城郊煤矿井下水文长观孔施工技术

臧　彬　王传永　李向阳　汪　佩

(河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿)



城郊煤矿井下水文长观孔施工技术

臧彬王传永李向阳汪佩

(河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿)

摘要为收集城郊井田石炭系太原组各灰岩含水层相关水文地质信息，补充太原组灰岩上、中、下各段水文资料，同时兼做井下供水水源，在井田西北翼施工石炭系太原组下段灰岩水文长观孔。钻孔自上而下需穿过L11～L2共10层灰岩，且钻孔倾角大、套管长，施工难度大。通过实施导向开孔、防坠器下管、浅部注浆加固、逐层注浆等技术，实现了对钻孔施工各环节的有效掌控，保障了顺利施工，提高了钻孔的施工质量和施工效率，确保了后期观测效果，从而为矿井水害防治工作提供了可靠的依据，也为矿井后续水文观测孔和供水孔的施工提供了借鉴。

关键词长观孔浅部加固逐层注浆水害防治

煤矿井下水文长观孔是直接设于井下，从巷道垂直向深部含水层施工，长期观测含水层水位的钻孔[1]，相较于地面水文长观孔，井下水文长观孔具有施工成本低、易保护、可兼做供水水源、不留或少留煤柱等优点[2]。通过井上、下分别布置多个长观孔，可建立起井上、下水文观测系统，对地下水进行动态观测，掌握其水位、富水性等变化情况，从而为矿井水害防治工作提供可靠的依据。

1工程概况

城郊煤矿于2003年正式投产，2009年核定生产能力为500万t/a，主要开采二叠系山西组二2煤层，采用立井两水平上下山开拓方式，混合式通风系统。矿井水文地质类型为中等，属瓦斯矿井。

城郊井田经过十多年的开采，水文地质条件日趋多变。为收集井田石炭系太原组各灰岩含水层相关水文地质信息，补充太原组灰岩上、中、下各段水文资料，为井田西北翼防治水工作提供可靠的水文地质依据，同时兼做井下供水水源，结合矿井水文观测孔分布现状，决定在西北轨道运输巷内施工太原组下段灰岩长观孔。

2长观孔设计

2.1施工层位选择

钻孔布置在西北轨道运输巷530 m处钻场内，开孔层位为二2煤层底板下23 m的细粒砂岩中。钻孔终孔选择进入太原组下段L2含水层底部，根据井田勘探资料，L2含水层(K2标志层)赋存稳定，且厚度大(约10 m)，富水性强，预计钻孔实际涌水量不小于50 m3/h，孔口水压不小于2.5 MPa。钻孔自上而下预计将揭露石炭系太原组L11～L2共10层灰岩含水层(图1)。

2.2钻孔结构

为确保钻孔施工质量和服务年限，钻孔设计下入2级套管，一级管和二级管分别为φ127 mm、φ108 mm无缝不锈钢钢管，全孔采用无芯钻进。 结合水文观测和供水需要，钻孔终孔前揭露的L11～L2含水层将采用逐层注浆技术封堵，而L11～L8含水层段将下入φ108 mm无缝不锈钢套管隔绝，以封堵其与下部含水层之间水力联系。

2.3钻孔参数

根据钻孔平面布置以及开孔和终孔层位计算钻孔施工方位、倾角、孔深及套管长度，见表1。

2.4施工工艺

钻孔施工工艺：开孔→下套管→埋管→做耐压试验→浅部加固→钻进→出水注浆→终孔起钻→安压力表→观测。钻孔施工工艺各环节既是独立的，也是有机统一的整体，任何一个环节出现状况都将影响钻孔施工质量乃至后期观测效果[3]。

3水文长观孔施工

3.1前期准备

施工前在钻场安装专用防爆电话，严禁占用。结合矿井实际，本次施工选用一台ZBSB-32～120/10.5～3型注浆泵、一台ZDY1900S型液压钻机及配套φ63.5 mm钻杆。

图1　钻孔结构及柱状图

方位/(°)倾角/(°)孔深/m终孔层位套管规格(孔径×长度)/mm×m11.5-70170L2含水层底部ϕ127×14,ϕ108×60

3.2导向开孔

钻孔严格按照设计参数进行稳钻、开孔，钻孔实际方位、倾角与设计值误差不得超过±0.5°。采用φ134 mm钻头开孔2 m后，及时下入φ127 mm导向管，待一级管埋好后，采用φ113 mm钻头带φ108 mm导向管继续开孔，待二级管埋好后，采用φ75 mm钻头正常钻进，直至设计终孔位置。

