高压富水破损严重水源孔封堵技术研究

王立伟

冀中能源峰峰集团大社矿，河北邯郸，056200

1 破损钻孔概况

1.1 基本概况

破损钻孔位于峰峰集团大社矿井下-120水平，由峰四勘探注浆有限责任公司于2008年4月14日～2008年7月1日施工，孔口坐标(X：4045831，Y：38521501，Z：-120)，终孔孔深160.3m，开孔层位为山青1号小煤与2号小煤之间粉砂岩，终孔进入奥灰50.1m，终孔水量6.6m3/min，水压2.45MPa。该破损钻孔编号为小屯2#供水孔，担负着峰峰集团小屯矿工人村生活用水。

1.2 钻孔结构

0～26m， Φ223mm开孔下Φ219*8mm(即套管外径为219mm，套管壁厚为8mm，后同)，孔口管长25.2m；

26～74.1m，Φ173mm孔径下Φ168*8mm，套管长72.6 m；

74.1～109.7m，Φ146mm孔径下Φ140*8mm，套管长109.6 m；

109.7～160.3m，Φ91mm孔径裸孔。

1.3 钻孔出水情况

2014年6月6日21：50分，大社矿机电区二水平治水泵房开泵司机发现小屯2#供水孔钻窝底板出水，并向机电区及矿调度室进行汇报。调度室立即通知相关水文技术人员下井对钻孔进行检查，并向集团公司进行了汇报。

通过现场观测，发现该孔钻窝内底板已经出现底鼓，底鼓高度为0.4m，为防止钻窝内底板进一步受到破坏，采取将钻孔孔口与供水管道连接部分拆开，使钻孔内水充分流出，减少底板承受压力，经现场实测底板出水量及水流冒高，计算钻孔出水量7.5m3/min(其中底板出水量3.0m3/min)。

2 钻孔破损位置确定

2014年6月7日夜班至6月8日夜班先后使用Φ108mm、Φ89mm、套管进行探孔，探明供水孔内2m、15m位置发生断裂错位。

探孔经过：

0～2m下Φ108mm套管，在2m处顶套管，确定2m位置发生断裂错位。

2～49m下Φ89mm套管，在15m处浮力增大，确定15m位置发生断裂错位。

根据供水孔探明结果，矿决定对供水孔进行封堵。6月9日上午向集团公司有关领导进行了请示，集团公司同意对供水孔进行封堵。

3 钻孔封堵目的

经过探查发现该孔破损严重，不具备恢复条件，决定进行封堵。新屯矿2#供水孔位于大社矿西翼地堑水文条件复杂单元，奥灰水资源丰富，遭到破坏后，涌水量接近-120m水平泵房最大排水能力，如不及时进行封堵，有可能造成-120m水平泵房被淹，并殃及整个矿井。

4 钻孔封堵技术及实践

方案一：向钻孔内直接注骨料(花生、黄豆、绿豆、海带、锯末、编织袋条)及水泥浆进行封堵，为防止封堵时孔口装置及上部套管射出，孔口装置用4寸铁管压点柱固定。

封堵期间发现底板周围多处串浆，并伴有花生、海带等骨料被直接冲出，钻窝底板进一步底鼓，孔口装置压点柱铁管弯曲。为防止底板进一步破碎，孔口装置及上部套管喷出，造成更大的事故，决定放弃该方案。

原因分析：

(1) 骨料被冲出，说明底板破坏严重，导水裂隙大于骨料直径，骨料起不到封堵作用，下部应考虑减小底板导水裂隙。

(2) 钻窝底板底鼓，孔口装置压点柱铁管弯曲，说明铁管压点柱强度低于孔内水的压力，应重新考虑孔口装置固定。

方案二：先用化学浆对钻孔周围底板进行加固，减小底板导水裂隙，然后再对钻孔进行封堵。化学浆具有化学反应速度快，能缩短施工时间，采用化学浆进行加固，加固眼用气腿式凿岩机施工。

施工过程中，因底板破碎，加固眼只能施工3m左右。注化学浆时，化学浆还没有凝固就被水直接冲出，后调整缩短化学浆凝固时间，仍不能起到加固作用，反而加固眼成了新的出水点，决定放弃该方案。

原因分析：

(1)加固眼孔深浅，终孔位置在钻窝底板导水裂隙带中，在水流作用下，化学浆不向深部移动。

(2)钻窝底板底板出水量大，化学浆浆液被稀释，减弱化学浆的化学反应，化学浆还没有凝固就被被冲出。

方案三：先对钻窝进行浇筑和对钻窝外附近巷道底板加固，然后利用预埋引水管进行注浆再加固，最后对钻孔封堵。

预埋Φ108mm和Φ89mm引水管，将钻窝底板出水引出；接Φ168mm管路，将钻孔水引出。用37cm砖在钻窝外口闭墙，钻窝下半部用钢筋混凝土浇筑，上半部用木头摆架后再用水泥浆灌注。为防止封堵时水沿裂隙从钻窝外巷道涌出，选用化学浆对钻窝外附近14m巷道底板进行加固,并每隔2m施工一个木底梁和木点柱。加固眼施工顺序采用"由外向内"的方法，即先加固钻窝外两侧巷道，再加固钻窝口巷道。

