超大流量高压断裂水文孔封堵技术研究

李磊

【摘 要】焦作矿区地质条件复杂，煤矿水害较严重，断裂水文孔也是矿井水害的一个诱因。断裂水文孔由于直接揭露含水层且其与含水层联系较好，往往成为含水层水进入矿坑的良好人工通道，因此造成矿井突水危险性大，为解决失控水文孔问题需要采取注浆加固措施。九里山矿西五横贯断裂水文孔，孔壁多处断裂，涌水量约4.5m3/min，此类事故断裂位置难以精确、底鼓突水点难以控制、补给源水量充分等治理难点。本文采用下引管寻找断裂套管位置、在水文孔周边施工加固孔进行注浆、施工泄压钻孔孔底注浆三种方法进行封堵，有效封堵了断裂水文 钻孔，减少了矿井的涌水量。该封堵方法对于矿井的水害防治工作有很高的实用价值。

【关键词】断裂水文孔;封堵;治理方案及实施

中图分类号： TD74文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）35-0229-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.35.112

Study on the Sealing Technology of Hydrologic Hole in the Fault with Very Large Flow and High Pressure

LI Lei

（Jiulishan mine， Henan Jiaozuo 454000， China）

【Abstract】The geological conditions in Jiaozuo mining area are complex， and the water damage in coal mines is serious. The fracture hydrology hole is also a cause of mine water damage.Due to the direct exposure of the aquifer and its good connection with the aquifer， the fractured hydrological hole often becomes a good artificial channel for the aquifer water to enter the pit. Therefore， the mine has a high risk of water inrush. In order to solve the problem of uncontrolled hydrological hole， grouting reinforcement measures are needed.The Jiulishan Mine has a cross-fracture hydrological hole in the west and a large number of fractures in the hole wall. The amount of water inflow is about 4.5m3/min. It is difficult to accurately locate such accidents， it is difficult to control the bottom blowout point， and the source water supply is sufficient.In this paper， the lower casing is used to find the position of the fracture casing， the construction of the reinforcement hole around the hydrological hole for grouting， and the construction of the pressure relief borehole grouting three methods for sealing， effectively blocking the fracture hydrological drilling， reducing the mine the amount of water inflow.The plugging method has high practical value for the prevention and control of water damage in mines.

【Key words】Fracture hydrographic pore;Block;Management plan and implementation

0 引言

焦作礦区受底板水威胁严重，底板含水层突水是矿井涌水的主要来源之一[1]。由于断裂水文孔可以直接揭露含水层且其与含水层联系较好，是含水层水进入矿坑的良好人工通道，从而造成矿井突水，目前国内对断裂水文孔突水治理主要采取井下注浆封堵的方法，但由于钻孔断裂位置、断裂次数等难以确定，施工位置不当会造成突水点扩大、增多，因此治理时施工非常困难[2-7]。

目前国内外学者对底板含水层突水危险性研究，主要是针对非注浆改造工作面[8-10]。许延春、李江华等对注浆加固工作面突水原因进行分析，并划分了易突水区域[11];李见波等[12]对工作面底板岩体进行分级，构建了注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型。九里山矿西五横贯断裂水文孔，孔壁多处断裂，涌水量约4.5m3/min，根据附近水文观测孔推测该处L8灰岩含水层水压约2.6MPa、L2灰岩含水层水压约2.9MPa。治理时极易引起巷道底鼓造成由一个突水点变为多个突水点。实施了超大流量高压断裂水文孔封堵技术应用，通过对该技术的应用可以实现对断裂水文孔突水进行快速、有效的治理，降低矿井涌水量，减少矿井排水费用，提高矿井生产效益。对快速、有效治理断裂水文孔突水的研究工作具有重要的指导意义和推动作用。

1 研究区背景

1.1 位置条件

该矿西轨道运输大巷与西流水巷第五横贯放水孔位于矿井西翼一六采区轨道口以东，马坊泉断层以北。分别施工了1号孔和2号孔，1号孔孔口标高-218.3m，放水孔，终孔至L8灰岩含水层底部，2号孔为供水孔，2号孔终孔至L8灰岩含水层底部。

1.2 水文地质条件

该地区水文地质条件极为复杂，位于14采区深部强含水层导水裂隙带上，L8灰岩含水层受深部L2、O2灰岩含水层补给，水量大、水压高且补给充沛。其中1号孔中的套管在5.6米处断裂，形成人为导水通道，涌水量约4.5m3/min，根据附近水文观测孔推测该处L8灰岩含水层水压约2.6MPa、L2灰岩含水层水压约2.9MPa。

1.3 钻孔施工情况

该矿一六采区共施工两个放水孔，分别为1号孔和2号孔。1号孔孔口标高-218.3m，采用二级套管结构，φ108套管长约39m，至二1煤层底部。由于1号孔内充满岩石碎块，无法正常钻进，故放弃对该孔封堵。后来在1号孔东部约2m处又施工了一个供水孔（2号孔）。2号孔终孔至L8灰岩含水层底部，采用二级套管结构，φ146套管长约39m，至二1煤层底部;φ108套管长约50m，至L9灰岩底部。2号孔施工结束后，与1号孔连通情况良好，对1号孔起到很好的泄压作用。

