煤矿井下探放水钻孔安全施工

煤矿井下探放水钻探的施工

朱明诚

煤矿井下探放水钻探施工现场布设一般如下图所示：

1-泥浆泵 2-蓄浆池 3-泥浆搅拌机 4-流量调节阀 5-泥浆管道6-水龙头 7-钻机

8-钻杆 9-防突封孔器 10-高压闸阀 11-孔口管 12-钻孔 13-钻杆逆止阀14-钻头

图1煤矿井下探放水钻探施工现场布设图

与一般地面钻探不同，煤矿井下探放水钻探施工钻孔由于施工地点在地表以下，常常会受到突然钻到含水构造后的高压水水害威胁。钻孔如果预防措施不足，就会造成施工人员伤害、施工安全失控的事故。更严重的会造成由于探放水钻孔施工导致淹井事故。这类事故以前在多处矿山发生过。因此，煤矿井下探放水钻探施工比其他钻探施工多了钻孔孔口防突及保护措施。上图中，就有孔口管安设、防突封孔器与高压闸阀二级孔口防护、钻杆逆止阀防突等钻孔施工的水害预防措施。

与一般地面钻探相同的是，煤矿井下探放水钻探施工钻孔根据地层条件的不同，需选用不同的钻进方法、破岩钻头材料及配套工艺。

煤矿井下探放水钻探在接到施工任务书后，一般需按照以下的工艺流程进行。

图2煤矿井下探放水钻探工艺流程

钻孔设计是在煤矿探放水施工中有着特殊的意义，主要包含以下内容：

探放水地点区域的水文地质条件预报。其应包含探查水害的类型、水头高度（水压）、积水量、与其他含水层（积水区、地表水体）的水力联系等。

探放钻孔孔口安全装置及耐压要求、止水管长度、固结要求和施工技术要求等。

受水威胁地区信号联系和避灾路线。

通风措施和瓦斯检查制度，要制定防止在探水过程中瓦斯或其他有害气体涌出的防治措施。

防排水设施，如防水密闭、水闸墙等设计及水仓(窝)、水泵、管路、水沟等排水系统及能力的具体要求和安排。

钻探及放水安全施工技术措施、水情及避灾联系汇报制度、灾害处理措施和交接班制度等。

钻孔参数的设计。主要包含钻孔开孔位置，钻孔倾角，钻孔方位角，钻孔预计深度等设计。

钻孔结构的设计。主要包含钻孔的开孔孔径及深度，孔口套管分级、直径及安设长度，钻孔中间孔径变化及深度，钻孔终孔孔径等设计。

钻进规程的制定。主要包含采用的钻进工艺方法（回转、冲击），采用的钻头破岩材料（硬质合金钻头、金刚石钻头等）以及与其配套的钻压、转速、冲洗液参数的制定。

钻孔施工的效率受到多因素的影响和制约。这些因素包括不可控因素和可控因素。不可控因素指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性及其埋深等；可控因素指通过一定的设备和技术手段可以进行人工调节的因素，如钻头类型、钻压、转速、冲洗液性能等。

与地表施工不同，井下承压含水层钻进因含水层水位往往超出孔口，如措施不当可能会造成突发性涌出高压水或有害气体的灾害。并且钻进中需控制钻孔涌水量。探放水钻孔应安设钻孔安全装置。

1钻孔孔口管的要求和固定方法

孔口管的作用就是固定在钻孔孔口，安装上阀门，控制钻孔涌水量。根据其作用提出孔口管的选择、孔口管长度、孔口管固定方法和耐压试验等问题。

井下探放水是否安全主要还是看孔口管长度、固定方法是否能满足要求。

探放水钻孔孔口管的一般选用地质钻孔套管管材，孔口管的长度根据钻孔可能遇到的最高水压、钻孔孔口岩石条件等因素按《煤矿防治水规定》[13]经验值选定，见表1。

表1岩层中探水钻孔止水套管长度

探放水钻孔孔口管材质为地质勘探用无缝钢管（前有代号DZ），上部与法兰盘焊接，管壁外以6#铅丝（或其它可替代金属丝）缠绕，并用电焊焊牢。孔口管下部切割为锯齿状，以便于固管时出浆。孔口管装置见图3。