钻窝外附近巷道底板加固施工过程中，由于底板破碎，加固眼深度3m～4m左右。预埋引水管进行注浆再加固时，发现水从巷道加固段外侧涌出，同时加固段巷道底板来压，为防止巷道底板大面积破坏，决定停止注浆加固。

原因分析：

(1)受底板破碎影响和气腿式凿岩机能力限制，加固眼孔深度未能到底板破碎底部。

(2)因供水孔位于水文条件复杂单元，奥灰水资源丰富，供水孔水量达7.5m3/min，钻孔Φ89mm套管达不到泄压作用，从预埋引水管注浆时，水压仍较大，无法到达封堵底板导水裂隙的目的。

方案四：直接封堵供水孔，在骨料中加入木模块。木模块作为大骨料，花生、黄豆、绿豆、海带、锯末作为中小骨料，为防止木模块堆积堵孔，每次控制加入木模块的数量，且与中小骨料均匀加注。

模块材料的选择：模块材料的特点，比重略小于水的比重最好，强度足以抵抗水压破坏力，具有加工方便，同时价格相对便宜，通过对比，确定用松木作为模块材料。

木模块形状选择：木模块做大了容易堆积堵孔，做小了有可能从钻孔破损处冲出，确定木模块加工为长柱状。

木模块柱高的确定：木模块既要便于从Φ89mm注浆套管压进去，又要便于进入Φ89mm套管与Φ140mm套管之间的空隙中。

Φ89mm套管外径d1=89mm，内径d2=89mm-12mm=77mm，外半径r1=89/2=44.5mm，内半径r2=77mm/2=38.5mm；Φ140mm套管外径D1=140mm，内径D2=140mm-16mm=124mm，外半径R1=140mm/2=70mm，内半径R2=124mm/2=62mm。

木模块的断面长宽的确定：Φ89mm套管与Φ140mm套管之间最小间隙为Φ140mm套管内半径R2与Φ89mm套管外半径r1之差，R2-r1=17.5 mm，木模块的断面长宽必须小于17.5mm，否则木模块不能进入Φ89mm套管与Φ140mm套管之间，确定木模断面长宽10～15 mm。

封堵初期，仍发现花生、黄豆、绿豆、海带、锯末小骨料冲出，但没有发现木模、海带。继续加注骨料封堵，发现水量减小后，不再加木模与海带，但仍加花生、黄豆、绿豆、锯末骨料进行封堵。不出水后，直用稠水泥浆直接向供水孔内施压进行封堵。由于钻孔位于富水单元，钻孔水量大，注浆上压困难，通过计算孔内体积约1.5m3，决定对钻孔注完6吨水泥后将不继续注浆。至此对钻孔封堵全部结束，历时18天。

5 供水孔封堵经验、创新点及应用前景分析5.1 经验

(1)高压大水量钻孔发生破损后，在高压大水量冲涮作用下，套管断裂裂缝进一步加大，钻窝底鼓造成底板破碎加剧，导水通道更加畅通。

(2)堵水骨料花生、黄豆、绿豆、海带在高压大水量作用下，会压碎压烂。

(3)受底板破碎影响和气腿式凿岩机能力限制，钻眼施工深度不深。

(4)钻窝底板出水量大时，化学浆还没有凝固就被被冲出，不能采用化学浆进行底板加固。

(5)高压大水量钻孔封堵时，必须防止孔口装置及上部套管射出。对钻窝进行浇筑是最安全的方法。

(6)木模块加工方便、比重小、强度大，对封堵大裂隙可起到关键作用。

5.2 创新点

高压大水量破损严重钻孔封堵，用木模作为大骨料，对封堵大裂隙可起到关键作用。木模作为大骨料与中小骨料均匀配置，可以有效防止木模堆积堵孔。

5.3 前景分析

通过本次对高压富水破损严重的水源孔成功封堵，探索了高压富水破损严重钻孔封堵技术，摸索出封堵技术关键点，治理了一起破损钻孔诱导奥灰出水事故，取得了极为明显的技术经济效益和安全效益，具有较高的推广价值。

5.4 效益分析

(1)通过对新屯矿2#供水孔的封堵，避免了钻孔导通奥灰水引发水害事故，为矿井消除了巨大的安全隐患。

(2)如不及时对供水孔进行封堵，每年浪费394万立方米的优质水资源，每年增加213万元的排水费用。

(3)通过对新屯矿2#供水孔的封堵，探索了高压富水破损严重钻孔封堵技术，摸索出封堵技术关键点，在封堵技术上有了新的突破。