废弃探水钻孔囊袋灌浆封堵技术研究

李志辉

（山西晋煤太钢能源有限责任公司，山西 吕梁 033000）

探水钻孔起到探水、疏水的作用，服务完毕后需要进行永久封堵，防止因采动影响裂隙导通重新有水大量涌出，威胁生产安全，探水钻孔主要特点是孔内有淋水或者积水，给封堵造成一定困难[1～2]。计划在山西晋煤太钢能源有限责任公司中部集中辅助运输大巷钻场开展探水钻孔封堵试验。

1 工程背景

山西晋煤太钢能源有限责任公司中部集中辅助运输大巷目前正在掘进当中，设计长度3 193 m，绝大部分为岩巷，设计为拱形断面，掘进宽度5.9 m，高度4.95 m，拱高为2.95 m，墙高为2 m，掘进断面积25.47 m2。

在掘进至650 m 位置时，巷道顶底板均有少量水渗出，根据“有疑必探”原则，在650 m 位置施工钻场，设计探水钻孔，对顶底板进行探测，同时现场提前制定了排水措施，探水钻孔设计顶板孔5 个，编号顶1～5 号，底板孔5 个，编号底6～10 号，顶板钻孔仰角均为30°，其中3 号钻孔深度60 m，沿巷道中心线，2 号和4 号钻孔偏角10°，孔深63 m，1 号孔和5 号孔偏角30°，孔深70 m，底板钻孔俯角均为30°，和顶板孔对称布置。孔径均为133 mm。探水钻孔布置如图1 所示。

图1 探水钻孔布置示意图

探测孔施工完成后，顶板探水钻孔涌水量较大，累计排水量6 400 m3，底板探水钻孔出水量较小，累计排水量730 m3，现场大量排水约7 d 结束，顶板探水钻孔持续有少量淋水、滴水，底板钻孔不再出水，但孔内存在满孔积水，如图2 所示。

图2 探孔内淋水、积水示意图

现需要对废弃的探水钻孔进行永久封堵，防止掘进和后期使用过程中，因采动因素有水大量涌出，因孔内有水，常规的黄泥卷封堵方式存在长期水泡后变软、溶解隐患，且人工操作难以保证封孔长度和填塞严实程度。因此，需要采用一种安全可靠的封孔方式进行封堵。

2 封孔囊袋设计

根据顶板钻孔和底板钻孔封孔原理的不同，设计2 种囊袋结构。

2.1 顶板钻孔囊袋

需要具备封堵淋水的作用，采用内外双囊袋结构，包括囊袋、注浆管、返浆管3 部分，如图3（a）所示。其中囊袋材质为完全阻燃抗静电的透水布袋，按设计长度缝制而成，注浆管和返浆管采用φ16 mm聚氯乙烯管，根据孔径大小设计囊袋直径，本次设计为150 mm，略大于孔径，保证完全贴合封堵严实，2 个囊袋之间的长度即为封孔长度，设计为20 m，注浆管和返浆管均外漏2 m，便于操作。

图3 顶板和底板钻孔囊袋原理图

在注浆管上设计3 个压力片，压力片1 和压力片2 分别在2 个囊袋内，压力片3 在2 个囊袋之间偏上位置。压力片1 和压力片2 设计撑开压力为1.5 MPa，压力片3 设计撑开压力为2.5 MPa，注浆封孔时，在浆液压力作用下，压力片1 和压力片2 首先打开，将2 个囊袋灌满凝固，然后管内压力逐渐增大，压力片3 打开，将2 个囊袋之间封孔范围灌满，当浆液从返浆管流出时，即代表完成封孔。

2.2 底板钻孔囊袋

孔内满孔积水，需要通过囊袋隔断积水，并通过注浆驱替积水从孔口排出，使浆液填满封孔段，必须保证孔口开放，采用改造的单囊袋结构，只保留内囊袋，取消外囊袋，取消返浆管，封孔长度和囊袋尺寸与顶板钻孔一致，如图3（b）所示。

在注浆管上保留压力片1 和压力片3，囊袋整体向下安装，囊袋在20 m 终点位置，注浆封孔时，在压力作用下，压力片1 首先打开，将囊袋灌满，形成下部隔挡，分隔积水，然后注浆管内压力增大，压力片3 打开，浆液从下至上填充钻孔，期间将钻孔内的积水不断向孔口排出，人工观察当浆液灌满至孔口时，代表完成封孔。

封孔完成后，孔内结构如图4 所示。

图4 顶板和底板钻孔封孔结构示意图

3 封孔实施方案

3.1 封孔材料

采用一种速凝早强、凝结时间可调的无机封孔材料，双组份AB 型，粉末状，各自加水搅拌，水灰比0.6∶1～1∶1，单浆搅拌后数小时内不沉淀、不凝结，混合后快速凝结，强度快速增长。30～180 s 失去流动性，5～15 min 完全固化，凝结时间通过水灰比调整，2 h 强度不低于6 MPa，1 d 强度不低于15 MPa，且固结体抗风化、耐水泡、耐酸碱腐蚀，长期使用不发生性状变化。