2 断裂水文孔封堵情况及失败原因分析

2.1 断裂水文孔封堵情况

为了对1号孔进行封堵，采用在该孔周围布置浅孔加固围岩的办法，在1号孔周围挖深1m、直径约1m的坑，铺上钢筋网，再用混凝土压实，待凝固后施工4-16m深的注浆钻孔，对围岩进行加固。在采取措施后对1号孔进行试关，但当孔口压力升至2.0MPa时，压力消失，说明孔壁或围岩断裂，本次围岩加固施工失败。

2.2 封堵失败原因分析

在1号孔封堵失败后，用钻机对该孔进行透孔时发现φ108套管在5.6米错断，断裂处上段与下段完全错开，发现孔内充满岩石碎块，在透孔过程中岩石碎块随钻头转动，只透20米再也无法钻进。经过对失败原因的分析认为由于该处水压较高（2.6MPa）、水量较大（4.5m3/min），在关闭1号孔时围岩无法抗住压力，造成巷道围岩开裂。

3 治理工程方案及实施

3.1 治理方案

水文孔封堵难点有：围岩比较破碎，且孔内充满岩石，该处水压2.6MPa，突水点出水量大，达4.5m3/min，给封堵带来很大困难。为确保本次水文孔封堵成功，根据该地区水地质条件及文地质条件的复杂性，制定以下三个方案：

方案一：首先以2号孔为泄压孔，对1号孔进行封堵;待1号孔封堵成功后，封堵2号孔。

方案二：方案1如处理1号孔失败，通过2号孔注沙、石子、海带等骨料对1号孔进行封堵。

方案三：（1）在1、2號孔附近适当位置重新施工一个L8灰岩含水层孔（3号孔）。（2）以2号孔为泄压孔，对1号孔进行注骨料封堵，封堵1号孔后再处理2号孔。

方案四：在方案三的基础上，对3号孔进行反复压水-放水，降低突水点压力。重新对3号孔注入骨料，经过持续不断的注入骨料，直至1号孔水量无水。

3.2 治理工程方案实施

3.2.1 方案实施

在方案一实施过程中，由于该处水压比较大，在关闭1号孔时仅以2号孔泄压无法满足泄压要求。同时由于钻孔涌水量大，巷道排水能力不足，造成巷道围岩开裂。故方案一无法顺利实施。据此，决定直接采用方案三，即：施工3号孔，以1、2号孔为泄压孔，通过3号孔对1、2号孔进行注浆封堵。

首先要进行3号钻孔的施工，待完成时，发现2号孔水量明显减小，1号孔水量相对也有所下降，说明三个钻孔联通情况良好。由于钻孔涌水量大，故用“骨料”进行封堵。通过在井下使用骨料器向3号孔注骨料（锯末、刨花、沙子、石子、海带），随着注浆量的逐渐增大，2号孔水量迅速减小，很快被封堵，但1号孔却没有明显的变化，且3号孔注骨料时孔内压力不断升高，有压不进骨料的趋势，水量达到惊人的6.5m3/min，其喷出水柱水平距离达15m。

通过上述方案实施情况，说明该区域含水层岩石极为破碎，已不能有效承压，且突水量很大，封堵难度太大。由于上述3个方案均堵水失效，故采用方案四，通过反复压水-放水，直至孔内不再喷出岩块。重新对3号孔注入骨料，且将注浆压力由4.0MPa增大至6.5MPa。经过持续不断的注入骨料，1号孔水量终于逐渐减小直至无水。而后通过地面注浆系统对3个钻孔进行彻底封堵。

3.2.2 封堵方法

本次施工采用了下引管寻找断裂套管位置，进行大直径套管连接断裂套管;失控水文孔周边施工小直降注浆加固孔进行注浆，使断裂套管与周围岩体固结为一个整体和施工泄压钻孔孔底注浆三种方法进行封堵，通过该三种方法的实施，最终利用泄压钻孔注浆达到了失控放水孔封堵的目的。

4 封堵效果

利用失控水文孔处理技术，可以快速对水文孔进行封堵，不但解决了快速、有效的治理由于人为原因造成的矿井涌水难题，而且减轻了矿井水仓容量压力，经济效益和技术效益都可观，其技术水平可以达到国内同类技术先进水平。

5 结论

（1）1号水文孔的封堵按照设计先探孔、扫孔，根据探测的断裂套管位置，在1号孔周围注浆加固孔，随后施工2号孔和3号孔进行泄压，然后在注浆，完成了1号水文孔封堵。

（2）高压断裂水文孔的封堵对不仅减少了矿井的涌水量，节约排水费用，而且对封堵类似失控水文孔提供了理论指导资料。

【参考文献】

[1]许延春，李江华，刘白宙.焦作矿区煤层底板注浆加固工作面突水原因与防治[J].煤田地质与勘探，2014，42（04）：50-54.

[2]许延春，李见波.注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型[J].中国矿业大学学报，2014，43（01）：49-55.

[3]彭海斌.封闭不良钻孔的突水危害及治理研究[J].能源与节能，2019（06）：64-65.

[4]郭斌杰.李雅庄矿大断层注浆堵水技术应用研究[J].山西焦煤科技，2017，41（Z1）：163-165.

[5]王强.常德青峰煤矿地面钻孔注浆堵水实践[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（10）：63-65.