3.3防坠器下管

(1)钻孔下管前要反复顺孔、洗孔，待孔内岩粉冲洗干净后方可按设计要求下管。如孔内破碎，可适当延长套管长度。

(2)下管前要对每根套管丝扣详细检查，且保证丝扣不变形。接箍与套管对接时，丝扣处要缠绕生料带，确保套管密闭质量，达到“滴水不漏”。

(3)由于钻孔设计倾角达-70°，且二级管下管达60 m，按照每根20 kg计算，则随着下管不断增加，套管自重逐渐增大至1 200 kg。为了防止下管过程中套管坠入孔内，需使用倒链配合套管防坠器(图2)进行下管。

3.4固管及耐压试验

(1)加固套管前首先使用井下注浆泵向孔内注P.O42.5水泥单液浆，水灰质量比为1∶0.5，浆液密度为1.28 g/cm3，待孔口返出灰浆后，向孔内注入水灰质量比为1∶0.8、密度为1.42 g/cm3的水泥单液浆，待孔口返出水泥浆变稠后，方可停泵，确保套管加固牢固。

图2　孔口管防坠器

(2)一级套管加固结束，浆液凝固48 h后，通过φ113 mm钻头配合φ108 mm导向管扫孔钻进超过一级管长度0.5 m，使用ZBSB-32～120/10.5～3型注浆泵和清水对套管进行耐压试验，压力必须达到10 MPa，且稳压30 min，同时确保管壁周围无跑水现象，否则必须重新加固套管。一级管耐压试验合格后，孔口必须安装4寸高压闸阀和防喷反压装置方可继续钻进。

(3)二级套管加固结束，浆液凝固48 h后，通过φ75 mm钻头扫孔超过二级管长度0.5 m，使用注浆泵和清水对套管进行耐压试验，压力必须达到12 MPa，且稳压30 min，并且管壁周围无跑水后方可继续施工，否则必须重新加固套管。

3.5浅部注浆加固

钻孔钻进至孔深40，70 m时，必须采用水泥单液浆分别进行一次浅部预注浆加固，其主要目的一是封堵煤层底板浅部砂岩含水层的裂隙，二是增加出水后的钻场底板抗压强度。液浆水灰质量比为1∶0.5，密度为1.28 g/cm3，注浆终压为7 MPa。若浅部注浆加固用水泥量超过5 t且不上压，则改用水泥-水玻璃(38～40 °Bé，3.1～3.4 Mo)双液浆暂时封孔，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.3，封孔终压为12 MPa。

3.6逐层注浆

由于该长观孔设计观测太原组下段L2灰岩含水层，为避免施工过程中提前揭露的各含水层之间发生水力联系，影响观测效果，对钻孔进入L2之前揭露的各含水层进行逐层注浆处理。

钻孔揭露含水层水量小于5 m3/h时，先利用井下注浆泵做压水试验，如压水30 min压力超过7 MPa，利用井下注浆泵注浆，否则进行地面注浆。钻孔水量大于5 m3/h时，直接进行地面注浆。注浆终压为7 MPa，浆液凝固16 h后，方可扫孔钻进。

3.7数据收集

钻孔揭露各含水层时均要收集水温、水压、水量等水文资料，详细记录钻孔出水孔深，并取样交生产技术科化验。井下施工现场配备施工原始记录本，施工人员需将每班具体施工情况及钻孔揭露岩性详细记录。钻孔终孔起钻后，要及时在孔口装设压力表，量程为6 MPa，定期观测[2]。

3.8其他要求

施工期间需轻压慢进，密切注意孔内变化情况，防止塌孔、偏孔现象发生。钻进遇软岩或破碎带时，应慢速钻进，处理严重塌孔需采用螺旋钻杆配合三翼钻头，以确保钻具与孔壁间隙能够正常返水。

4结论

(1)钻孔下管前均带导向管开孔，有效防止了开孔过程中的钻孔偏斜现象。

(2)在大倾角、长套管施工条件下，采用倒链配合套管防坠器下管，避免了套管坠入孔内，提高了安全系数。

(3)采用水泥单液浆实施浅部预注浆加固技术，有效封堵了煤层底板浅部砂岩含水层的裂隙，同时增加了钻孔出水后的钻场底板抗压强度。

(4)通过对钻孔进入L2之前揭露的各含水层进行逐层注浆，有效避免了各含水层之间发生水力联系，保障了后期观测效果。

(5)采用井下长观孔施工技术，实现了对施工各环节的有效掌控，确保了后期观测效果，从而为矿井水害防治工作提供了可靠的依据，也为矿井后续水文观测孔和供水孔的施工提供了借鉴作用。

参考文献

[1]王春和，逯广会. 井下水文长观孔技术探析[J]．科技论坛，2010(4):44-45.

[2] 郭彦华，候宏亮. 井下水文长观孔的优点及存在问题分析[J].河北煤炭，2006(6):25-26.

[3] 邹军，丁三红. 高水位封闭不良水文长观孔井下治理技术与实践[J]．煤矿安全，2013(2)：33-34．

(收稿日期2016-01-27)

欢迎来稿欢迎订阅

臧彬(1984—)，男，助理工程师，476600 河南省永城市西城区城郊。