高河能源井下一孔多用水文观测钻孔施工技术工艺

石 强

（潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 046000）

突水事故[1-3]对井工矿井安全生产影响重大，施工水文观测钻孔时矿井地下水位动态监测的重要方法。本文以高河能源为背景，在井下施工垂直向下的水文观测钻孔[4-5]，对地下太灰岩水位和奥灰岩水位变化进行观测，为矿井安全开采提供保障。

1 工程概况

1.1 水文情况

潞安矿区奥陶系中统厚度约600 m左右，高河井田内钻孔揭露奥陶系地层，揭露最大厚度271.7 m。奥陶系水位标高+634～+638 m之间，单位涌水量3.233～7.646 L/som，含水层为3号煤层底板间接充水含水层。高河能源全区处在奥灰水承压区，奥灰突水系数在0～0.02 MPa/m，正常情况下工作面不受底板水威胁；但由于隐伏导水断层、充水陷落柱等的影响，部分区域可能受底板水的威胁，需进一步加强探测。

1.2 施工目的

为了掌握地下奥灰岩水位动态变化，进一步完善建立水文观测系统与排水管回流缓冲系统，决定在井下实施1个水文观测孔。该钻孔可以达到以下目的：①对K2、K3、K4覆岩水长期静态观测，必要时可以动态观测；②观测奥灰水动态与静态变化；③奥灰水可以观测，也可以抽水利用作为动态观测，动态观测过程中为预防泵管的回流压力对钻孔造成的破坏，进行缓冲装置的运行。

2 井下水文钻孔施工方案

2.1 施工位置

该钻孔位于+450 m水平南辅大巷专门水文观测硐室中，总计施工1个钻孔，在水文观测硐室底板开孔，垂直向下钻进，钻孔深度为450 m。

2.2 钻孔结构及参数

该水文观测钻孔分5级施工，采用三级套管，一级套管为10 m，二级套管为40 m，三级套管为155 m，钻孔结构见图1所示。具体如下：

图1 井下水文观测钻孔结构图

1）一开孔径ϕ173 mm，孔深0～10 m，孔深位置到煤层下第7层泥岩，之后下入ϕ168 mm控水管，共计10 m，规格为Ф168 mm×6.5 mm。

2）二开孔径ϕ153 mm，孔深10～40 m，孔深位置到煤层下第19层石灰岩，之后下入ϕ146 mm控水管，共计40 m，规格为Ф146 mm×4.5 mm。

3）三开孔径ϕ133 mm，孔深40～155 m，孔深位置到煤层下第69层石灰岩，之后下入ϕ127 mm控水管，共计155 m，规格为Ф127 mm×4.5 mm。

4）换径ϕ113 mm，孔深155～400 m；终孔孔径ϕ98 mm，孔深400～450 m，裸孔钻至终孔。

2.3 钻孔施工工艺

1）第一步：水文观测钻孔首先采用173 mm钻孔开孔，钻进深度达到10 m时，停钻并下入直径为168 mm的套管。对套管进行注浆加固后作为孔口管使用，并在孔口管上安装止水器、孔口控水阀门和压力表，进行耐压试验，试验合格方可继续钻进。试验孔口压力不小于3 MPa，稳压时间大于30 min，耐压试验合格标准为：钻孔周围没有漏水、压力稳定、套管无位移，同时水损耗小于10%，无底鼓和片帮。

2）第二步：采用直径为153 mm的钻探继续向下钻进，钻机深度达到40 m时，停钻并下入直径为146 mm的套管。对套管进行注浆加固后作为孔口管使用，并在孔口管上安装止水器、孔口控水阀门和压力表，进行耐压试验，试验合格方可继续钻进。试验孔口压力不小于3 MPa，稳压时间大于30 min，试验合格标准与上述一致。

3）第三步：采用直径为133 mm的钻头继续向下钻进，钻进深度达到155 m时，停钻并下入直径为127 mm的套管。套管进行注浆加固后作为孔口管使用，并在孔口管上安装止水器、孔口控水阀门和压力表，进行耐压试验，试验合格方可继续钻进。试验孔口压力不小于3 MPa，稳压时间大于30 min，试验合格标准与上述一致。

4）第四步：采用直径为113 mm的钻头继续向下钻进至400 m深度；最后采用直径为98 mm的钻头继续向下钻进至终孔深度。

5）在整个水文钻孔施工过程中，应稳定操作，均匀给压，严格控制钻进压力，严禁钻机压力出现忽大忽小现象；同时，钻进速度和压力需根据钻进施工情况和岩性情况合理确定；钻进施工应采用复合片钻头、孕镶钻头，并提前做好准备，同种规格不少于3个，相互交替使用。

6）未见含水层前安装好套管。

2.4 固管要求

一、二控水管壁后全段注水泥封堵，在三级套管顶端安装止水器伴随三级套管同时下入孔内，用于阻挡三级套管和二级套管中间水泥浆液的返回，达到三级控水管K2以下至套管端注水泥封堵，K2之上不进行水泥封堵。各级套管均进行耐压试验并达到上述施工技术工艺要求。

2.5 安全技术措施

1）水文观测钻孔止水器必须安装在岩性完整、隔水性能良好的岩层中。

2）每孔多级法兰均形成连体。

3）下套管要严格把关，杜绝连接头公差配合有误。

4）连接头必须使用密封胶周圈均匀涂抹公母扣，严防渗漏水。

5）施工中如遇构造等因素，需向矿地测科和总工汇报经批准后，钻孔孔径、套管规格可根据实际地质情况适当调整。

2.6 施工设备

1）钻探设备。采用ZDY-4000S型钻机（增程改进型）1台，电动功率55 kW,电压660 V/1 140 V。钻机功能方向360°均可钻探。

2）注浆固管设备。采用与钻机配套的BW250型泥浆泵1台，电动功率22 kW,转速1 480 r/min，电压660 V/1 140 V；泥浆泵4个档位，可根据注浆情况进行多档位调节，1档泵量50 ml／min，2档90 ml／min，3档160 ml／min，4档250 ml/min（即15 m3/h），单缸和双缸区分进出水管，泥浆泵可注高浓度浆液和双液浆及化学浆液。

3 井下施工效果分析

该水文钻孔的施工，满足了太灰水和奥灰水的分离观测，实现了第三级套管孔内全部为奥灰水，在第三级套管和第二级套管中间全部为太灰水。此钻孔可有效观测太灰水和奥灰水的静态和动态的变化情况，也可以抽水加以利用。最终达到一孔多用的目的，免去了重复施工钻孔造成成本的浪费。

4 结语

水文钻孔是观测地下水位变化的重要技术手段，高河能源全区处在奥灰水承压区，施工水文观测孔，完善矿井水文观测系统，对太灰岩水位和奥灰岩水位进行长期静态和动态观测，并可通过排水管回流缓冲系统保护水文观测钻孔，有效减少水文钻孔破碎带来的安全隐患，保障了矿井安全开采。