焦煤集團(tuán)九里山礦一三采區(qū)注漿堵水鉆孔布置及施工工藝

李海偉 武成周 李利娟

【摘 要】九里山礦突水均發(fā)生在煤層頂板涌水是由于工作面的回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的。依據(jù)突水水源及地層構(gòu)造特征制定本次注漿思路為：充填底礫巖空隙及加固基巖風(fēng)化帶裂隙。在該思路的指導(dǎo)下，確定了注漿堵水的鉆孔布設(shè)、鉆具組合、鉆進(jìn)方法等。經(jīng)過注漿施工，九里山突水工作面出水量減至正常生產(chǎn)采排水平。

【關(guān)鍵詞】頂板突水；注漿研究；施工工藝

中圖分類號(hào)： TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.083

1 概況

一三采區(qū)位于九里山礦一水平最東翼，1987年投產(chǎn)，2008年10月回采結(jié)束。地面標(biāo)高+98米，井下標(biāo)高-45～-215米，采區(qū)走向長(zhǎng)1400米，傾斜寬600米，煤層厚度5.02米，地質(zhì)儲(chǔ)量948萬噸，累計(jì)采出煤量393萬噸，整個(gè)采區(qū)分5個(gè)區(qū)段進(jìn)行了回采，采煤方法采用走向長(zhǎng)壁分層開采方式。

1.1 突水點(diǎn)情況

一三采區(qū)共發(fā)生了8次突水（詳細(xì)情況見突水點(diǎn)卡片），均為頂板突水，大的頂板突水均發(fā)生在一三采區(qū)的東翼13011工作面和煤柱工作面，13011工作面和煤柱工作面涌水是由于工作面的回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的，13011工作面以下其它工作面的涌水其根源和通道均來源于13011工作面和煤柱工作面上部突水水源。目前一三采區(qū)總水量4.0m3/min，其中東翼為3.5m3/min，西翼水量為0.5m3/min。

1.2 突水點(diǎn)處地層

一三采區(qū)主要地層為奧陶系、石炭系、二疊系、第三四系。簡(jiǎn)介如下：

奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（O2）：由石灰?guī)r組成，厚度450米左右。

石炭系本溪組（C2b）：由灰色鋁土、砂巖組成，含黃鐵礦。厚度9米左右。

石炭系太原組（C2t）：由砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤組成。厚度84米左右。

二疊系山西組（P1sh）：由粉砂巖、砂巖、泥巖和煤組成。厚度51米左右。

第三、四系（Q）：由黃土、紅土、礫石、礫巖層組成。厚度110-119米。其底部有一層厚3-5米的底礫巖，含豐富的地下水，底礫巖上部有一層隔水的紅色粘土層，厚約5米左右。

1.3 突水點(diǎn)處構(gòu)造

一三采區(qū)為單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡(jiǎn)單，在該區(qū)東部由于方莊斷層的牽引煤層呈向斜構(gòu)造，整個(gè)采區(qū)僅有一條0.6-3.0米的斷層，走向67°，傾角平均70°，傾向南東，該斷層斜穿整個(gè)一三采區(qū)。

1.4 本次注漿堵水的思路

充填底礫巖空隙及加固基巖風(fēng)化帶裂隙是本次注漿堵水的基本思路。二疊系山西組基巖風(fēng)化帶與第三、四系底礫巖呈假整合接觸，使第三、四系底礫巖含水層的水源源不斷的通過風(fēng)化帶的裂隙和冒落帶的裂隙通道進(jìn)入礦井。第三、四系底礫巖厚3-5米，含有豐富的地下水，是本次注水泥、粉煤灰漿液的主要目的層，其上有5米左右的粘土隔水層，突水點(diǎn)處才具備注漿堵水條件，用粉煤灰漿液充填含水層的空隙，把水?dāng)D走，以達(dá)到治本的目的，由于隔水層的存在，底礫巖相對(duì)封閉，不至于用料量太大。其下的基巖風(fēng)化帶裂隙與開采形成的冒落裂隙已經(jīng)串通，把底礫巖的水導(dǎo)入礦井，因此基巖風(fēng)化帶導(dǎo)水裂隙和開采冒落帶裂隙通道也是本次治理的對(duì)象，對(duì)此應(yīng)以水泥漿為主，把導(dǎo)水裂隙堵死，使底礫巖的水不能進(jìn)入礦井，以達(dá)到治標(biāo)的目的。

通過以上的堵水思路要達(dá)到堵住淺部底礫巖的水進(jìn)入礦井，同時(shí)截?cái)嗌畈宽敯迕奥淞严稁Щ鶐r風(fēng)化帶裂隙的溝通，使底礫巖強(qiáng)含水層的水不具備進(jìn)入礦井的通道，以達(dá)到由于工作面的回采造成頂板冒落，其裂隙帶不能與底礫巖強(qiáng)含水層的水溝通，防止淹掘進(jìn)頭進(jìn)水甚至淹井事故的發(fā)生，改善一三采區(qū)頂板含水層及含水層補(bǔ)給通道水文地質(zhì)條件。

1.5 地面鉆孔布置及鉆孔結(jié)構(gòu)

