水平井二开裸孔段注浆施工地面冒浆原因分析及对策

陈顶峰

（北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100049）

1 概况

古汉山矿15041、15061 工作面西为小凤凹断层，断层落差0～40m，倾角70°。该断层在临近老矿井吴村煤矿揭露时曾发生2400m3/h 的突水事故。根据三维地震资料及工作面周边采掘工程揭露地质资料显示：该区域地质条件复杂，施工段受小凤凹断层影响次生小断层较多；15 采区三条上山揭露的断层对巷道掘进、钻孔施工均影响较大；二1 煤层下部含水层水压高、水量大，造成井下施工困难。

鉴于区域水文地质条件的复杂性，以15041、15061 工作面为治理区域，拟采用地面区域超前注浆加固治理技术，重点查明治理区域内二1煤层底板L8 灰岩含水层的富水状况及工作面内构造发育情况，通过地面水平井钻孔注浆方式对区域二1煤层底板L8 灰岩及断层进行超前预注浆加固，将隔水层加固，把含水层改造成隔水层，从而确保巷道掘进和工作面回采时底板承压水不突出[1]。

治理过程中注3 井在二开裸孔段注浆时地面发生冒浆现象，给施工造成较大的困难。本文重点对注3 井施工、冒浆原因进行介绍分析，并总结出二开裸孔段施工的经验教训。

2 钻孔施工情况

2.1 一开钻进情况

注3 井一开完钻井深248.14m，井深215m 见基岩，一开下入Φ244.5×8.94mm 套管，套管下深248.14m，进基岩30m 左右，套管固井候凝72h 后，扫孔至出套管口0.5m，做一次套管试压实验，打压压力6MPa，稳压30min，压降0.2MPa，符合设计要求，固井质量合格。

2.2 二开钻进情况

二开钻进过程中由于钻遇了断层，与矿方提供资料出入较大，导致原二开设计的轨迹无法正常施工，并进行了探孔施工，之后进行了第二次二开施工。施工情况如图1 所示。

图1 注3 井钻孔剖面图

（1）第一次二开钻进。在井深453～467m 和481～492m 两次见到平均厚度5m 左右的煤层，根据煤层岩屑特征和区域地层情况，确定两次见到的均为二1 煤层，同矿方共同分析后确定该处存在一落差15m 左右的正断层，与矿方提供原始资料不符。目前已进入断层上盘，上盘的目的层位L8 灰岩要比预计的深，目前的轨迹角度不能满足下入二开套管的要求。为了摸清上盘L8 灰岩深度，准确设计二开着陆位置，决定继续向下钻进打探孔，在井深545～554m 处见到L8 灰岩，在井深576m 处（灰岩）发生漏失，漏失量61m3/h，井口失返，之后进行调浆堵漏，并进行下钻封孔。

（2）第二次二开钻进。从392m 开始侧钻，在井深449m 处见二1 煤，在井深551m 处灰岩层顶部发生漏失（平面位置已过第一次遇到的断层5m 左右），漏失量62m3/h，原计划进行堵漏，继续钻进至设计的二开着陆位置后下入二开套管。但矿方认为钻进过程中遇到了断层，从煤矿安全生产的角度考虑，需要对断层进行注浆加固。最后经双方协商决定在二开裸孔情况下对灰岩漏失点和断层注浆加固。

3 二开裸孔段注浆过程

3.1 制定注浆安全措施

二开裸孔段孔深近303m，且穿过煤层，在二开裸孔段注浆过程中易发生因注浆压力过大导致孔壁压塌甚至出现废孔的事故。为了确保钻孔的安全，本次注浆压力原则上不大于3MPa，压力达到3MPa且稳定后，现场要根据设备情况分阶段降低排量。排量每降低一个阶段压力达到3MPa后继续降排量，直至排量降至30～40L/min 后压力仍稳定在3MPa，该断层注浆结束，可以继续钻进。

3.2 注浆过程

（1）第一阶段：初始注浆

2019 年6 月27 日开始注浆，使用合同中规定的常规注浆材料：水泥与黏土1:3 比例的混合浆液。注浆泵排量850L/min；注浆密度遵照先稀后稠原则，初始注浆密度度1.13～1.17，注浆过程中密度分别调整为1.17～1.20、1.27～1.30；孔口初始注浆压力0MPa，7 月23 日孔口注浆压力升至2.8～3.0MPa。

（2）第二阶段：井下发现跑浆

由于注浆压力持续在2.8～3.0MPa 波动，没有继续上升趋势，7 月25 日将注浆密度调整为1.32～1.35。注浆4h 后孔口注浆压力降为2.2MPa，矿方通知井下巷道有轻微跑浆现象，采用间歇注浆，停注数小时后，井下不再跑浆后开始连续注浆，注浆压力稳定在2.2MPa 左右。

（3）第三阶段：间歇注浆

直至7 月28 日注浆压力仍然在2.2MPa 左右。矿方要求进行间歇注浆，第一次间歇注浆停注时间6h。由于注浆材料中黏土供应不足，7 月29 日矿方通知调整注浆比例为水泥黏土1:1 的混合浆，密度1.32～1.36，排量850L/min。当天晚上矿方要求注纯水泥浆，注浆密度提升至1.45～1.50，排量530L/min，井口注浆压力2.1MPa。第二次间歇注浆停注时间24h，第三次间歇注浆（7 月31 日、8 月1 日、8 月3 日）停注时间48h。

