高承压、弱富水性灰岩疏放钻孔施工工艺探讨

高承压、弱富水性灰岩疏放钻孔施工工艺探讨

赵民生

赵民生

安徽省淮北矿业集团股份有限公司工程处钻探分公司

摘要：临涣煤矿10煤层煤质、煤种较好，经济效益突出，但10煤的开采受底板灰岩含水层的影响，10煤底板灰岩含水层的特点为高承压、弱富水性、不均一性，对于10煤的开采，首先要完成对灰岩水的治理，根据本矿水文地质条件，一般通过疏水降压的方式对灰岩水进行治理，因此灰岩疏放孔的施工尤为重要。

关键词：灰岩水、疏放钻孔、施工工艺

矿山水害是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害事故，其中灰岩水害最为突出，在实际生产过程中对灰岩水的治理，一般通过疏干降压降低消除“破坏力”的影响或注浆加固增加隔水层的“抗破坏能力”等手段对灰岩水进行治理，针对临涣煤矿水文地质条件及灰岩含水层——高承压、弱富水性且不均一的特点，我矿采用疏干降压的方式，对灰岩含水层进行疏降，形成“无压”或“零压”开采的结果，通过施工灰岩疏放钻孔为工作面的安全回采提供了坚实的工程保障基础。

一、适合施工疏降钻孔的灰岩层水文地质条件

1．煤层底板灰岩含水层具备可疏性

（1）煤层底板灰岩含水层的富水性不强，能够将水位降至安全水头值以下。

（2）灰岩含水层难以形成大的储水系统，且富水性较差，岩溶不发育，易于分层疏降，存在不均一，存在相对富水区，有利于布孔疏放[1]。

2．底板受开采破坏深度值较小，水文地质条件较为清晰，灰岩含水层与其他强含水层水力联系较弱[2]。

临涣矿的水文地质条件决定了灰岩水的治理方式，经过多年的灰岩含水层治理，在疏降过程对施工灰岩疏放钻孔工艺流程做以下简单探讨。

二、钻孔施工结构

根据临涣矿水文地质条件，在灰岩疏放孔的施工工艺上一般采用双层套管的形式（井下灰岩观测孔除外）护壁管加止水套管，注浆凝固后进行耐压实验，合格后，在孔口安装高压闸阀，然后进行裸孔钻进。具体钻孔结构见下图.

图1灰岩疏放孔结构以示意图

三、施工工艺

1.施工设备

钻机选用型ZDY3200S型

配用电动机YBK2-225S-437KW

2ZBQ-30/6气动注浆泵

额定排浆压力15MPa额定排浆量40L/min

BQG-150/0.2气动隔膜泵

2.施工技术要求

①开孔步骤及技术要求：开孔用Φ94mm复合片钻头钻进，换Φ113mm钻头扩孔，再换Φ133mm钻头扩孔，再换Φ168mm刮刀钻头扩孔，下Φ146mm护壁管，孔口预留200mm焊接6寸高压法兰盘，采用多次加压注浆的方式注水泥浆固管，凝固48h后，进行耐压实验；再用Φ94mm复合片钻头钻进，再用Φ113mm钻头扩孔，下φ108mm止水套管，注浆固管，凝固48小时后扫孔，进行耐压实验。

②护壁管与止水套管长度选择要求：

护壁管的长度根据岩层的破碎程度具体选择，护壁管的长度超过岩层的破坏长度，在实际工作中岩层破坏不大时，一般选择3-5m。

止水套管的长度根据底板隔水层所承受的水压选择，在底板隔水层承受的水压＜1.0MPa时，止水套管长度＞5m；底板隔水层承受的水压在1.0-2.0MPa之间时，止水套管的长度＞10m；底板隔水层承受的水压在2.0-3.0MPa之间时，止水套管长度＞15m；底板隔水层承受的水压在＞3.0MPa之间时，止水套管长度＞20m[3]。

③固管及注浆技术要求：钻孔钻进至设计套管位置采用标号为425#及以上的普通硅酸盐水泥固管，水灰比要求在0.8：1左右，进行注浆固管。一般采用孔外壁注浆，内壁返浆的方式（井下灰岩观测孔除外），下套管前先在外壁连接一细管，然后下套管，管壁四周用快速水泥封堵，套管孔口用闷盘封住，留一出口，先缓慢注浆让浆液在孔壁四周，然后在加压注浆，使浆液在从内壁流出。注浆期间注浆泵必须安设卸压闸阀与压力表，必须派有经验人员密切观察压力表，人员严禁正对孔口，并保持一定距离，人员应佩戴风镜。当发现压力表压力急剧上升时必须立刻停止注浆。如果发生堵塞、漏浆、串浆等现象，要先停泵进行处理后再注浆。

凝固48小时后，扫孔进行耐压实验。耐压试验前，必须用不低于4分的钢丝绳将孔口盘锁在锚杆上，钢丝绳至少2道，确保牢固可靠，防止套管被顶出。耐压试验的压力不少于底板隔水层压力的1.5倍,稳压时间要在30min以上，并且孔口及孔壁周围无渗水、漏水现象，视为耐压实验合格，反之要重新注浆。

④灰岩层的判定

耐压实验合格后，用Φ94mm复合片钻头钻进至设计位置。在钻进过程中根据钻孔预计单孔柱状图，在预计层位前20m前，用盐酸滴定打钻返出的岩石粉，如果岩粉冒气泡，则说明钻进至灰岩层位，然后如实记录钻进的钻杆长度及出水时的钻杆长度来判断出水的灰岩水的层位。

⑤测斜要求

一组所施工灰岩疏放钻孔中钻孔测斜钻孔数不小于50%，单孔测斜长度不小于80%。如果测斜结果达不到设计终孔要求，则必须进行补孔。

⑥封孔要求

在施工后的灰岩疏放钻孔，若有水则进行开孔疏放，在疏放孔上要安装压力表，便于观测与读数，并悬挂钻孔施工牌版，标记钻孔施工参数，初始水压及水量，施工责任人等。

对于无水钻孔则进行注浆全段封孔，并提供钻孔封孔质量记录。

四、施工经验总结

1．在施工灰岩孔前要安装高压水闸阀，因灰岩水高承压的特点，严禁使用低压水闸阀。

2.严格把握质量关，尤其是在注浆关键结点及耐压实验工序上，一旦施工钻孔进入灰岩层出水，由于灰岩水的高承压性，若注浆、耐压实验质量不合格就会造成孔壁四周出水。

3.要采取防止高压水、碎石喷射或将钻具压出伤人的措施，避免伤人事故。

4．在护壁管与止水套管的选择上，一般护壁管的孔径要远大于止水套管的孔径，方便后期的施工，在实际生产中，护壁管孔径一般选择Φ146mm，止水套管孔径选择Φ108mm，若灰岩疏放孔兼作井下观测孔，则需增加一趟孔径为Φ127mm的孔口管，孔口管的长度要在灰岩层上第一个含水层以上。

5．施工灰岩疏放孔前要检查巷道排水系统是否安全可靠，排水系统不健全的，必须整改后，方能施工。

6.钻孔施工过程中若孔内发生动力现象或者出现大量涌水、水压过大时必须立即停止钻进严禁拔出钻杆，向调度指挥中心汇报，情况危急时，由现场跟班人员指挥，有组织的按照事先制定好人员撤退路线撤退。

参考文献：

[1-2]姚多喜鲁海峰《安徽省煤矿水文地质及水害防治技术》.[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2016.10

[3]《煤矿防治水规定》.[S].北京：煤炭工业出版社，2009.