該工程根據(jù)井下突水點(diǎn)位置在地面布置鉆孔，加固一三采區(qū)東翼13011工作面和煤柱工作面回采造成頂板冒落，裂隙帶與沖積層溝通而引起的頂板上部突水水源及通道。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)具體情況如下：

用Φ152mm開孔，鉆進(jìn)至底礫巖下Φ133mm套管止水注漿，全孔灰漿固管，檢驗(yàn)止水效果，然后在底礫巖段注漿，然后再用Φ108mm孔徑鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)地層位置注漿。

鉆孔施工過程要求鉆具配置合理，保證鉆孔的垂直度，并做好簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)工作。

2 施工場(chǎng)地布置及要求

2.1 道路

至井場(chǎng)的道路，寬度為8m， 15m長(zhǎng)貨車能進(jìn)出自由，保證鉆機(jī)搬遷車正常通行。道路路基壓實(shí)，中間略高兩側(cè)略低，有排水溝，不影響雨季施工。

2.2 井場(chǎng)

井場(chǎng)為30×30m正方形，方便設(shè)備進(jìn)出、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以及鉆井液凈化設(shè)備的安裝。泥漿池根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況建造，不影響交通和設(shè)備進(jìn)出。

鉆場(chǎng)場(chǎng)面平整，虛土部分軋實(shí)，對(duì)鉆塔底座進(jìn)行挖方、以利鉆塔設(shè)備安裝平整。

井場(chǎng)四周建泄水溝、圍土堰，以備雨季防洪。

2.3 注漿站

注漿站布置在注漿區(qū)域中部，盡量減少壓力損失。場(chǎng)地面積為30×30m。

3 鉆探施工技術(shù)

3.1 鉆具組合

鉆具組合應(yīng)力求合理，并考慮鉆具的垂直性及鋼性，根據(jù)“長(zhǎng)、直、粗、重、剛”的原則，做到下部粗重長(zhǎng)直，以利防斜和提高鉆效。

組合順序（自下而上）：

Ф110mm鉆頭—Ф89mm加重鉆鋌（9米左右）—Ф68鉆鋌（70米左右）—Ф50mm鉆桿。然后逐級(jí)擴(kuò)孔至Ф152mm，置入Ф133mm護(hù)壁兼注漿管。

Ф110mm取心鉆頭—Ф94mm巖芯管（4.5米左右）—Ф68鉆鋌（70米左右）—Ф50mm鉆桿。

3.2 鉆進(jìn)方法

根據(jù)本礦區(qū)的地層地質(zhì)特點(diǎn)，為優(yōu)質(zhì)高效地完成施工任務(wù)，本次設(shè)計(jì)以PDC鉆進(jìn)為主，硬質(zhì)合金、金剛石鉆進(jìn)為輔的鉆進(jìn)方法。見表1

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)見下表2。

3.4 沖洗液與護(hù)壁

（1）沖洗液的選用

粘土粉：鈉土粉。

聚丙烯酰胺：高分子量，優(yōu)質(zhì)。

纖維素：中高粘度。

優(yōu)質(zhì)燒堿、純堿，優(yōu)質(zhì)腐植酸鉀等各種護(hù)壁劑。

根據(jù)地層特征，配制不同指標(biāo)的化學(xué)泥漿。見下表3。

（2）沖洗液的凈化

循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)度不少于15米。每1.5米加1擋板，觀測(cè)池用2立方米的標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)池。每趟鉆都要及時(shí)清理循環(huán)槽的沉渣，鉆進(jìn)時(shí)采用除砂器進(jìn)行機(jī)械除砂。如泥漿老化，性能指標(biāo)無法保持，則徹底換漿。

3.5 防斜措施

根據(jù)本區(qū)的地層情況，采用防斜措施如下：

（1）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，不準(zhǔn)隨意改變?cè)O(shè)計(jì)的各種技術(shù)參數(shù)。

（2）把好安裝關(guān)，鉆塔安裝一定要平整牢固，做到三心照。

（3）把好開孔關(guān)，保證開孔要垂直。

（4）把好鉆進(jìn)關(guān)，正常鉆進(jìn)三班的技術(shù)參數(shù)要基本一致，巖芯管不得短于4.5米，彎曲鉆具不得下入孔內(nèi)，鉆鋌重量大于鉆頭所需壓力的30%。

（5）鉆壓不得超過鉆鋌的自重壓力，嚴(yán)禁鉆進(jìn)過程中用鉆桿加壓。

4 套管固結(jié)

Ф110mm鉆頭開孔，見底礫巖擴(kuò)孔至152mm下入Ф133mm護(hù)壁兼注漿管，，壁厚4.5mm。全管外圍進(jìn)行水泥漿固管，待凝固后必須在孔口進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)的壓力不小于含水層靜水壓力的2倍，持續(xù)耐壓時(shí)間不少于30分鐘，不合格必須重封，合格后才可以二級(jí)取心鉆進(jìn)，最大抗壓能力要與注漿終孔壓力相匹配，即不低于含水層靜水壓力的2倍，套管固井合格后，即成井可開始注漿。