（4）第四阶段：地面冒浆

8 月5 日注4 孔正西方向30m 农田内发现冒浆，注浆停止。经查看，冒浆位置为两个相邻直径为5cm 的孔洞，浆液从孔洞溢出，进浆农田面积4000m2左右。

4 冒浆原因分析

地面冒浆浪费了注浆材料，且无法保证注浆效果，同时冒浆农田的复耕也浪费了大量的资金，因此必须重视冒浆问题，认真分析发生冒浆的原因。通过对当地村民走访和进行地层资料分析，结合注浆过程中的现象，发现导致冒浆问题的因素有以下四方面：

（1）在注浆区域附近的农田里存在多条地裂缝，当地人称为“腰带线”，这些地裂缝是煤矿开采后形成的塌陷裂隙导通了地面。从图2 注3 井平面位置图可以看出，冒浆位置距离关闭的吴村煤矿采空区211m，尤其是以往矿井开采管理不规范，不排除吴村煤矿有越采、超采的可能，实际采空区距离冒浆位置或许更近。

（2）冒浆位置距离东南部13051 采动工作面最近距离约210m（图2），在注3 井注浆过程中，井下13051 工作面巷道内先发现了冒浆，说明注浆裸孔段与13051 工作面之间有横向联通通道。工作面采动后导水裂隙最大发育高度为52.68m（古汉山矿经验数据），形成了一定高度的裂缝通道，降低完整基岩的厚度，增加了冒浆概率的发生。

图2 注3 井钻孔平面位置图

（3）距钻孔注浆段42m 外是小凤凹断层，断层落差0～40m，断层倾角70°。另外在钻进过程中遇到了落差15m 左右的新断层，断层的存在会对稳定的基岩地层进行切割破坏，降低了基岩的完整程度。

（4）间歇注浆后期采用大密度的纯水泥浆，且间歇停注时间48h，基本达到了水泥的凝固时间，二开裸孔段注浆层位逐渐上移，距离一开套管头越来越近，导致浆液进入地表覆盖层概率增大。

关闭矿井老采空区形成的地裂缝、工作面采动、临近断层带和间歇注浆停注时间长的综合作用，是导致本次冒浆的主要原因。注浆过程中浆液先填充下部的基岩裂隙和断层带，浆液充填层位逐渐上移，最后浆液顺着地裂缝发生冒浆。

5 结语

按照正常的注浆加固方法在二开裸孔段注浆时发生冒浆的概率极高，尤其是在采动区附近注浆过程中，有时浆液会沿着裂隙或层面等往上窜流而冒出地表[2]。因此确需在二开裸孔段注浆的，需要做好以下几点工作：

（1）搜集注浆区域资料，包括断层的发育情况、基岩深度、周围采空区范围、地表是否有煤矿开采形成的地裂缝。

（2）注浆工作尽量安排在白天，制定巡视制度，安排工人定时到注浆区域周围200m 范围内巡视，尤其是注浆区域附近存在断层和地裂缝，要加密巡视的频率，并做好巡视记录。

（3）尽量采用下行注浆方式。钻遇断层或大漏失点后，第一步：封孔。对一开套管以下钻孔进行封孔，封孔用密度1.6～1.7 的水泥粘土混合浆，混合比例1:2，封孔候凝时间24h。这样既能达到对钻孔的封孔要求，同时也能降低后期重新钻进时出新孔的概率。封孔至一开套管内，下钻扫孔出套管头。第二步：形成注浆帽。下钻沿原孔出套管后钻进10～15m，注清水冲孔，起钻准备注浆。选用1:2的水泥粘土混合浆，密度1.15～1.30 之间，先稀后稠再稀，注浆泵排量控制在200L/min 之内，注浆压力达到1MPa 停止注浆，压清水，确保钻孔内无浆液残留，候凝12h。这样可以在一开套管周围一定区域内形成一个水泥盖。第三步：进行非灌浆段的护壁灌浆工作[3]。下钻钻进至遇断层或漏点位置前5～10m，注清水冲孔，起钻准备注浆。选用1:2 的水泥粘土混合浆，密度1.15～1.30 之间，可根据情况调整，注浆泵排量控制在200L/min 之内，注浆压力达到2MPa 停止注浆，压清水，确保钻孔内无浆液残留，侯凝24h。在非注浆段周围形成虚拟的套管，避免后期浆液大量进入非灌浆段。第四步：注浆段注浆。下钻钻进至过断层或漏点位置5～10m，注清水冲孔，起钻准备注浆。选用1:3 的水泥粘土混合浆，密度1.15～1.30 之间，按照先稀后稠再稀的原则，注浆终压不宜过大。根据注浆段深度，选择合适的注浆终压，由于是二开裸孔注浆，还要考虑钻孔的安全性，因此注浆终压尽量控制在3MPa之内。注浆结束后压水，确保钻孔内无浆液残留，侯凝24h。之后开始正常钻进至二开着陆点位置，下入二开套管。