井下水文钻孔孔口止水套管的研制与应用

赵旭

【摘 要】随着矿井生产地区逐步向深部延伸，矿井水害已成为威胁矿井安全生产的主要因素之一，井下需要施工大量的水文钻孔以满足防治水工作的需要。

【Abstract】With the mine production area extends to the deep gradually， mine water disaster has become one of the main factors threatening mine safety production， so a large number of drilling holes need to be constructed to meet the needs of water prevention and control.

【关键词】矿井；水害；止水

【Keywords】mine； water disaster； sealing up

【中图分类号】TD301 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0172-02

1 引言

目前，井下施工钻孔多为超前探孔，受矿山压力、采动破坏、地应力等的影响，套管断裂导致钻孔跑水的问题经常发生，套管断裂跑水不但影响工期，且处理起来难度大、费用高、技术复杂，给矿井生产带来极大的安全隐患。辛安矿通过统计近几年孔口止水套管断裂跑水事故案例，分析总结此类问题的共通点，提出了改变止水套管传统连接方式的设计思路，并成功研制了新型孔口止水套管，在辛安矿井下钻孔施工中被广泛应用，经济、安全效果良好，具有极大的推广应用价值。

2 常用孔口止水套管及存在的问题

2.1 材质与结构

目前，矿井常用孔口止水套管普遍选用无缝钢管作为主要材料，规格φ108mm×8mm，单根长1.5m，采用内嵌式丝扣连接达到设计长度。

2.2 常用孔口止水管安装及使用方法

孔口套管采用内嵌式丝扣连接，多根套管连接后逐一下入孔内，最后一根套管末端焊接有法兰盘。套管下入孔内后，使用纯水泥浆固结套管。

2.3 存在问题

经过多年实践及统计，常用孔口止水套管安装到位后，使用1周～2个月的时间内经常出现断裂跑水现象，断裂位置普遍发生在浅处，距钻场底板3～5m套管接口处。常见断裂方式有3种：即水平断裂式、上下离断式、交叉错断式（见图1），其中前两种最为常见。

3 问题分析及解决思路

3.1 问题分析

现阶段，辛安矿主要生产地区集中在-500m水平，埋深一般在800m以上、地压一般在20MPa以上，目标含水层水压一般在4MPa以上。根据矿井生产需要，超前钻孔须在巷道前头施工，由于生产衔接紧张，不允许等巷道围岩稳定后再进行施工，设计孔数一般为3个，工期约1个月，钻孔倾角一般40°～70°。

超前探查钻场通常布置在新掘煤巷前头后5～10m处的巷道上帮，钻场施工在巷道初掘阶段，围岩不稳定，地应力处于重新分布阶段，一般5个月后才趋于稳定，通过后期巷道整修发现，围岩破坏深度在2m左右，两帮向巷中收敛约2m，底板向上鼓起约1m。钻场底板岩层为煤，岩体松软，应力较小，对止水套管的应力较小，一般第一节与第二节套管接口不会发生断裂，断裂位置主要发生在2～3或3～4节套管接口处。由于钻孔倾角影响，套管断裂深度会有一定变化。

目前矿井使用的无缝钢管抗压能力本身可以满足抵抗矿山压力的要求，主要原因是套管接口在切割加工过程中破坏了钢管的原有结构，使得抵抗矿山压力的钢管有效厚度變小，变薄后的钢管承压能力变小，相对矿山压力来说无法提供足够的抗压能力，从而导致套管拉断或错断。附常用孔口止水套管连接示意图（见图2）：

3.2 解决思路

通过调研，以下三种方法可以解决套管断裂跑水问题，三种方法的优劣对比如表1所示。

以上三种方法虽然可以有效防止套管断裂跑水，但是在钻孔结构、钻探设备、施工场所、施工难度及工期和安装操作难易程度上较常用孔口止水套管要求更高，施工难度变大，成本也增加较多，为更好地解决以上问题，辛安矿决定研制新型孔口止水套管。

针对煤矿井下施工特点，在研制前确定以下五项原则：①新型孔口止水套管采用的材质须常见、易获得，低成本、易加工，无毒、无害、无污染，高强、耐腐蚀、耐压性高、使用寿命长。②新型孔口止水套管的安装及使用尽量不增加难度，安装方便易操作，不动用电气焊等井下不允许使用的手段和方法。③钻孔结构简单。④单根止水套管长度不增加，否则钻场规格需要扩大，土建工程难度增大。⑤与在用常用小型坑道钻机性能相匹配。

4 新型孔口止水套管研制

4.1 材质选择

考虑到成本及套管可用性和安全性：材质仍沿用传统的无缝钢管为基础材料。

4.2 结构选择

常用止水套管丝扣在经过加工后，钢管变薄，有效厚度仅剩1.5mm。为抵制纵向拉伸及横向剪切，采用增加矿井应力集中段套管接口处有效厚度的方法来增大止水套管的抗拉及抗剪切强度。新型孔口止水套管分为两段，孔口段8m采用外接箍连接，以下部分仍使用常规孔口止水套管。

5 实际应用情况及取得的效果

① 新型孔口止水套管应用。截至目前，新型孔口止水套管已在辛安矿多个采区，多个工作面不同埋深下使用，共施工钻孔128个。通过实践并统计分析相关参数：使用新型孔口止水套管同样下入孔内30m止水套管与原先采用的常用孔口止水套管相比：钻孔使用钻机型号不变、开孔方法不变、安全保障措施不变、孔口管下入耗时基本不变、工期不增加，操作简便、易掌握，不增加操作危险系数，适用性强。②取得的效果。新型孔口止水套管主要使用对象为矿井超前钻孔，自2015年辛安矿使用新型孔口止水套管后，共施工超前钻孔128个，所有超前钻孔均未发生套管断裂跑水现象。

6 结语

新型孔口止水套管经过在辛安矿的实践应用，验证了该技术对钻孔止水套管保护的可靠性和适用性，避免套管断裂跑水成功率100%，具有良好的综合经济效益和推广价值。