特殊地质条件下覆岩离层注浆钻孔疏通及工作面跑浆防治技术研究

何 骞

（1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013； 2.中煤科工鑫融科技创新发展有限公司，山东济宁 272000；3.中煤科工循环产业研究院（山东）有限公司，山东济宁 272000）

煤炭是我国“十四五规划”中重要战略资源［1-2］，但“三下”（建筑物、水体、铁路）压煤开采仍是目前诸多煤矿开采过程中的难题［3～5］，尤其是建筑物下采煤涉及的工农关系复杂、搬迁费用高［6］，成为矿区发展尖锐矛盾点。因此，保证建筑物在可接受范围内沉降、并能够最大限度开采出煤炭资源的不搬迁采煤技术，一直是国内外学者研究的热点［7-8］。

国内学者从20 世纪80 年代开始研究覆岩离层注浆技术，取得了丰硕的研究成果［9～12］，基本掌握了覆岩离层发育规律、离层注浆层位划分、注浆技术工艺及钻探技术工艺。近些年，覆岩离层注浆工程逐渐在阳泉矿区、峰峰矿区、开滦矿区、兖矿集团等国内各大矿区应用［13～16］，达到较好的减沉目标，逐步实现了不搬迁采煤技术，取得了良好的经济价值。但是，覆岩离层注浆工程具有特殊性，技术要求较高，注浆过程必须与采矿过程实时协调，处于动态变化。注浆压力及钻孔深度往往与工程的有效实施存在矛盾之处，较高的注浆压力能够对岩层起到良好的支撑，较深的钻孔深度能够实现多层位同时注浆，充填效果得到保障［17～19］，但注浆压力过大或钻孔深度不合理，会引起井下跑浆事故，一旦采煤工作面发生跑浆、溃浆，将直接影响矿井生产及作业安全，造成极大的经济损失。因此，研究井下跑浆事故的预防技术及方法，跑浆后科学合理的分析及对跑浆事故治理，对于离层注浆工程顺利实施及矿井生产具有较大意义。

1 工作面钻孔布置

某煤矿十一盘区3号综放工作面计划进行采煤工作，但因该工作面地上均为村庄，人口密度大，若对该工作面影响范围内村庄进行搬迁赔偿，成本巨大且周期长，短期内难以实现，将影响整个矿井工作面接续。因此，经过专业技术论证，针对该工作面进行覆岩离层注浆，能够保证矿井工作面顺利接续，又能实现不迁村采煤，节约成本。

3 号综放面长度350m，宽度149m，煤层平均厚度5.5m，埋深430～540m。本次离层注浆总计布置注浆钻孔7 个，5 个定向斜孔、2 个垂直孔，钻孔平面布置如图1所示。其中ZK-2孔为定向斜孔，采用三开结构，一开孔径311mm，下入244.5mm 护壁套管，二开孔径216mm，下入177.8mm 技术套管，三开裸孔孔径152mm 至终孔，成孔后全孔下入Φ89mm×6.45mm 孔内注浆管，其中最下方54m 为花管。终孔孔深422.6m，最大井斜15.8°，视平移69.8m，成孔时孔底有漏失。

图1 钻孔布置Figure 1 Drilling arrangement

2 钻孔注浆情况

2.1 注浆前压水分析

覆岩离层注浆是一项边采边注的动态注浆工程，因此钻孔成孔后受采动影响较大，在成孔以后要结合工作面推采进度及采矿地质条件，推测离层发育规律，同时进行压水试验，分析压水结果，确保注浆内管及内管与孔壁间的环空间隙通畅，选择合理的注浆时机，才能保证后期正常注浆。

图2 为ZK-2 孔，压水孔口压力p及回压时间t与工作面推进距离之间的关系。分析工作面距孔底平面距离48～41.8mp-t曲线知，孔口压力在2.8～3.2MPa，最长回压时间40min，最短回压时间9min，说明钻孔注浆段通畅，压入孔内的水可自行扩散；而当工作面距离ZK-2 孔36～40.3m，多次压水试验，孔口压力达3.8MPa，孔压归零时间最长可达208min，且单次压水量较小，因此经技术分析，认为钻孔塌孔，后下入测绳后在341m 遇阻，随后对钻孔进行扫孔。

