割孔注浆技术在大海则煤矿水害治理中的应用.pdf

942018 年第 1 期 割孔注浆技术在大海则煤矿水害治理中的应用 牛青河 （中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林 719000） 摘 要 立井井筒冻结施工后由于种种原因，可能出现个别孔解冻后孔壁和冻结管之间的环形空间因封闭不彻底成为上 下各含水层间的联系通道。当钻孔穿越装载硐室、马头门等井筒相关硐室时，这个环形空间也就成为矿井的导水通道。大 海则煤矿对二号回风立井冻结孔进行割孔注浆，取得了良好的注浆效果。 关键词 井筒 冻结孔 割刀 割孔注浆 中图分类号 TD745.26 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2018.01.039 The Practice of Cutting Hole Grouting Technique in the Water Damage Control ofDahaize Coal Mine Niu Qing-he Dahaize Coal Mine, China Coal Shaanxi Yulin Energy Chemical Co., LTD., Shaanxi Yulin 719000 Abstract For various reasons, freezing shaft lining after construction, may become the tunnel occur between the upper aquifer and the lower aquifer, due to the incomplete enclosure of annular space between the hole after thawing and freezing pipe of hole wall. This circular space also becomes the guiding water channel of the mine when the borehole passes through the tunnel chamber, such as the tunnel chamber and the horsehead door. Dahaize coal mine has made a good grouting effect on the frozen hole of No.two back air shaft. Key words well-bore freezing hole cutter cut hole grouting 收稿日期 2017-09-11 作者简介 牛青河（1974-），男，河北邯郸人，工程师，现任 职中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿矿建主管。 陕蒙地区的白垩系和侏罗系地层以软岩层为 主，相当一部分为极软岩，岩样单向极限抗压强度 绝大多数＜ 10MPa，同时岩层胶结差、裂隙发育， 是良好的储水、导水介质，在这种地层中冻结孔钻 孔完整，上部没有很好隔水层，冻结孔和冻结管之 间的环形空间不能有效充填，冻结完成后冻结孔很 容易成为导水通道，造成下部地层涌水量加大，巨 大的水压力造成马头门结构破坏，大量漏水，而此 时矿井临时排水系统能力不够，很容易造成淹井。 1 工程概况 中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿位 于陕西省榆林市榆阳区，立井开拓，工业广场内布 置主井、副井、一号风井、二号风井四个立井井筒， 均采用全深冻结法施工，井壁结构为双层井壁。 二号回风立井井底马头门施工结束后，北侧 马头门出现涌水，涌水量初期 30m3/h，最大达到 160m3/h，井筒水位上升至距井口 178m 趋于静止， 造成北马头门左侧局部混凝土开裂脱落、钢筋弯曲。 为治理水患，根据专家组论证意见，决定在二号回 风立井井筒冻结壁自然解冻后，采取在冻结管内进 行割孔注浆封堵导水通道，进一步充填封闭环形孔 间，随后对矿区内其他主立井、副立井及一号回风 立井井筒三井进行割孔注浆，确保矿井的安全生产。 