注浆钻孔穿过煤层采空区的安全施工工艺探讨

潘东懿,杜绪新（.山东煤田地质局第三勘探队,山东　泰安　7000；.济南华玫矿业有限责任公司,山东　泰安　763）

注浆钻孔穿过煤层采空区的安全施工工艺探讨

潘东懿1,杜绪新2
（1.山东煤田地质局第三勘探队,山东泰安271000；2.济南华玫矿业有限责任公司,山东泰安271613）

摘要：为有效解决注浆堵水钻孔穿过多层煤矿采空区时因冲洗液漏失，孔壁坍塌等引起的钻孔事故，研究采用了多种安全施工工艺，成功封堵了矿井涌水。

关键词：注浆钻孔；煤层采空区；钻孔结构；硫铝酸盐水泥；高压旋喷注浆

1　引言

2006年7月1日，济南华玫矿业公司在矿井北翼10404（2）工作面发生奥陶系岩溶含水层突水，涌水量高达2601m3/h超过了该矿-100水平泵房排水能力。通过修筑挡水墙实现了矿井南北两翼的有效隔离。在地面施工钻孔进行了注浆堵水。

2　钻孔过煤层采空区时常见的钻孔事故及其原因分析

煤层在采用自然冒落法开采后，煤层顶板在矿压作用下会出现垮落现象，煤层顶板上覆岩层出现冒裂带和弯曲带。钻孔在穿过冒裂带时，会出现冲洗液严重甚至全部漏失、孔壁坍塌掉块，钻孔弯曲偏斜等现象。裂缝带和弯曲带之间会出现一定高度的离层空间，在这些离层空间内钻进，会出现冲洗液完全漏失、钻孔偏斜，钻杆脱落、钻杆折断、夹钻事故。

3　过煤层采空区的注浆钻孔结构优化

因注浆堵水钻孔分别穿过4层采空区，地质条件异常复杂，施工难度较大，必须对过多层采空区的钻孔结构进行反复权衡优化。注浆钻孔最终优化为五级孔径四级隔离套管结构型式：一级孔径Φ250mm，深度70m，下入Φ219×8mm套管，隔离第四系和风化带；二级孔径Φ194mm,深度到穿过煤7采空区5m左右即186m，下入Φ168×7mm套管，隔离煤7采空区；三级孔径Φ150mm,深度到穿过煤9采空区底板2m即孔深212m，下入Φ146mm隔离套管，隔离煤8、煤9采空区，对套管底口处管外进行注浆封闭加固。四级孔径Φ130mm,到10层采空区底板以下5m左右即220m处，下入Φ127mm套管隔离煤10采空区，套管底口封闭打压，压力不得低于2.5MPa,但不得高于3.0MPa，以防止压力破坏煤10底板。五级孔径Φ110mm,穿过五灰进入奥灰内终孔。最终Φ127mm套管作为灰岩内注浆堵水套管使用。

4　钻孔在煤层采空区内的安全施工工艺

4.1开孔时的钻孔防斜工艺

（1）在钻进过程中，必须注意使用好钻铤，钻铤的选用必须考虑到是否有利于钻孔的垂直度、满足孔底钻头压力的需要和保证孔内安全三个方面的因素。在Φ194mm孔径以上钻进中，要求使用Φ150mm钻铤不少于3根（15m），使用Φ127mm钻铤不少于3立根（45m），Φ68mm钻铤不得小于3立根（45m）。随着钻孔的加深和孔径的减小，粗径钻具由粗到细逐渐卸除。开孔时要采用钻具垂吊方式进行,严禁采用加压方式盲目追求钻探进尺.钻铤直径与钻孔孔径悬殊较大时，采用连接矛杆导向钻具进行导向钻进，防止钻孔偏斜。

（2）开孔时要采用先探后扩的施工工艺，若使用Φ150mm凹心钻头开孔，必须逐渐加足Φ127mm钻铤；使用Φ170mm凹心钻头开孔，要加足使用Φ150mm钻铤；无论采用哪种钻头,必须使用比钻头小一级的钻铤，加压并作为导向器使用，以保证开孔的垂直度。随着钻孔延深逐步加齐相应的钻铤数量。要求开孔孔径必须超过变径位置10m左右后，方可对上部孔段扩孔。变径钻进时，要使用与上一级孔径相匹配的导向，导向部分不得少于6m。

4.2在煤层采空区内钻进时的防斜工艺

除保持使用上述钻具组配外，在采空区钻进时，要求使用高重量长钻铤垂吊加压钻进，并且要求粗径钻具上头不得低于采空区顶板（即不得进入采空区内）。钻铤在巷道顶板内要起到导向作用，并反复试钻，防止过采空区后钻孔偏斜。巷道或采空区内有杂物影响钻进时，可以用水泥喷射加固并取芯钻进，但是取芯时粗径钻具上头不得低于巷道顶板。

4.3旋喷注浆工艺在采空区钻孔堵漏中的应用

对于孔壁较完整，但裂隙高度发育的地层，或者采空区形成时间较长，受上覆岩层压力作用较密实但冲洗液严重漏失时（煤3、煤7采空区），为了保证施工安全，防止冲洗液漏失后的烧钻、埋钻事故发生，采用了普通注浆和高压喷射注浆工艺。主要是采用了下延式注浆工艺，即孔内出现冲洗液全漏失后，慢慢钻进一定深度，然后采用标号为42.5R的普通硅酸盐水泥进行注浆，依靠浆液自重和液柱压力把水泥浆压入到地层裂隙中。水泥浆中要加入一定量的速凝剂，以减少注入浆液的扩散范围。

4.4填筑骨料及高压喷射注浆固结工艺在采空区孔壁严重坍塌时的应用

因为采空区上部存有离层空间、采空区内垮落带岩块松散（煤8、煤9和煤10采空区）难以钻进，故采用了在离层空间内填筑骨料，并进行注浆加固的工艺。等把空间内用骨料填充满后，要对填料和垮落带利用专用工具进行高压喷射注浆加固，把填料（沙子、石子）和垮落带松散的岩块固结起来，等具有一定固结强度后，再施工钻孔，达到钻孔安全穿过采空区的目的。为满足快速固结的要求，高压喷射使用了快凝硫铝酸盐水泥，水泥浆标号为32.5R，水泥浆密度控制在了1.2～1.3g/cm3之间。选用硫铝酸盐水泥主要是因为它具有快速凝固，其凝结时间随浆液比重增大而急剧减少，初期凝结强度较高的特点。但在使用快凝硫铝酸盐水泥注浆前，要提前做好硫铝酸盐水泥的配比凝固试验，试验要根据待注浆钻孔受注层的深度、受注能力、水泥在采空区内扩散的范围、浆液凝固时间和现场安全操作等因素进行。

5　结论

为有效解决冲洗液在裂缝带和采空区内完全漏失后出现埋钻、烧钻和卡钻事故，可以选择使用单液水泥浆、水泥水玻璃双液浆进行高压喷射注浆封闭。对于消除离层空间，可以选用投入骨料的办法进行充填，然后对充填的骨料堆积物和垮落带进行高压喷射注浆加固，使上述两种松散体形成具有一定固结轻度的整体，以保证钻孔在松散堆积体内穿过时不再出现坍塌掉块现象。

参考文献：

[1]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定释义[M].徐州：中国矿业大学出版社,2009.

作者简介：潘东懿（1969-），男，山东临清人，钻探工程师，主要从事：现场钻探施工安全及技术管理工作。