2.2 高压气-液联动通孔技术

因ZK-2 钻孔已下入注浆管，注浆管受钻孔底部岩粉围抱作用难以上拔，拉拔力过大会将注浆管拉断，无法注浆。因此，常规通扫孔工艺难以实施。

经过技术分析，决定采用高压气-液连动通孔技术对ZK-2孔进行通孔。如图3所示，首先采用定制的Φ50mm 钻杆和三翼刮刀钻头自注浆管内部钻进，采用清水循环，钻进至孔底后，持续用清水循环至从注浆内管返回的水颜色变清，起钻进行压水试验，试验结果显示孔口压力大于3MPa。第二，进行循环洗井，不下入通孔钻杆，直接从注浆内管压入清水，泵量需小于78～156L/min，打开观测口阀门，观察压力情况，多次压水后，观测口阀门仍不出水且孔口压力大于3MPa，经分析知底部注浆通道不通畅，故压力上升快，且注浆内管与钻孔之间的环空间隙堵塞，观测孔不能出水。第三，采用高压气-液联动通孔，下入Φ50mm钻孔距孔底1～2m，将孔口钻杆与注浆管及注浆管与Φ177.8mm 之间的间隙焊接封堵，打开观测口阀门，利用高压气流向钻孔内部压气，每次压气压力上升到2～3MPa 时停止。在前5次压气过程中，观测口阀门无流水，但伴有气流声。第6 次压气时，观测孔开始渗水，且水量逐渐增大，出水时间从20s逐渐增加，直至压气14余次后，观测孔出水时间可达2min以上。

图3 钻孔投影示意Figure 3 Schematic diagram of drilling projection

经分析可知，钻孔内的气体及液体在高压推动下，多次渗入地层内部，对地层裂隙进行压裂，同时在高压气体及液体多次冲击作用下，注浆内管与钻孔之间的环空间隙逐渐被导通，观测口得以出水。出水后，在多次压气条件下，钻孔底部周围沉积的沉渣及环空间隙的沉渣被循环水流携带出钻孔，且钻孔底部周围的裂隙被冲开。此外，每次压气结束，会在孔底周围形成负压区，有助于钻孔周边的地层水向钻孔内流动。故经高压气-液联动通孔后，ZK-2钻孔成功疏通，节约重新施工钻孔的成本。

通孔完成后，按照回采进度进行压水试验如图2 所示，分析结果可知随着工作面与钻孔孔底距离不断缩短，压水回压时间逐渐缩短，孔口压力保持在0.8MPa 以下，特别当工作面距钻孔孔底11m 以内后，回压时间逐渐缩短，均在5min以内。

2.3 注浆及工作面跑浆

综合分析压水情况，且工作面已距离ZK-2 孔孔底10m，故决定对ZK-2 孔试注浆。初始采用水∶灰（粉煤灰）=3∶1～2∶1的稀浆，后水灰比逐渐过渡度为2∶1～1.1∶1，流量546～1 248L/min，孔口压力0～2.7MPa，平均压力0.9MPa，在此期间，地面巡视无跑浆现象、井下淋水量无明显增大，注浆压力无异常突降情况，平均日注灰量618t，注采比约34%。

至工作面过孔底0.7m 当天夜班，据井下反馈，3号工作面上段（南侧）出现两处渗水异常点，如图4所示，并伴有稀浆涌出，流量在30m3/h左右。

图4 工作面出浆点Figure 4 Slurry discharge points on the working face

跑浆后约1h，井下水量减小至15m3/h，且已变成清水。跑浆后约4h，工作面已无明显浆液迹象，两处渗水异常点的渗水流量6m3/h 左右，且明显为砂岩裂隙水。随即对ZK-2 号孔压入含有示踪剂的清水，并记录含示踪剂的清水到工作面的时间，发现后停止压水，并统计计算总压水量及工作面流入含示踪剂清水的方量，随后暂停注浆工作。

3 跑浆原因分析及处理

3.1 跑浆原因分析

3.1.1 3号综放工作面地质采矿情况

1）周边采面。3 号工作面东部为十一盘区轨道，东南方向为已采完的2号工作面，西部为东北翼回风道，北部为未开采区域。工作面下部4 煤为采条带采空区，层间距约35m，2013 年回采结束，平均采厚1.3m，与3号工作面部分区域重合，工作面北侧为溜子道、南侧为运料巷（图5）。

