关于高压钻孔封孔技术在煤矿实际生产中的应用

薛卫龙

【摘 要】煤炭开采是目前国家发展的重要能源工程，其意义不可小视。在实际煤炭开采中，高压钻孔封孔技术是煤炭实现安全开采的关键技术，其在实际开采中发挥重要作用。本文结合我矿区实例，就高压钻孔封孔技术在煤炭实际生产中的应用及主要流程进行了分析，并进行了施工效果评价，以供参考。

【关键词】高压钻孔封孔技术 煤矿开采 工艺流程

高压钻孔封孔技术是目前煤炭开采中所用到的关键技术，施工质量优劣关系煤炭企业安全开采及生产。煤炭生产过程中，为保证有毒气体不泄露及煤炭生产安全需要，必须对其钻孔进行封堵，以满足实际生产需要。因此，企业应将高压钻孔封孔作为煤炭开采中的关键技术加以考虑，保证其安全运行，保障作业安全需要。本文通过举例对高压钻孔及分孔技术进行了说明，以供参考。

1 工程概况

保德煤矿位于山西省保德县境内，东与佘家梁、张家沟、炭岭沟、河石盘等小煤矿相接，西与苏家里村为邻，北抵黄河康家滩村。矿区地处黄河东岸、属黄土高原的晋西北边缘，呈黄土沟峁、丘陵地貌，总体地势中部低、南北高。井田内地形切割严重，沟深坡陡，植被稀少，主要含水层为奥陶系岩溶含水层，埋藏深度76～422.6m，水位标高840m左右。井田范围内单井涌水量为360～2300m3/d，含水层的裂隙岩溶发育不均匀，富水性差别很大。为了防止H2S气体泄露及消除水害隐患，需对原水文地质观测钻孔放孔进行封闭处理，以保证煤矿的安全生产。

2 项目钻孔及施工情况分析说明

2.1 钻孔原始结构说明

根据地质实际情况，首次选取孔径Ф219mm岩芯管钻进至地表以下23.21m，表层下入Ф168×6mm丝扣管23.21m，水泥浆固井并进行止水检查；二开孔径Ф146mm，用岩芯管钻进至125m，下入Ф127×6mm丝扣管102.39m，水泥浆固井并进行止水检查；但经三开孔径Ф108，用岩芯管钻进至孔深270.13m时，涌水量增大为210m3/h，且H2S气体浓度超标，故经决定终孔。

2.2 钻孔地层情况分析与说明

经勘查，根据钻探施工岩芯鉴定确定，该孔揭露地层自上而下有：二叠系，主要由灰白色砂岩、砂质泥岩、灰色泥岩和煤层组成，主要可采煤层8#煤层，底部含一薄层煤线，钻孔钻遇地层厚度15.4米。石炭系，主要由深灰色泥岩、砂质泥岩、灰白色砂岩、粉砂岩和煤层组成，局部夹薄层煤线，钻遇地层厚度77.86米。本溪组，主要由泥岩、含铝土质泥岩组层，局部夹薄层灰岩，钻遇地层厚度21.37米。奥陶系，主要由灰岩、泥灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩组层，钻遇地层厚度97.27米。

2.3 钻孔涌水情况统计

本次钻孔过程其含水层主要为石炭、二叠系基岩裂隙含水层和奥陶系灰岩岩溶含水层，钻孔施工过程中的涌水情况自上而下为：钻孔在基岩含水层中钻进时涌水量较小，至本溪组地层21.6m第一次涌水，涌水量为4m3/h；至C2t地层77.6m时涌水量为14m3/h；当钻孔施工至进入奥陶系地层200m开始涌水，涌水量为0.3m3/h；241m涌水量为3m3/h；本区奥灰主要含水层，水量较大。

3 钻孔封闭施工工艺分析

3.1 钻孔基本施工工艺说明

根据钻孔实际情况，本次封孔方案采用孔底返浆注浆法，根据钻孔结构将封孔胶塞下至孔内265m处。同时，在正式施工前对放孔进行抽水，并提取水样进行水质分析，通过对水质的分析研究选择合适的封孔浆液及配合比。

3.1.1 排水排气检查

施工前应在孔口阀门之上安装带防突装置的三通，将排水管道与三通连接，用于将孔内水引入水仓，再由水泵排入污水管道，三通另一出口安装防突装置，防止下胶塞及钻杆时孔内水气突出。利用矿用履带坑道钻机配Ф63.5mm的钻杆将长度为1.0m的封孔塞下入孔内，下入过程中匀速转动钻杆，封孔塞安装于距孔口265m处裸孔段内，封孔塞上端通过卡槽与钻杆连接；封孔塞上段设置逆止阀。在封孔塞下入过程中通过与三通相连的排水管排出孔内涌水，H2S气体会随水体一同排出，并加大风筒风量以实现控制作业场地H2S浓度目的。