2 水文地质情况 大海则煤矿水文地质单元属于鄂尔多斯高原碎 屑岩孔隙裂隙水亚区，区内无地表河流。根据井田 勘察地质报告，井田内主要含水层组有第四系 上更新统萨拉乌苏组（Q31s）潜水含水层（均厚 27m）、白垩系下统洛河组（K1l）潜水及承压水含 水层（均厚 297m）、侏罗系中统安定组（J2a）承 压水含水层（平均 78m）、侏罗系中统直罗组（J2z） 承压水含水层 （平均183m） 、 侏罗系中统延安组 （J2y） 承压水含水层（平均 227.98m），其中泥岩、粉砂 岩和砂质泥岩为隔水层。 检查孔深度揭露范围内，自上而下分布 10 个 952018 年第 1 期 含水层，最大涌水量预测 383.3m3/h。 3 施工方案 根据井筒检查孔和井筒实际揭露地质资料，确 定在 -500m（侏罗系中统直罗组底板，目的是封堵 直罗组含水层，管内充填临界面）、-341m（白垩 系底部即侏罗系中统安定组，目的是封堵白垩系含 水层）两处分别进行割孔注浆。 注浆顺序为上行式，即自下而上逐段进行，每 个孔上层割孔注浆完成时（一般以地表返浆为标志， 如果浆液沿第四系底部岩层扩散，到地表不返浆， 浆液注入量大于 20m、注浆终压达到设计值为止）， 注浆封闭全孔。 注浆管扫孔及注浆顺序根据现场条件科学合理 调整，按组分别进行，扫孔完成后原则上每两个对 称孔同时进行割孔注浆。按照“先北侧马头门附近 冻结孔（测温孔），最后其他冻结孔”的顺序进行 注浆，并随时检验注浆效果。 3.1 破管方式确定 采用 ND-S140 型水力式内割刀对冻结管进行破 管作业，采用 XY-44A 型钻机配合机架进行钻进及 升降。冻结管的选择为井筒的主冻结深孔和测温孔 的深孔，共 47 个主冻结管，2 个测温孔。二号回风 立井冻结孔平面布置如图 1 所示。 其他井筒冻结管破管方案相同。 图 1 二号回风立井冻结孔平面布置图 3.2 水力式内割刀原理 ND-S140 型水力式内割刀是一种利用水马力来 推动割刀进行管内切割的工具，它较机械式内割刀 简单，修理更为方便，切割更为快速。将水力式内 割刀从冻结管内下入到施工层位要求的切割深度， 泥浆泵将高压液体泵入水力割刀体内，高压液体通 过活塞内的喷嘴产生压降，推动活塞压缩弹簧使活 塞杆下行，从而活塞杆下端推动三个割刀片向外张 开与冻结管内壁接触，张开的三个割刀片随同切割 钻具顺时针旋转，将冻结管割断。形成冻结管与环 形空间的注浆连通通道，将浆液从冻结管中空挤入 冻结管与地层环形空间，达到封堵冻结管环形空间 的目的，切断马头门以上含水层之间的水力联系。 水力式内割刀原理如图 2 所示。 图 2 水力式内割刀 3.3 使用方法 （1）将内割刀接于钻柱上，下到设计深度， 切割孔段应避开接头、接箍。 （2）在下水力式内割刀以前，应当用适合内 割刀通过的钻头通孔一次，钻头直径不得小于工具 限位扶正套外径。在通孔过程如有轻微遇阻，可转 动钻具划过，直至无阻卡现象为止。通孔至设计位 置，大排量循环洗井，将井内杂物冲洗干净。 （3）工具入孔前应在孔口做试验，以检验工 具的可靠性及刀片张开前后的泵压变化值，并做好 记录，为判断井下情况提供参考。 （4）试验好后，再用 Φ2mm 铁丝将刀片捆好， 以防在下钻过程将刀片的刀尖碰坏，造成切割作业 的失败。 （5）钻具组合，在工具的上部应接专用的螺 旋扶正器，在扶正器以上再接足够长度的钻铤，以 增强工具工作的稳定性。 （6）下钻过程，操作要平稳，并控制下放速度， 以防损坏刀片。 （7）将工具下至预定位置，先启动转向卡盘， 钻柱旋转正常后，方能开泵，当高压液体流经喷嘴 时， 在喷嘴处产生压降， 对活塞产生推力， 活塞下行， 推动刀片伸向管壁，就可以切割管体了。在切割中 不要再调整泵压，以防切割不稳，损坏刀片，转速 以 5060r/min 为宜。 （8）当管壁被完全切断，刀片完全张开，由 于调压杆的作用，压力将下降 2MPa 左右，当扭矩 值复原（即无反扭矩出现），表明切割完成。此时 可以停泵，停止转动钻具，使割刀恢复初始状态。 应先缓慢上提 3050mm，再继续旋转几分钟，这样 962018 年第 1 期 版 ,2011,3411105-110. ［2］ 丁 厚 成 , 蒋 仲 安 , 韩 云 龙 . 