“三级套管”钻孔技术在奥灰孔中的应用

韩 剑

(潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 047100)

1 概况

高河能源作为潞安集团公司的全矿带压开采矿井，在3#煤开采时，在正常地段奥灰突水系数为0.0195～0.0283MPa/m（见表1），小于《煤矿防治水规定》突水临界值0.06MPa/m，一般情况下不会突水，但井田内存在岩溶陷落柱和较多断层，在这些薄弱地带，奥灰水仍有可能突入矿井。

表1 奥灰资料及突水系数计算一览表

为探查高河能源有限公司井下奥陶系峰峰组灰岩的富水性，观测奥灰水的水位，为矿井防治水工作提供依据，在井下施工能观测奥灰水位观测孔2个。

2 奥灰水观测钻孔钻探施工机理

（1）奥陶纪灰岩是地质史上海侵蚀最广泛的时期之一，含水量非常丰富。奥灰水钻孔施工的难度，在于它的压力特别大，不能简单地像其他含水层一样下一级套管，这样无法保证套管的强度。

（2）根据奥灰水的特点，在施工奥灰水水位观测孔时采用“三级套管”技术，既保证了施工的安全，也为以后可能导通奥灰水的岩溶陷落柱和大的断层钻孔探测提供了施工技术。“三级套管”具有显著优点：①钻孔施工过程中“三级套管”逐级套入，可以防止3#煤层至奥灰中部的K7、K5、K2、太灰等含水层突水，防止事故的发生。②可以隔断3#煤层下的各含水层，对观测数据不会造成影响。③奥灰水观测孔在运行过程中，如果有其中一级套管失效，还有二级套管，能承受足够的压力，为及时更换套管提供可能性。

3 奥灰水文观测孔“三级套管”施工

以1#孔为例介绍奥灰水观测孔的施工技术。

3.1 钻孔位置

根据瞬变电磁勘探资料，1#水文观测孔布置在+450m水平东翼进风大巷内（+450m水平东翼进风大巷与E1302胶带顺槽交口处，孔口坐标：X=38410201；Y=4002632；Z=+493.202m）。打钻地点位于+450m水平东翼进风大巷与E1302胶带顺槽交口处，该范围内无地质异常区域，无地质构造，钻孔开口处位于全煤巷道内，巷道位于3#煤层，巷道底部有大于2m厚的煤层，钻探过程中将穿过3#煤及15#煤层。

3.2 钻孔参数

该钻孔布置在+450m水平东翼进风大巷内，设计孔深450m，终孔层位为进入奥陶系灰岩320m，本孔为井下施工，既做奥灰放水孔，又作奥灰水位长观孔（见表2）。

表2 +450m水平东翼进风大巷奥灰水文观测1#钻孔设计参数表

3.3 施工设备

施工主要设备有ZDY4000S型全液压坑道钻机一台、SGB9-12型注浆泵一台、Ф73钻杆500根、Ф146套管20m、Ф127套管85m、Ф108套管130m、Ф159无芯钻头、Ф133无芯钻头、Ф113无芯钻头、Ф94无芯钻头等钻具。

3.4 施工工艺

（1）钻进时给压均匀，速度压力根据岩性合理选定，钻头优选金刚石复合片钻头、孕镶钻头等，每种规格要有3～5个钻头相互交替使用至任务完成，每次更换钻头前禁止出现锥形钻孔段，换径必须有导向，回钻进尺长度根据岩性情况而定。

（2）未见含水层前安装好套管及孔口防喷装置，严防遇大水时造成不必要的影响。

（3）止水器必须安装在岩性完整、隔水性能良好的岩层中。

（4）下套管要严格把关，杜绝连接头公差配合有误。

（5）连接头必须综合使用麻丝、水绳等，防止O2灰岩水与K2、K5灰岩水相串。

（6）开孔Ф159mm钻进12m，彻底清取孔底岩芯、岩粉后下入Ф146mm一级套管12m至孔底，套管下端携带快速固管化学原料或止水器，管壁后灌入的水泥浆中掺入3～5‰水泥快速结合添加剂完成固管工序，然后孔口安装测压系统（分水阀、压力表、四通、注水测压阀、孔口法兰盘等），孔口压力水水压不小于6MPa，稳压时间超过30min，试验合格后方可继续钻进。

（7）换径Ф133mm向下钻进至K2灰岩顶部，彻底清取孔底岩芯、岩粉方可下入二级Ф127mm套管75m，套管下端安设管式专用止水器入底，调整止水器达到预定止水要求。壁后灌注水泥浆至孔口，安装好孔口测压装置，做耐压试验，孔口压力水水压不小于6MPa，稳压时间超过30min，试验合格后方可继续钻进。

（8）换径Ф113mm向下钻进至奥陶系峰峰组稳定灰岩顶面以下5m，彻底清取孔底岩芯、岩粉方可下入三级Ф108mm套管120m，套管下端安设管式专用止水器入底，调整止水器到孔底以上30m处达到止水要求。从孔向上灌注水泥浆至止水器，安装好孔口测压装置，做耐压试验，孔口压力水水压不小于6MPa，稳压时间超过30min，试验合格后方可继续钻进。

（9）换径Ф94mm向下钻进至450m终孔。施工中做好简易水文观测，观测水量、水温、水压。

（10）封孔所用水泥浆的配比为1：1，水泥添加剂的比例为10：1。

4 结语

在奥灰水文观测1#钻孔施工中，最难的是下的套管能保证满足奥灰水的巨大压力。“三级套管”承载能力强，既能满足施工的压力要求，又能保证长期作业要求。高河能源首次采用的“三级套管”，取得了良好效果，从钻孔施工完毕到现在的两年时间里，没有出现压力太大，导致钻孔漏水问题。