古交矿区奥灰封堵不良钻孔突水防治方法

收稿日期:2020-07-14
作者简介:弓金保(1981-),男,山西忻州人,地质高级工程师,从事矿井地质、水文地质方面的工作。

doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2020.09.042
古交矿区奥灰封堵不良钻孔突水防治方法
弓金保
(西山煤电集团公司马兰矿,山西古交　030200)
摘　要:古交矿区煤田勘探钻孔均不同程度揭露奥灰含水层,成为奥灰导水的直接通道,对煤矿安全生产带来隐患。

文章以马兰矿实际揭露的M94揭奥灰煤田孔为例,从揭奥灰煤田勘探孔前的钻探、物探综合勘查,到揭露后的扫孔探查、治理方案确定,直至最终注浆、封堵及效果评价的全过程治理综合技术介绍;同时对早期勘探钻孔封堵效果进行了验证,获得了可靠的关键数据,对今后类似钻孔的治理具有重要现实意义。

关键词:奥灰含水层;勘探孔;导水性;综合勘查;治理
中图分类号:TD743 文献标识码:B 文章编号:1005-2798(2020)09-0127-03
西山煤田古交矿区从20世纪50年代初开始大
规模勘探到90年代精查阶段基本结束,由多个勘探单位组织施工,其中利用煤田勘探钻孔兼做奥灰勘探孔的多达132个。

这些钻孔均不同程度揭露奥灰
含水层,成为奥灰导水的直接通道。

在生产中如何勘查其导水性,确保安全揭露,直接关系到矿井安全[1-3]。

本文通过对实际揭露的M94揭奥灰煤田孔的综合勘查及全过程治理管控,查明了该类钻孔的封孔情况和治理方法,对今后采掘揭露类似钻孔有重要的现实意义[4-5]。

1　井田水文地质条件
马兰井田位于西山煤田西北边缘,主要开采石炭二叠系山西组和太原组煤层,主要含水层自下而上有奥陶系碳酸盐岩岩溶含水层,石炭系上统太原组灰岩岩溶含水层及砂岩裂隙含水层,二叠纪下统山西组砂岩裂隙含水层,二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层和第四系松散层孔隙水含水层。

其中以太原组灰岩岩溶含水层q =0.0001~
0.0081L /(s·m)和第四系松散层孔隙水含水层q =1.3~11.79L /(s·m)为钻孔充水水源;奥陶系碳酸盐岩则重点关注峰峰组二段q =0.0025~5.011L /(s·m)与钻孔间补给。

井田奥陶系碳酸盐岩含水层赋水性强至中等,赋水不均一,对下组煤开采影响较大。

2　封堵不良钻孔揭露情况
2.1　钻孔概况
马兰矿南八采区M94煤田/水文孔为原148勘
探队于1977年1月施工,孔深634.56m,终孔进入奥灰岩层151m,主要作用是对奥灰含水层进行水文地质补充勘探,该孔为矿区补勘阶段施工钻孔,钻孔对K 4至奥灰岩段进行了取芯观测,钻孔综合质量乙级,终孔测斜6°;在《马兰勘探区精查地质报告》对补勘所有钻孔封孔说明中,均评价为封闭质量良好,钻孔顶部下木塞,煤系层段用水泥砂浆封堵。

2.2　揭露经过
2.2.1　探查方案及实施
南八运输大巷(岩巷)位于该钻孔附近,大巷底板标高908m,该区域奥灰水位905m 左右,为防止发生钻孔奥灰导水,在施工至里程1248m,距该孔46m 处停掘,采用瞬变电探测与钻探验证的综合勘探方法对M94钻孔导水性进行了探查[4],见图1。

1)　物探方法。

瞬变电探测采用多匝重叠回线方式,发射频率为25Hz,叠加次数为64次,发射线框采用多匝1.5m ×1.5m 正方形回线。

探测分水平顺层方向、水平向上30°、水平向下30°三个方
向扫描,水平方向扫描共计19个测点,扫描180°范围;另外还加测垂直方向扫描,共计11个测点,扫描顶板50°~底板50°范围。

因为瞬变电磁法特有的关断效应,使得探测中前方20m 以内的数据不可靠,形成盲区。

综合物探成果资料,视电阻率分布范围为0~100Ω·m,根据整体视电阻率分布情况,定义煤岩层视电阻率小于10Ω·m 为相对低阻异常区,推测为富水区。

对比分析4个方向上视电阻率等值线图得出:掘进头正前方及左右帮120m 范围内整体视
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电阻率值变化不大,无低阻异常区,推测为含水性较弱或不含水。

