煤矿水文孔井下启封技术

＊杜仲泓 王海兵 裴建伟

（1.中国煤炭地质总局水文地质局 河北 056004

2.山西世德孙家沟煤矿有限公司 山西 036600）

我国是世界上最大的煤炭生产国家，产量约占到全球产量的2/5，但也是全球煤矿事故灾害最为严重的国家，煤矿生产安全是整个安全生产的重点，自2000年以来，我国政府已经采取了一系列举措来加强煤矿生产安全[1]。在煤炭工业不断发展下，随着煤炭工业的快速发展，煤矿水文孔井的启封问题日益引起人们的关注，需要采用启封技术，避免水文孔导通含水层产生钻孔突水事故[2]。

1.工程背景

（1）矿井概况。同忻煤矿是山西大同煤矿集团有限责任公司主要对山2、3～5号等煤层的开采生产的煤矿，位于大同市西南约20km，包含永定庄、煤峪口、忻州窑、同家梁、大斗沟五个生产矿井，井田面积65.2487km2，地质储量达到14.42亿吨，可采储量约8.54亿吨。可采煤层为5#层和8#层，主采煤层厚度为8～15m，采煤倾角为5°[3]。目前共有井口9座，主斜井全长4564m；副斜井全长4665.9m。副斜井担负全矿材料、设备及人员运输以及安全出口和入风任务。

（2）8102工作面介绍。同忻煤矿8102工作面（如图1）的采煤矿是石炭系3～5#每层，厚度在7.27～25.8m，平均厚度为16.06m，属于特厚煤层，宽度为251m，走向长1399m。老顶质地偏硬，主要是巨厚的细砂岩、中砂岩，厚度约为11.56m；直接顶地质偏软，主要是高龄质泥岩，厚度约为3.41m。在8102工作面采区的上部为同家梁煤矿未采完的实体煤层，一些应对区域为采空区，层间距为165～181m，两层间距相对较近，还存在积水问题。根据永定庄、同家梁煤矿的充水性图和探放水孔疏放情况进行综合分析，8102工作面上覆侏罗系煤层的采空区没有大面积的积水，但是一共施工探放水孔122个，工程量732m，疏放采空区积水16万立方米；利用千米水平定向钻机从8#层辅运巷向8101工作面采空区施工放水孔一个，工程量637m，排放采空区积水1万立方米，确保了8102工作面两顺槽的安全掘进。但是在钻孔完成之后，将其作为水文孔，未实施封堵。2020年开始对该孔进行启封，由于难度偏大，启封至煤层底部就无法继续下去。具体启封层未明确，结论为启封不合格，要求重新启封[4]。在8102工作面推进下，1602钻孔问题凸显出来，为了避免钻孔出现突水事故，需要对该孔实施注浆封堵操作。

图1 8102工作面平面位置示意图

（3）钻孔结构。1602钻孔：高程1268.5m；终孔深度563.8m；终孔层位K1；深度起/止407.25m/562.8m；取芯进尺156.55m。0～145m段的孔径为φ150mm；145～563.8m段的孔径为φ91mm；岔孔段孔径为φ91mm。其中0～2m采用水泥浆封闭，220～290m用水泥砂浆封闭，288～563.8m为岔孔，未封闭。

2.煤矿水文孔施工方案

（1）方案一，先从地面开始对1602钻孔进行启封操作，一直到2#煤层地区，在原岔孔位置明确未封闭的钻孔，然后启封到孔底563.8m，对其进行封闭操作。（2）方案二，在8102工作面的轨道内根据未封闭的钻孔设置两个注浆孔，采取高压注浆的方式对其进行封堵，在奥灰含水层顶部形成安全顶盖之后，在工作面顺槽采用钻探、巷探技术确定钻孔位置，再实施封堵操作[5]。（3）方案选择，结合1602钻孔实际状况分析，发现方案一施工难度大、成本高，因此采取方案二。在实施前期，在8102工作面的最低处设置正式水窝，并安装排水系统，排出钻孔内积水。

3.高压注浆技术

(1)高压注浆原理

在煤矿钻孔中，高压注浆主要是用于封堵和固化煤层中的水和瓦斯，以确保矿井的安全，其原理如图2所示。

图2 高压注浆原理图

(2)钻探

在8102工作面的轨道顺槽内设置87m和80m两个孔，详细信息如表1所示。对1602钻井内钻孔进行高压注浆操作。根据以往工作经验可得注浆扩散半径约为8m。

表1 钻孔注浆技术参数

(3)孔口安全套管长度

资料显示1602钻孔终孔位置处于奥灰含水层，根据当前地面水文观测孔奥灰水位为+3.8m，在8102工作面轨道顺槽内钻孔的开孔位置的静水压力为2.24MPa，根据相关规定，设置钻孔安全套管长度为20m。

(4)钻孔结构

由于奥灰含水层的静水压力较大，再加上各种因素的影响，钻孔需要采取双层套管的形式，采取水泥进行固结操作，还要进行压力测验。

(5)钻探质量技术要求

①钻孔的位置、倾角和深度应符合设计要求。在注浆前，由防治水工程技术人员进行测量和检查，确保钻孔的准确性，以避免注浆材料流失或无法充分填充钻孔空间。②选择适合的注浆材料，根据钻孔的地质情况和要求，选择具有良好渗透性、粘结性和耐久性的注浆材料。注浆材料应能够有效封堵钻孔，提供良好的密封效果，并具备抗渗漏和抗侵蚀的能力。③根据设计要求，注浆钻孔设置有偏差范围：开孔间距±0.1m、深度误差±0.1m、偏斜率≤0.5%。

