茶陵县沙坪煤矿项目ZK405涌水钻孔封孔方法的探讨

谭千钟

（湖南省煤田地质局第一勘探队地勘院，湖南耒阳421800）

茶陵县沙坪煤矿项目ZK405涌水钻孔封孔方法的探讨

谭千钟*

（湖南省煤田地质局第一勘探队地勘院，湖南耒阳421800）

介绍了煤矿钻孔煤层底板涌水钻孔的一种双十字木塞+全孔水泥浆封孔的方法，分析了煤层底板涌水钻孔的一种双十字木塞+全孔水泥浆封孔成功与否的原因，揭示了在进行类似钻孔封闭时的注意事项，以及涌水钻孔在钻孔过程中可能发生的安全问题。

地层承压水；涌水；封孔；双十字木塞；水灰比；压力平衡

涌水钻孔一般采用下塞子等办法对涌水段进行封闭，但涌水量大的钻孔，以及孔内涌水压力大等原因，一般的塞子不能下到指定的位置，即使封住了上部，孔口不向外涌水，但下部的高压涌水层段和矿层相互串通，将会给今后的采矿作业构成重大安全隐患，地下各含水层的相互串通还会造成地下水质和水位发生变化，也对地下水安全造成一定的危害。为了彻底阻断各含水层的联系通道，保证采矿安全和地下水安全，一般采用全孔水泥浆封闭的方法。

茶陵县沙坪煤矿项目ZK405钻孔是个涌水量特大的钻孔，该孔采用了双十字木塞+全孔水泥浆封闭的方法，经透孔至295m位置取芯检查，封闭孔段水泥结构较好，取出的芯样基本成柱状，证明该方法封闭钻孔取得了圆满成功。

1　项目、钻孔基本情况及面临的问题

1.1项目和钻孔基本情况

茶陵县沙坪煤矿详查项目位于茶陵县沙坪乡，设计钻孔8个，钻探工作量3670m，地质钻孔6个，水文钻孔2个，全部分布在沙坪煤矿矿区内。区内从新至老的地层分别是①第四系（Q），层厚0～10m，主要为粘土、砂土和砾石，岩性松散；②侏罗系（J1），层厚6～90m，以石英砂岩为主，岩性致密坚硬；③二叠系上统龙潭组（P2l），一般层厚80～350m，煤系地层，以粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，含煤3层；④二叠系下统当冲组（P1d），层厚120～230m，主要为硅质灰岩、灰岩，裂隙发育，局部见溶洞。ZK405钻孔为探煤孔，设计350m。当钻至孔深305m时，也就是3煤底板下，钻孔发生了达80m3/h的涌水。孔口能闻到水中散发出来的异味气味，经项目部技术人员进行简易水文观测，对水质、流量和孔口压力进行了测定，证实该水质属3煤层底板下水质，由于在钻进到305m之前钻孔内并没有发生异常现象，泥浆也没有出现大的变化，结合水质分析，可以基本断定涌水部位在305m处，属二叠系下统当冲组灰岩承压水。当时也试着用加大泥浆比重来压住涌水进行后期施工，但涌水流量和压力太大而未成功。在这种情况下，施工钻机通过精心施工，强行钻进到310.35m满足了设计要求。

1.2面临的问题

该孔涌水量达80m3/h，孔口静水压力达2.3MPa，水泥浆泵入孔内会立即稀释而被冲出孔外，造成封孔失败。如何能安全圆满完成封孔任务是摆在施工队伍面前的难题，业主也派人现场监督，并强调保证钻孔封闭一次性成功。

2　封孔方案

经研究分析，初步制定了一套完善的封孔方案：第一阶段，首先做好一个双十字钢丝木塞，长2～3m，用钻具送至孔深305m左右，开泵送水使双十字钢丝木塞与钻具分离，提升钻具，观测涌水流量变化；第二阶段水泥浆封闭钻孔，因涌水层段为主采煤层底板，埋藏不是很深，钻孔封闭的好坏，直接危及煤矿的安全，并立竿见影，因此封好该孔是施工的难点和重点。

2.1该方案的理论依据

经测试，孔口出水压力为2.1MPa，孔深310m涌水处的压力为5.1MPa（出水压力2.1MPa+孔深310m处液柱压力为P=ρHg=1×103kg/m3×310m×9.8N/kg×10-6= 3.038MPa，其中ρ为水的密度，H为钻孔深度，g为重力加速度）。若将孔内密度为1的310m水柱换成密度为ρ的水泥浆，要达到5.1MPa的压力，孔内水泥浆保持压力平衡而不外溢，水泥浆的密度为ρ×310×9.8×10-6= 5.1MPa；ρ=1.25×103kg/m3。理论上，只要孔内液体密度达到该值时，孔内将保持压力平衡而保持一种稳定的状态，待水泥浆凝固后，达到了封孔的目的。