2）构造。工作面中东部受向斜构造影响，岩层走向SE 转NE，倾向NE 转NW，中部位于向斜轴附近。

根据邻区采掘活动及工作面掘进期间揭露的断层情况，受向斜构造影响，掘进、回采过程中揭露小断层较多。其中，较大断层为F01断层，位于3 号与2 号工作面之间，倾角45°～70°、落差4.5～15m（图5）。

3.1.2 跑浆原因分析

1）F01断层影响导水裂缝带异常发育。由F01断层产状及位置可知，该断层从工作面上方穿过，与工作面相对位置见图5、图6。分析工作面监测数据，工作面初次来压步距约20m，周期来压步距约10m，出现导水裂缝带的推进距离为50～60m。截至跑浆当天3 号工作面已推进53m，同时该推进距离正处于来压前后，所以此阶段工作面导水裂隙带开始发育，同时该推进距离正处于来压前后，煤岩应力集中破碎性增强，导水性增强。

根据长壁综放工作面导水裂缝带受断层影响的发育规律［20］，结合平面和剖面图可知，F01断层下部位于导水裂缝带以内，上部位于导水裂缝的上部。因此，经分析工作面开采后将造成以下情况：

①3 号工作面开采后，工作面上段导水裂缝带与断层弱面沟通，位于3 号面运料巷和2 号面探巷之间的导水裂缝带内的岩层加剧了覆岩的破坏程度，渗透性大幅增加。

②位于2号面探巷以北的局部工作面覆岩导水裂缝带范围将有所扩大，即发育高度增大，并于其上断层弱面沟通。

③如图7所示，根据覆岩移动规律，当断层面倾角与开采移动角倾向相反时，断层面上部位于采动影响范围内，断层面下部位于采动影响范围外。工作面开采后，特别是当断层位于工作面上方时，覆岩将优先沿断层面ab 移动，使断层活化，弱面裂隙通道暂时打开，渗透性增大，形成导水通道。

图7 断层面倾角与移动角倾向相反活化特征Figure 7 Activation characteristics when the dip angle and movement angle of the fault plane are opposite

根据上述规律，结合3 号工作面及F01断层位置关系可知，工作面开采后岩层上山方向移动角与F01断层倾向相反，断层面上部位于3 号工作面采动影响范围内。当3 号工作面开采后，上覆岩层发生移动时，覆岩将优先沿断层面弱面移动，使断层活化，断层通道暂时打开。

2）小裂隙影响。从图5、图6 可以分析可知，向斜轴部附件和F01断层两侧伴生裂隙较发育，导致工作面附近煤岩体较破碎，3 号工作面上段割煤过程中出现煤壁片帮、割煤后顶板随即冒落等现象，伴生裂隙致受开采扰动后裂隙扩展、渗透性增大，在煤壁上方亦可形成跑浆通道。

3）支承压力影响。工作面开采过程中，在四周煤体及覆岩形成支承压力区，应力集中系数为1.5～3倍的原岩应力。煤层开采后，支承压力使得煤壁上方煤岩体更易破碎，产生煤壁片帮，渗透性增加，特别位于向斜和断层构造附近的3号工作面上段的煤岩体。

综上，确定本次跑浆事故为受采动影响F01断层上段活化、向斜构造附近裂隙发育，形成暂时过浆通道，ZK-2孔浆液通过孔底破碎地层或离层空间与活化的F01断层上段暂时连通，并通过3 号面运料巷和2 号面探巷间较为发育的裂缝与工作面沟通，并在本段形成跑浆通道，浆液流入工作面。

3.2 综合处置

3.2.1 导浆通道封堵

根据本次事件原因，结合矿井工作面实际状况，制定针对性的处置措施，确保井下生产和地面注浆工作正常进行。处置原则如下：

1）ZK-2孔保持暂停注浆状态，待浆液沉淀一定时间即工作面恢复生产，推采过ZK-2 孔3m 后，对跑浆通道进行封堵处理。

2）采用多次、定量注纯水泥浆的方法，对裂隙进行封堵，水泥浆液密度应大于1.5g/cm3。

3）后期注浆过程中，浆液浓度，保持在70%以上。同时，遇到钻孔注浆不带压或负压等情况，加强分析判断，必要时添加水泥。

4）对ZK-2 孔注水、注水泥浆过程中，井下和注浆站做好信息一致及时，确保安全、有效处置完该事件。

采用纯水泥浆液对跑浆通道进行封堵，水泥浆液的压入量较为关键。若压入量不足，封堵效果不佳，继续影响后续生产及注浆。若水泥浆液压入量过大，会造成钻口周边离层裂隙被封堵，后续注浆质量将受到影响。因此，需准确的计算每次水泥浆液的压入量，保证跑浆通道被良好封堵。