(6)具体施工

①施工流程。A.使用杭钻650型液压钻机进行钻孔。B.初始钻进直径为φ89mm，钻进至4.5m。C.更换钻头为φ146mm，进行扩孔至5.5m。D.下入φ127mm孔口管至5.0m。E.在套管外环状间隙注入水泥浆进行封闭，使用150kg水泥，等待水泥固化24h。F.扫孔至6.0m，设置压力4MPa进行试验，检验钻孔稳定性。G.更换钻头为φ89mm，钻进至85.5m。H.再次更换钻头为φ108mm，进行扩孔至85m。I.下入φ89mm套管至85m。J.应用水泥浆填充套挂外环间隙，使用水泥：清水为1:1，各800kg。K.水泥固化，投孔至85.5m。L.进行打压试验，压力为5MPa，采用φ73mm取心钻进到终孔110.5m，确保周围无异常，打压试验合格。

②终孔结构。A.0～5.5m：φ146mm孔径，套管为φ127mm，下至5.0m，水泥浆封闭。B.5.5～85.5m：φ108mm孔径，套管为φ89mm，下至85.0m，水泥浆封闭。C.85.5～110.5m：φ73mm孔径，终孔，裸孔。

(7)注浆操作

从钻探施工结果可知该钻孔为为侏罗系太原组，全孔取心，深度为85.1～103.4m，钻孔方位角为15°，倾角为-35°，垂直厚度为6.45m，倾斜厚度为9.48m。经过测量该孔的三灰水量为11m3/h，水压为1.8MPa。

在实施注浆操作之前，需要计算注浆量，公式如下：

式中：Q为注浆量（m3）；R为浆液扩散半径（结合以往经验拟定为8m）；H为注浆长度（30m）；η为岩层孔隙率（1%）；β为浆液填充系数（0.7～0.9，本研究选取0.7）；λ为浆液损失系数（10%～30%，本研究选取10%）。

根据上式得Q=3.696m3，水泥量为5300kg。

由于该孔的启封深度为110.5m，注浆封孔采用的泥浆按照1:0.3的比例进行水灰配置，之后采用1:1的比例到达终孔，持续30min采取8MPa压力实施注浆操作。

4.钻探和巷探施工技术

（1）钻探。根据方案二要求，需要在8102工作面顺槽内设置两个钻孔进行钻探施工，设计深度40m，具体信息如表2所示。在实施钻探操作的过程中，根据《煤矿防治水细则》要求，针对钻孔应用双层止水套管，具体应用流程如下：

表2 钻孔技术参数

①钻头为φ146mm实施开孔操作，钻至5.5m。②使用φ146mm钻头进行扩孔，扩至5.5m。③下入长度5m、φ127mm套管，外露0.2m。④使用树脂封堵孔壁间隙，并将导气铁管预埋于套管中。⑤进行大于4MPa的压力实验，确保注浆固管合格。⑥注浆固管合格后，更换φ110mm钻头继续钻至16m。⑦下入φ90mm套管。⑧套管注浆，压力实验。⑨更换钻头为φ73mm，钻至40m。⑩探查两钻孔，确认无涌水。

（2）巷探。在8102工作面皮带顺槽内设置1224巷探，采用全煤综放开采方式。根据设计，巷探断面为矩形，全长31m，包括三个部分。断面1：荒高、荒宽分别为2.6m、3.2m，设计长度为23m；断面2：荒高、荒宽分别为2.6m、5m，设计长度为7m；过渡段：荒高、荒宽分别为2.6m、5m，设计长度为1m。

具体流程如下：①根据表2中钻孔1的开孔位置，采取122°方位角进行就巷道掘进操作。②根据设计要求，沿着钻孔煤层顶板掘进6m。③根据+8°倾角和8102工作面轨道皮带顺槽14号底板，继续根据①②流程掘进31m。

以上步骤和措施确保了巷道的掘进方向、断面规格和底板顺齐，以满足设计要求并保障巷道的安全和稳定。

5.钻孔封堵

根据122°方位角、+8°倾角对8102巷道进行探查至30m的位置，结果显示1602钻孔、钻孔套管完整，无漏水状况，采用全站仪测量，明确钻孔具体坐标，然后进行钻孔封堵操作：

①在钻孔壁上设置一个直径为50mm的通道，接入高压注浆直通阀，并采用专业性设备通过其中，确保钻孔内部的通畅性；②设置压力表，监测水压为2.48MPa，选择水样进行检测；③钻孔内的积水通过通道进行释放，时间为24h，容量为210m3，这时水压依旧为2.48MPa；④钻孔注浆封孔，浆水灰比例为1:0.3，后期调制至终孔的比例为1:1。注浆的压力设定为8MPa，持续时间为30min，总共使用了6000kg的水泥进行注浆；⑤经过24h的凝固后，应用人工模式对钻孔至煤层底板以下1.0m位置进行切割；⑥应用盖帽封堵钻孔下部套管，并在上方浇筑0.6m厚度的混凝土；⑦钻孔封堵工作完成，保证矿井的安全生产。

6.结论

总之，针对煤矿水文孔实施井下启封技术，采用高压注浆法能够有效解决，并通过钻探和巷探和封堵操作，对钻孔进行有效封堵，这种技术工艺应用较为简单，而且施工质量较高，能够避免造成其他方面的损害，经济效益较高。