但有6处视电阻率范围在15~
40Ω·m,视电阻率值相对较低,结合相关地质资料分析,推测这些区域岩体裂隙较为发育且掘进过程中可能由于裂隙的导通会使掘进头顶板出现淋水现象,对采掘工程有一定的影响。

图1　钻孔位置示意
2)　钻探情况。

结合瞬变电探测情况,在里程1248m处施工5个钻孔对M94钻孔20m范围顶、底板进行了超前钻探控制,未发有涌水异常。

2.2.2　实际揭露经过
2017年4月20日,当允许掘进至里程1274.8m时揭露该钻孔(揭露层位为02号煤顶3m 岩层中),发现钻孔封堵不良,揭露段未封堵,钻孔上部有涌水约0.2m3/h,钻孔实际为D108mm,钻孔揭露位置与原坐标偏离25m,钻孔下部出水0.5m3/h左右。

3　治理方案及经过
3.1　治理方案
由于该钻孔终孔进入奥灰岩层151m,且位于南八采区的02、2、8号煤开准巷道施工区域附近,均位于带压区内,为防止在其它巷道施工中揭露该孔时由于封孔不良造成奥灰水害事故[5]。

结合揭露位置钻孔上下两段不同水文地质条件,确定以上、下两部分段封堵方案,具体为:在完善排水系统后,采用分段封堵法,先对钻孔进行套孔,下部至上马家沟组内30m,上部考虑后期采动影响扩孔至顶上80m;然后下止水器,分别位于上马家沟组与峰峰组间、峰峰组与煤系基底、9号线在底板以下30m 处和上部孔深80m处;每下一下止水器均进行一次水泥注浆,确保分段注浆可靠。

3.2　治理过程
1)　探扫孔。

探扫孔是探查封闭井孔前的一个重要环节,其目的是查明井孔原结构,清理孔内杂物及灰浆,为下一步封堵作业做准备。

M94号孔施工时间已经久远,据以往经验孔内可能存在掉块、杂物堆积和井壁坍塌等问题,极易造成扫孔时孔位偏离原孔。

解决办法:一是通过对钻头改进,在三翼钻头扫孔时钻具下部加2~3根D68mm钻铤(总长10~
15m),起到导向作用的同时,也提高了钻探效率;二是探扫孔过程中保持稳压匀速转进,钻压在1~ 2kN,转速稳定在75~150r/min;三是当施工中孔内出现异常如异响、进尺变慢等现象时,及时提钻、下钻取芯察看等方案,针对性解决。

探扫查明,巷道底板下260m(进峰峰组80m),地面孔深563m情况。

原孔在153.40~153.60m (峰峰组顶部位置),孔内用木塞封堵;153.60~ 154.80m峰峰组段无任何封堵物,处于空芯状态;中间局部有水泥块,至258.10~259.70m时,孔内又处于空芯状态。

2)　扫孔注浆封堵。

通过对钻孔揭露层位情况分析,在上、下两段封堵过程中采用不同止水方法,从而达到最佳封堵效果。

向下扫孔注浆时,采用止水器+配重组合体,止水器为外径90mm、长度1.7m、置深180m;配重圆钢为外径90mm、长度7m、置深7m;然后将钻具下至距止水器5~10m位置开泵注浆,并匀速上提钻具,直至孔口后上堵板加压注浆至设计压力,凝固48h。

扫孔前先用D94mm复合片钻头扫孔12.11m,再用D150mm复合片钻头扩孔12.11m;下D108mm套管12.12m,并注水泥浆封闭固井,2h 后测试打压2.5MPa,合格。

主要是预防扫孔时发生奥灰突水。

孔口管安设好后,采用D94mm三翼复合片钻
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头扫孔至260.28m(进入峰峰组80m左右),后注入水泥浆封井至220m,待48h再扫至220.05m,确认上底部水泥硬化,封孔合格;下入第一止水器和配重组合体(止水器:外径90mm、长度1.7m、置深
213m;配重圆钢:外径90mm、长度7m、置深213~ 220m),注浆封井至180m,48h后再扫孔至187.17m,确认水泥硬化,封孔合格后下第二止水器和配重组合体,注浆封井至130m,48h后探扫孔至132m,水泥已硬化,封孔合格,后下入第三止水器和配重组合体,注浆封井至底板,下部封堵结束,见图2。

图2　钻孔封堵结构示意
下部共下入止水器3个,其中第一止水器下入巷道底板下213m(进峰峰组33m),加配重,注浆;第二止水器下入巷道底板下180m(位于本溪组底部),加配重,注浆;第三止水器下入巷道底板下125m(9号煤下约15m),加配重,注浆至底板井口位置。