水泥浆压入量按照以下经验公式计算：

式中：V为需压入水泥浆的方量，m3；V1、V2为工作面跑浆点无明显涌水或涌水量小于矿井开采正常涌水量7m3/h 时，压入含有示踪剂清水的总方量及流入工作面含有示踪剂清水的方量，m3；V3为压水后钻孔内剩余水量，m3；k为修正系数，因随着工作面推采及粉煤灰浆液沉淀，部分导浆通道闭合，取0.5～0.9，工作面推采距离越大、压水泥浆时距跑浆时间越久取值越小。

其中，V1、V3可表示为

式中：Q为注浆泵流量，L/min；t为跑浆后压入含示踪剂清水的时间，min；V钻孔为钻孔体积，m3；V管为注浆内管本身体积，m3。

（1）～（3）式中，本次封堵是在工作面推过3m 即跑浆1 天半以后，k取值为0.8，因长期注浆钻孔内水位总体较高，故V3简化为钻孔环空间隙的体积，Q为741L/min，压水试验实测t为76min、V2为14m3。

综合以上各参数，计算得需压入水泥浆液量V为28m3。

3.2.2 封堵实施及效果

工作面采过ZK-2 孔3m 时，开始进行封堵工作，因压入水泥浆液以后要压水洗孔，压水量不得低于钻孔体积的1.5 倍，所以调制的水泥浆液密度大，具体封堵过程如下：

1）注入密度为1.7g/cm3纯水泥浆液28.5m³，孔口最大压力显示为2.5 MPa，并能够持续保持压力。

2）压入清水10m³，压水过程中孔口压力1.7～2.6MPa，停止压水后23min 孔口压力归零。第一次封堵结束，初步判断封堵效果良好。

分析封堵结果可知，压浆过程井下未发现异常情况，且孔口能保持压力，说明部分导水通道自然闭合。压水洗孔能保持压力并短时间内归零，说明存在导浆裂隙，因此24h 后进行二次封堵。第二次封堵加入密度为1.65g/cm3纯水泥浆液15m³，孔口压力保持在1.6～2.7MPa，30min孔口压力归零。

经过两次封堵，采煤工作面未见涌水异常，孔口压力未出现明显性突降，且平均压力能够保持2MPa，据此判断，具备继续注浆条件，因此侯凝24h后恢复正常注浆，回复初期注浆压力保持在2～2.5MPa。

随着工作面推采，ZK-2 孔恢复正常注浆，注浆压力能够保持在3MPa，井下未再次发现异常情况，累计注浆2.5万余吨。

4 结论

1）分析了十一盘区3 号作面ZK-2 孔离层注浆钻孔前期压水p-t曲线，结合孔口压力、回压时间、推采进度以及钻孔附近地质条件等因素，确定ZK-2孔开始注浆时机为回采线距离孔底10m。针对性的采用高压气-液联动通孔技术，成功疏通ZK-2 钻孔，节约施工成本。

2）从地质构造、采动影响裂隙发育、支承压力等方面，确定了ZK-2 号孔跑浆原因为：受采动影响F01断层上段活化、向斜构造附近裂隙发育，形成暂时过浆通道，ZK-2 孔浆液通过孔底破碎地层、离层空间与活化的F01断层上段暂时连通，并通过3 号面运料巷和2号面探巷间较为发育的裂缝与工作面沟通，并在本段形成跑浆通道，浆液流入工作面。

3）从堵漏时机、浆液种类、密度、实施方法等方面确定ZK-2 孔跑浆综合处置方案，提出了计算封堵浆液压入量的经验公式，经实施堵漏效果良好，高效恢复ZK-2 孔正常注浆，ZK-2 孔后期顺利完成注浆施工。