrogeologic Drill－hole With Pressure in Coal Mine

Bai Li－Ming

By analysing the process and the cause of the water inrush of GS13－2 hydrological hole in Zhenchengdi coalmine，puts forward the plugging solution to suit for underground hydrological drilling with pressure，summarizes technicalmeasures such as weight calculation，installing sealing plug，filling grouting and etc.On this basis offers rationalization proposal on hydrological borehole design，construction and other，for similar drilling construction，daily supervision and emergency plugging provides the reference.

Hydrogeologic drill－hole with pressure；Water inrush；Plugging

TD745

B

1672－0652（2013）04－0007－03

2013－01－16

白利明（1970—），男，山西兴县人，1997年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事矿井地质与水文地质工作（E－mail）351005352＠qq.com