使用方法：

1）顶板钻孔：因向上注浆，注浆泵压力损失较大，且有双囊袋两端封堵，因此浆液应具备一定的流动性，保证可注性和充满填实，设计采用0.8∶1 水灰比，约120 s 失去流动性，10 min 左右完全固结，2 h 强度10 MPa，1 d 强度18 MPa；

2）底板钻孔∶因钻孔内有水，需要浆液驱替水，且浆液不能在钻孔水内发生分散，因此浆液需要快速凝固成膏状，设计采用0.6∶1 水灰比，约30～40s失去流动性，5～6 min 完全固结，2 h 强度12 MPa，1 d 强度24 MPa。

3.2 封孔设备

封孔采用2ZBQS25/6 型双液气动注浆泵和连体搅拌桶，分别用于注浆和搅拌。 注浆泵双缸独立，2 个吸排口能够同时吸浆、出浆，使浆液按照1∶1比例混合，注浆泵工作压力在0～11 MPa 可调。连体搅拌桶单桶容量90 L，合计180 L。如图5 所示。

图5 气动注浆泵+连体搅拌桶

3.3 实施工艺

3.3.1 材料消耗量测算

孔径133 mm，封孔长度20 m，则单孔充填体积约0.28 m3。

顶板钻孔采用0.8∶1 水灰比，封孔材料固结密度约1.8 t/m3，总质量约0.5 t，则单孔需要消耗干料约0.28 t，即280 kg。

底板钻孔采用0.6∶1 水灰比，封孔材料固结密度约2 t/m3，总质量约0.56 t，则单孔需要消耗干料约0.35 t，即350 kg。

共计5 个顶板钻孔、5 个底板钻孔，预计消耗封孔材料3 150 kg。

3.3.2 操作流程

1）安装囊袋。首先将囊袋展开，检查完好后，将囊袋塞入指定位置，外囊袋应塞入孔内0.5 m 左右，防止因孔口附近破碎导致周边漏浆。

2）搅拌制浆。封孔材料AB 料分别加入连体搅拌桶2 个桶内，先加水后加料，顶板钻孔封孔采用0.8∶1 水灰比，每16 公升水（20 kg）配1 袋料（每袋25 kg），底板钻孔封孔采用0.6∶1 水灰比，每12 公升水（15 kg）配1 袋料（每袋25 kg），纯搅拌时间不得低于3 min，搅拌均匀。

3）注浆封孔。将检修完毕的注浆泵2 个吸浆笼头分别放入2 个搅拌桶内，开泵，调小压力和流量，将管路内清水打完，管口出稠浆时，连接囊袋注浆管尾端，开始注浆，因囊袋为透水布袋，注浆初期孔内有清水流出，之后逐渐消失，加快泵速，依次注满囊袋和封孔段，当返浆管开始返浆时，停止注浆，关闭注浆管和返浆管管口，底板钻孔无返浆管，主要通过人工观察稠浆位置，从孔口流出时，停止注浆，拆除管路，彻底清洗。

4）实施方式。为避免材料浪费、提高实施效率，采用集中安装封孔囊袋、集中制浆注浆方式，10 个钻孔全部安装完毕后，再进行封孔。

4 实施效果

2022 年6 月8 日在设备、材料、囊袋等现场准备完毕后开始实施，1 个半班完成全部封孔作业，实际消耗封孔材料3 025 kg，封孔过程中浆液凝固情况良好，人员主要工作是安装囊袋和制作封孔浆液，劳动强度较小。

与其他封孔方式相比，采用黄泥卷方式，顶板钻孔难以保证封孔长度和填实率，底板钻孔难以控制封孔范围，且强度较低，水泡容易软化，封孔效率低下，封孔效果较差；采用聚氨酯类高分子材料封孔，因凝固速度快不可调，难以保证封孔长度，且遇水发泡，严重影响强度，难以达到理想效果。

封孔完成后，顶板钻孔淋水完全消失，巷道继续掘进，在掘进过程中，以及巷道后续使用的8 个月内，顶板钻孔和底板钻孔未有明显异常变化。

5 结 论

1）顶板探水钻孔封孔主要存在孔内淋水问题，底板探水钻孔封孔需要通过注浆驱替积水从孔口排出，根据要求不同，设计了双囊袋和单囊袋2 种封孔装置。

2）采用无机封孔材料，水灰比0.6∶1～1∶1，凝结时间可调，约30～180 s 失去流动性，5～15 min 完全固化，固结体抗风化、耐水泡、耐酸碱腐蚀，根据顶板钻孔和底板钻孔对浆液凝结时间要求，设计了0.8∶1 和0.6∶1 两种水灰比及封孔实施工艺。

3）现场实施表明，1 个半班完成了10 个探水钻孔的封孔作业，实际消耗封孔材料3 025 kg，封孔过程中浆液凝固情况良好，劳动强度较小，与黄泥卷封孔和聚氨酯封孔相比，技术优势明显。巷道在继续掘进过程中和后续使用的8 个月内，顶板钻孔和底板钻孔未有明显异常变化。