另外，封孔前应对封孔塞安装及严密性检查；如通过钻杆底部的注水装置插入逆止阀内，向胶塞内部注入高压水使胶塞膨胀，封堵目标孔，同时观察孔口水流情况，若无稳定水流从孔口流出，则封孔塞封闭良好可以进行后续施工，反之则需继续向胶塞注水直至将孔壁封闭严实。

3.1.2 注浆处理

注浆前将钻杆提升至离封孔塞2m处，采用通过水质分析后选择的浆液进行注浆，注浆压力控制在2MPa，注浆过程中每注入0.1m3浆液将钻杆提升7m，重复此步骤直至孔口返出稳定的水泥浆液。根据本工程项目具体情况，计划利用孔内钻杆作为注浆管，封闭孔口对放孔进行静压注浆封闭。根据注浆情况，在水泥浆终凝后确定是否打捞钻杆。注浆施工时，先将孔口阀门关闭，通过钻杆采取一次性全孔注浆的工艺向孔底注水泥浆液，直至达到终孔条件；若注浆量超过20m3仍不起压，则采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆封孔。待凝72小时后打开孔口阀门观察返水或返浆情况。若孔口阀门不流水，则说明钻孔已封闭合格，待凝7天后清理孔口装置；否则，从孔口阀门进行注浆，直至达到设计终压。

3.2 钻孔封闭施工过程分析

根据本项目实际情况，为实有效封孔，本次采用多次封孔，最终完成对钻孔的有效封堵。其主要施工设备采用MKY4000L钻机、BW-320泥浆泵、封孔器及配套設备。本次封孔经过多次封孔尝试（如下所示的一至四次封孔）均未达到较好效果，经尝试，第五次封孔采用全新封孔器分两段进行注浆，其效果较好，五次封孔工艺如下所示：

第一次封孔采用先胶塞止水，后孔底返浆法封孔。所用胶塞长为1.2m，打压方式为注水打压。浆液采用高抗硫酸盐水泥加粉煤灰。但在本次封孔过程中出现了胶塞破裂，其主要原因是胶塞膨胀后上提过程中遇到缩颈挤压，胶塞中部爆裂，形成齿状断口，上部在上提过程中与孔口摩擦撕扯中脱落，断口齐整。

第二次封孔采用木塞止水；下木塞前用地锚、钢丝绳将钻机固定，第一级木塞采用Φ105mm。但在用钻机下顶木塞过程中，钻机遇阻力较大，，钻机被顶起致使无法继续正常进行，决定停止下放木塞，上提钻杆。钻杆全部提出后发现木塞被过大的水压冲为多瓣，已严重损坏。因水压过大，水力切割作用较强，停止使用木塞进行封孔。

第三次封孔采用封孔器进行，将其下放到预定位置后，进行打压，封孔器加压至10MPa，钻孔无出水现象，判断钻孔已封闭严实。钻孔封闭后持续观察，钻孔始终无出水现象，表明封孔器工作状态良好。同时，对封孔器进行补压，封孔压力提高至13MPa，观察钻孔无出水现象，表明封孔器封闭稳定，判断可以提钻。

第四次封孔利用孔内钻杆做为注浆管，向孔内压浆封闭钻孔，水泥浆水灰比0.8：1；但由于孔口防突器挡板出现焊接质量问题，有渗水现象。项目部采取措施对挡板进行处理，因孔内水压达到3Mpa，挡板漏水情况难以处理。但涌水为清水，且不含H2S气味。在对其进行卸钻杆时多次尝试提钻，钻杆出现松动。为防止异常情况发生，将防突装置拆卸升井并重新焊接，以为再次封孔做足准备。

第五次封孔时，在制定方案后确定将封孔装置下至距离孔口115m位置，封孔装置到达位置后进行打压注水，表明堵水效果良好。利用封孔器将钻孔分隔开为两段。通过钻杆向钻孔115m以下段注纯水泥浆，水灰比0.8：1。注浆后，孔口注浆压力由3Mpa升至5Mpa，经计算，其已满足钻孔封堵要求，停止注浆，并对钻机固定，孔口密封。如水泥凝固后，打开孔口防突装置检查，孔内无出水情况，但有气泡外溢，通过对孔口气压压力观测，封堵效果良好。

4 结语

经综合分析，采用本方案实施钻孔封孔，其质量可靠，钻孔封闭效果良好，有效消除了H2S气体及水害影响，为煤矿生产消除了安全隐患。

参考文献：

[1]乔马东.大阳煤矿3303工作面瓦斯抽采关键技术优化研究[J].煤炭与化工，2016（06）.

[2]张军波，王利强，柴磊.新型瓦斯抽采钻孔封孔双液注浆泵的研制[J].煤炭技术，2016（07）.

[3]王科，魏佳男.采掘作业煤岩破坏对矿井瓦斯抽采的影响[J].煤炭技术，2016（07）.