顺 煤 层 钻 孔 抽 放 瓦 斯 数 值 模 拟 与 应 用 [J]. 北 京 科 技 大 学 学 报 ,2008,30111205-1210. ［3］ 胡 国 忠 , 王 宏 图 , 范 晓 刚 . 低 渗 透 突 出 煤 的 瓦 斯 渗 流 规 律 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,2009,28122527-2534. ［4］ 徐三民 . 确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨 [J]. 矿业安全与环保 ,1996（03）43-44. ［5］ 刘泽功 , 袁亮 , 戴广龙 , 等 . 开采煤层顶板环形裂 隙圈内走向长钻法抽放瓦斯研究 [J]. 中国工程科 学 ,2004,6（05）32-38. （上接第 93 页） 有助于刀片收拢，然后起钻。将割刀起出孔外。 3.4 其他及安全注意事项 为了满足水力式内割刀能够顺利通过冻结孔， 到达设计层位，孔内有回填的水泥塞，需要对冻结 孔进行扫孔处理。首先选择 Φ108mm 或 Φ89mm 钻头进行扫孔，通孔至割管设计位置，在通孔过程 如有轻微遇阻，可转动钻具划过，直至无阻卡现象 为止。通孔至设计位置，大排量循环洗井，将井内 杂物冲洗干净。割孔作业必须保证管内有充足的循 环水， 第一层位割孔注浆结束后， 压入定量清水 （约 4.5m）顶替水泥浆液至第二层位割孔位置，而后下 割刀进行割孔，每次割孔结束后需进行风水置换， 以保证注浆效果。 3.5 注浆材料 以水泥单液浆为主，水灰比为 0.5111，水泥 标号为 P.O 42.5。根据浆液现场测试情况可配有少 量添加剂以增加强度，控制凝结时间。对个别注浆 困难的层段，注浆前先注水玻璃预处理。 3.6 注浆压力 注浆终压暂按各割孔层位静水压力的 1.8 倍进 行计算，各层位最大注浆终压见表 1。 表 1 注浆压力与注浆深度对应表 井筒名称 注浆深度 （m） 注浆最大终压 （MPa） 孔口（泵体）压力 表读数（MPa） 二号风井 3416.21 5009.01.5 具体注浆终压应根据实际注浆效果，实时采集 相关数据进行调整，保证井壁质量不受影响。 3.7 注浆步骤 浆液制作、注浆、化验等工作均在井口注浆站 完成。注浆时，设专人观测注浆压力，注浆操作主 要步骤如下 扫孔通井→第一段高割管→第一段高管外充填 注浆→第二段高割管→第二段高注浆及二次封孔。 由于主、副及一号回风立井地质及水文地质条 件与二号回风立井相似，采用的施工设备及施工工 艺相同，在此不再重复叙述。 4 注浆效果分析 4.1 注浆量分析 二号回风立井出水侧北马头门 9 个冻结管设计 注浆量 225m，实际完成 384.46m，实际注浆量大 于设计量 159.46m（仅有少量浆液返回地面），各 孔的吸浆量均大于设计量，说明冻结管的环形空间 得到充分充填。 4.2 四井注浆前后涌水量变化及材料消耗 表 2 注浆前后涌水量变化及材料消耗 工程名称 注浆前涌水量 （m3/h） 注浆后涌水 量（m3/h） 注浆量 （m3）水泥用量 （t） 主立井16.42.81201.71107 副立井13.61.415081406.6 一号风井20.43.61465.51374.4 二号风井21.83.41735.61593.7 主、副、一号回风、二号回风立井井筒实际注 浆施工中，注浆终压、注浆量均超过了设计要求。 各孔注浆终压均大于静水压力的 1.8 倍，大于设计 值。冻结管浆液返至地面，其他孔注浆期间压力稳 步上升，割孔注浆帷幕工程中在这个压力范围内浆 液围绕环空的扩散距离达到预期效果。 5 结论 （1）采用割孔注浆技术有效治理了大海则矿 井水害，封堵了出水源头，为陕蒙地区类似地质条 件施工、水害治理提供了经验。 （2）利用原冻结孔进行割孔注浆，使地面注 浆取消了造孔工序，减少了施工时间，节省了工程 费用，保证了施工安全及井筒的正常使用。 （3）利用冻结孔割孔注浆对预定地层加固， 实现了井壁堵漏，弥补了壁间注浆的不足，达到了 较好的封水及围岩加固效果。 （4）割孔注浆较其他注浆技术，安全可靠， 不占用井筒空间，有利于井上下的平行作业