锯齿状出浆口

6#铅丝及焊点

法 兰 盘麻丝、填料

图3探水钻孔孔口管装置示意图

探放水孔口管施工及安装程序如下：

1）选择岩层坚硬完整地段开孔，孔径应大于孔口管直径1～2级，钻至预定深度后，将孔内冲洗干净，将孔口管外壁焊上扶正肋骨片后放入孔内。

2）孔口管的安装与固定主要由以下几种方法：

（1）水泥浆或砂浆固管套管封孔方案

这是目前最常用的探放水钻孔孔口固管方案。其特点是材料来源方便，价格低廉，封堵可靠，可与注浆工艺结合施工。但其缺点是凝胶时间较长。具体方法为：对于向下钻孔，向孔内注入水泥浆，将预先准备好的孔口管放入孔内；对于水平或向上钻孔，在孔口管插入孔内后，在孔口部分用掺水玻璃的水泥浆将孔口管固定封死，在孔口管外预留留1~2个注浆小管，然后，从注浆小管向四周压入水泥浆，待从孔口管跑出浓水泥浆时即将小管封死，待水泥浆凝固。

（2）树脂固管套管封孔方案

这是目前也比较常用的探放水钻孔孔口固管方案。其特点凝胶时间较短，封堵可靠。但需另外准备材料，价格较高。

（3）丁腈橡胶圈或聚氨酯橡胶圈封孔方案

其特点为施工速度快，可在地面事先进行设计与制作，减小了井下施工强度与时间。但其对围岩条件要求较高，太软与太硬都不行，仅适用于较低压力（2MPa 以下）的较大数量探放水钻孔的施工。

3）水泥浆固结后扫孔，其深度超过孔口管长度0.5~1m 后，向孔内压水。试验压力大于孔口管末端静水压力的1.2倍或超过预计放水时水压时，孔口管周围不漏水时，说明符合要求，否则需要重新注浆加固。

如孔口围岩条件非常差（松软、破碎），围岩条件较好地段距孔口较远，则应先考虑采用加固孔口围岩后进行孔口防突方案。如困难太大则需采用深孔或孔中分段防突方案。深孔封堵防突方案一般采用胶囊与组合阀门进行，只能在揭露水气害后方可进行，仅适用于较小水气量探放水钻孔的施工。要事先对孔中地质条件进行详细分析，选好封堵位置，做好预防预案。

2钻进中的防突控制

探放水安全装置由孔口管、防突封孔器、孔口高压阀和钻杆逆止阀(必要时安装)等组成，见图4。

图4 探水孔孔口安全装置示意图

1－钻杆；2－防突封孔器；3－孔口高压阀；4－孔口管；5－钻杆逆止阀；

6－钻头；7－地层；8－截止阀（排渣、水压测量、注浆用）探放水钻孔钻进施工中，先行在孔口安装大直径孔口高压阀，并将钻杆逆止阀安在钻头后面，以便遇高压水及有害气体时带压卸钻具，钻头入孔后，安装防突封孔器，但不要旋紧，以减小钻具扭矩损耗。打开封孔器旁路截止阀开始钻进。钻进过程中，如遇水、气突出，关闭旁路截止阀，调整防突封孔器松紧以进行可控制逐步卸出钻具。最后卸钻头时要注意先关闭大直径孔口高压阀，后将防突封孔器前法兰放松与钻头一并卸出。期间可在封孔器旁路截止阀处安置三通管路进行钻孔内压力监测。钻孔施工完成后，可在大直径孔口高压阀外安装管线以便进行可控放水或注浆封闭钻孔。

3 探放水钻孔的封孔技术

在完成预定任务的探放水钻孔可能作为后期不良导水钻孔的情况下，必须进行封孔处理。如探断层水的钻孔，若断层水来自强含水层，通过留设防水煤柱预防导水断层，则要求注浆封闭钻孔。