2.2水泥用量计算

经分析水泥用量应包含孔内水泥浆、从钻孔流出的损耗量、进入孔内裂隙，以及地面的损耗。水泥计算如下：孔深310m，孔径77mm，钻孔总容积1.44m3，密度取1.84t/m3，所需水泥浆重量级2.65t；由于水灰比为0.5（水∶水泥=1∶2），需水泥量1.77t。前面所提到的各种损耗按1.2t计算，考虑其它不确定因素，为确保万无一失，现场准备了3.5t水泥。

3　现场操作

3.1第一阶段操作

3.1.1木塞的制作

取轻质干杉木（木质较松、最好在水中浸泡一段时间后，膨胀系数大一点的）一根，长2～3m，直径不大于Ø72mm，用电钻在木柱的上下两端离端口500mm处各打一个十字型Ø10mm的眼，眼的两端修成往上的斜槽，裁2段弹性较大Ø8mm钢丝绳，长82mm，穿在十字孔内，保证该木塞在孔内只能沿着孔壁向下运动，向上运动时钢丝绳在弹力的作用下向外张开，撑死在孔壁上或裂隙上。木塞的制作如图1所示。

图1　双十字木塞示意图（单位：mm）

3.1.2木塞的定位

用钻具将双十字木塞送到孔深306m处，开泵让钻具与木塞分离，观察孔口涌水量，再用钻具探定木塞孔深，确认位置正确、木塞牢固可靠后，将钻具提升20m，即孔深280m左右。

3.2第二阶段的操作

3.2.1准备工作

第二阶段应与第一阶段同时进行，在操作前应做到材料到位（包括水泥、水、设备）；人员到位；设备进行调试，所有设备都处于良好状态；辅助设备应齐全。

3.2.2具体步骤

①搅拌水泥浆，可利用泥浆搅拌设备为主，人工配合搅拌，争取在1h内浆水泥浆准备好；②将钻具下302m左右（涌水部位5～10m左右）；③在泵入水泥浆的过程中，应注意观察泵压表，防止水泥管路阻塞而影响泵量；④在泵入水泥浆的同时，可将钻具在孔内适当活动，也可以用管钳慢拧钻具，如果钻具拧不动，或需要很大力气才能拧动钻具时，应立即关泵，上钻，将钻具提升5个立根后，继续泵入水泥浆。上钻要尽可能的快，以防止泵入的水泥浆被水稀释冲出孔外而造成封孔失败；⑤注意观察钻孔涌水量的变化，水变浑浊是被水稀释的水泥浆，水量在减少是因为孔内液体的密度在逐步增大，而使得孔内液体压力在逐步增大，最后直到压力平衡，将涌水彻底封堵；⑥上钻，注意观察孔口，如果钻孔液面下降，仍有少量的水泥浆溢出，应停止上钻，继续泵入水泥浆，直到孔口不再有水泥浆外溢后，再上钻；⑦钻具应提出孔外，泥浆泵和钻具应及时清洗。

操作过程注意事项：①在泵入水泥浆时，应不断活动钻具，防止钻具被埋而造成孔内事故；②尽量提高泵量，以缩短孔内液体密度上升的时间，减少水泥浆孔口的流失量，以保证封孔的成功；③适当掌握从孔内提出钻具体的长度和次数，保证安全的同时保证封孔质量。

4　效果

2014年3月20日上午8：30，ZK405钻孔在监理旁站下按上述方案进行封孔，4h钻孔封闭结束，孔口完全无水上返。23日开始透孔，28日透至孔深295m，封闭孔段水泥结构较好，取出的水泥芯样基本为柱状，很少蜂窝。29日对封闭钻孔进行了注水检测，钻孔无漏水。现场监理认为封孔质量可靠。

5　结语

ZK405钻孔的封孔虽然取得了成功，但仍有些问题：①水泥的用量，尤其是水泥的损耗，是不是能通过更加精确的计算得出结论，以减少不必要的损耗；②上述操作方案的成功与否应该是由多种因素决定的，除了与木塞的牢靠、涌水层的水压、水量和涌水位置有关外，还和灌注设备泥浆泵的泵量、泵压有关，低泵量可能会造成孔内水泥浆被稀释而冲出孔外，孔内液体密度无法提高而造成封孔失败，因此从理论上讲，存在一个最低泵量，低于该泵量，封堵涌水层段就不会成功，这个泵量和涌水量有着一定的关系。以上几个问题值得探讨。

［1］煤田勘探规程［S］.中国统配煤矿总公司.

［2］陈永立，王殿琦，王洁，李云飞，等.固体矿产钻探工［M］.北京：地质出版社.

TD231

A

1004-5716（2016）02-0045-02

2015-02-05

2015-02-06

谭千钟（1963-），男（汉族），湖南湘潭人，工程师，现从事探矿技术负责工作。