向上注浆前先用D94mm复合片钻头扫孔10m,再用D150mm复合片钻头扩孔10m;后下D108mm套管10m,并注水泥浆封闭固井,凝固48h后测压2.5MPa,30min内无渗水合格;目的是防止在向上扫孔过程中出现异常涌水。

扫孔采用D94mm三翼复合片钻头,向上扫孔至81.02m(其以上原钻孔仍未封好、中空),地面深度220m左右;将MNZF/A76型的中空止水器于81m,隔离上部含水层,后用逆向注浆器向上注浆至巷道顶板孔口,封堵结束。

3.3　治理创新点
1)　通过对钻头改进,在三翼钻头扫孔时钻具下部加2~3根D68mm钻铤(总长10~15m),起到导向作用的同时,也提高了钻探效率。

2)　通过在原高压注浆系统基础上增加计置排气系统,以解决向上注浆时,在井孔内形成相对密闭空间,致气压迅速升高的问题,可以及时排出气体,确保封堵注浆正常进行,见图3。

图3　逆向封堵注浆示意
3)　通过圆钢止水器与MNZF/A76型中空止水器不同特点,采用圆钢止水器封堵下部奥灰水,中空止水器封堵止部含水层水,达到最佳止水效果。

4　结　语
1)　由于历史施工测斜误差较大,钻孔测斜资料与实际施工偏差达20余米,在今后揭露类似钻孔时,要特别注意孔斜造成的钻孔偏移。

2)　从扫孔情况看,钻孔的封孔质量较差,一般仅在峰峰组顶部下木塞进行隔水,后水泥封堵,但水泥封堵质量差,全孔仅个别深度出现有水泥封堵痕迹。

今后在类似钻孔揭露或在其附近施工中一定要注意钻孔封堵质量,特别是揭露奥灰钻孔,要充分考虑揭露奥灰深度和其含水性,防止无计划揭露发生事故。

3)　该孔扫孔至上马家沟组30m后,钻孔有涌水0.5m3/h左右,为上马家沟组与峰峰组接触位置涌水,对比钻孔资料,对该孔奥灰含水层的描述基本可靠,可以做为今后奥灰带压开采的参考依据之一。

4)　在治理过程中要充分考虑钻孔孔斜问题,采用导向扫孔措施,防止发生扫孔偏斜。

5)　扫孔前要完善排水系统,充分考虑钻孔孔口承压、涌水量等因素。

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1.5∶1。

巷道浅部围岩通常可通过注浆锚杆或中空注浆管,汾源煤业各条大巷围岩破碎严重,浆液具有良好的渗流通道,因此选择中空注浆管进行注浆,沿长度方向由注浆段、封孔段及联结段组成,参考类似地质
条件下巷道围岩注浆管的设计[3-4],本次注浆采用直径20mm 的无缝钢管,管壁厚2.5mm,注浆管总长度2.5m,注浆管详细情况如图3所示。

图3　中空注浆管示意(mm)
设计注浆钻孔深度为3.0m,钻孔直径42mm,注浆孔间排距为1.6m,为防止注浆期间,临近钻孔漏浆、跑浆,设计分两次进行注浆,首次注浆注浆孔排距为3.2m,注浆孔布置如图4所示。

图4　大巷围岩注浆孔布置
5　应用效果分析
对1-101工作面对应区域的三条大巷围岩进行注浆加固后,为考察注浆效果,在注浆前后采用YTJ20型岩层探测记录仪对辅运大巷顶板进行钻孔窥视,给出不同深度较典型的围岩情况如图5所示。

由图5可以看出,注浆前,辅运大巷顶板深度0.5m
处岩层破碎严重,围岩内存在大量空隙;顶板深度
0.5~1.5m 范围内,岩层也基本全部破碎,且存在明显的离层,深度1.5~3.0m 范围内,岩层存在较大裂隙和离层。

注浆后,0~0.5m 内顶板岩层,浆液充填效果良好,0.5~1.5m 范围内,岩层内的裂
隙由浆液填充,胶结效果良好,深度1.5~3.0m 处,顶板岩层完整性良好。

综上可知,注浆加固后,大巷围岩强度明显提高,松动圈发育范围明显减小。

且加固后大巷表面无明显的变形现象,围岩整体稳定,加固效果良好。

图5　辅运大巷注浆前后顶板窥视结果
参考文献:
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[责任编辑:王伟瑾]
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[责任编辑:王伟瑾]
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