井下探水钻孔动水条件下注浆治理

常英俊

(霍州煤电集团公司，山西 霍州 031400)

探水钻孔突水是水文地质条件复杂的带压开采矿井经常发生的具有一定危害性的安全隐患。如果长期不治理，会增加排水费用，甚至引发突水事故。因此，对于较大涌水量的钻孔，应该采取适当的治理措施进行封堵。目前，钻孔突水治理一般均采用水泥注浆，这种方法成本较低，但是对于水压较大的钻孔突水，由于水泥凝固时间较长，导致堵水效果较差。为此，采用能与水发生反应的高分子化学浆作为堵水材料，缩短浆液凝固时间，进而对钻孔进行有效的封堵。

1 矿井及出水位置概况

兴盛园煤业为霍州煤电集团所属资源整合矿井，批准开采1#、2#、10#、11#煤层，井田面积为6.425 7 km2，为带压开采矿井，主采煤层为山西组1#、2#煤层。1#、2#煤层矿井水文地质类型中等，10#、11#煤层矿井水文地质类型复杂。

该煤矿为了安全生产，在强排硐室开口处进行了超前探水，根据瞬变电物探圈定的两个异常区，进行了钻探验证(探水钻孔布置见图1).3#探水钻孔施工至41 m 时钻孔出水，水没有异味，涌水量约为35 m3/h.0 ～19.7 m 是岩层，19.7 ～22 m 是煤，22 ～41 m 是岩层(3#钻孔岩层图见图2).3#探水钻孔出现涌水后，关闭孔口管阀门，进行了试压，压力表升至0.6 MPa，钻孔附近的巷道壁后出现泄漏水，采取水泥注浆处理后未能封堵住涌水，涌水量最大时达65 m3/h.

图1 强排硐室开口处探水钻孔布置剖面示意图

图2 3#钻孔岩层图

2 突水机理

2.1 煤层顶底板岩性

开采煤层为2#煤，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩、细砂岩。2#煤层顶、底板直接含水层为砂岩含水层，单位涌水量平均为0.009 2 L/s·m，属弱富水含水岩组。2#煤层的间接含水层为太原组灰岩(K2、K3、K4)和奥灰，太原组灰岩含水层(组)单位涌水量为0.156 L/s·m，富水性中等;奥灰含水层单位涌水量为0.140 L/s·m，富水性中等。2#煤层底板直接含水层为弱富水含水岩组，K4 灰岩含水层是2#煤层底板突水的间接充水因素，距孔口约33 m.探放水钻孔技术参数见表1.

表1 探放水钻孔技术参数表

2.2 突水水量分析

钻孔初始涌水量为35 m3/h，最大涌水量为65 m3/h.根据涌水量变化曲线(见图3)分析，涌水量可以划分为4 个阶段，即:

Ⅰ阶段—涌水量由初始35 m3/h 骤增，是由于受到瞬时水压和静储量的影响，使得涌水量增加。

Ⅱ阶段—涌水量逐渐减少，由于K4 灰岩含水层富水性不均一，含水层内部补给有缓冲时间，不能及时补给钻孔，使得涌水量开始减少。

Ⅲ阶段—由于钻孔水得到补给，涌水量开始增加，直至最大涌水量65 m3/h.

Ⅳ阶段—最后稳定在60 m3/h 左右，含水层内部形成稳定的补给条件，使得涌水量趋于稳定。

2.3 水质类型对比分析

根据已有霍州矿区水质资料，太原组灰岩含水层组的富水性不均一，水质类型较复杂，一般以HCO3·Cl－Ca 型、HCO3－Na、HCO3·SO4－Ca·Mg 型为主，矿化度为0.5 ～1.5 g/L. 经取兴盛园煤业强排硐室3#探水钻孔水水样化验得知，该钻孔水化学类型为HCO3·SO4－CaMg(Na)，总矿化度为1.1 g/L.因此，该钻孔涌水水源应为太原组灰岩水。

图3 涌水量与时间的关系曲线图

2.4 构造发育情况分析

根据矿井采掘巷道及物探、钻探情况，强排硐室掘进过程中没有揭露断层、陷落柱等构造现象，只是探水钻孔钻进至K4 灰岩层时发生了突水。因此，可以说明钻孔内涌水是由于钻进打通了K4 灰岩含水层，导致发生突水事故。

综合对比分析出水点位置情况、顶底板岩性、主要含水层、突水水量、水质类型以及构造发育情况，可以判定该处突水事故是由探水钻孔打通含水层引起的钻孔涌水事故，涌水水源为K4 石灰岩水，涌水通道为探水钻孔。

3 堵水方案设计及实施

3.1 设计方案的优选

封堵钻孔涌水的方法主要有两种:通过一定方法在一定深度注浆堵水;从巷内壁后注浆封堵出水点。

本次优选方案是在一定深度注浆堵水，即从钻孔内完整并隔水的岩层部位进行封堵。选择这种方法的原因是:由于强排硐室处的巷道壁后为软岩层或煤层，出水裂隙分布不匀，采取壁后注浆后涌水会从其它地方窜出，不能从根本上将涌水进行全封闭。从钻孔内完整并隔水的岩层部位进行封堵，采用化学浆液将裂隙填充和固结软岩层或煤层，避免注浆后涌水从其他地方窜出，从根本上将涌水封闭在涌水岩层内。

钻孔注浆堵水施工图见图4.

图4 钻孔注浆堵水施工图

3.2 钻孔扫孔及打捞钻杆

由于通过钻杆注浆时尚有24 m 钻杆存于钻孔内，因此，应用专用工具对其进行打捞，然后用D110扩孔钻具，从上至下对钻孔进行扩孔，便于下一步注浆施工。

3.3 下止浆管

钻孔扩孔后，往孔内放特制的止浆装置。止浆管位置选择在岩层稳定隔水的层位，根据现有地质资料确定在5#煤下面的砂质泥岩和泥岩(21 ～25 m)处。

3.4 注浆

1)注浆材料。采用高分子化学注浆材料，该材料黏度低、可注性好，能注入岩土层中的细小裂隙或孔隙并形成良好的扩散充填，能与水发生化学反应，瞬间生成胶体，与围岩结合形成永久性的隔水体。

2)注浆压力。P终压=(水头压力2 ～3 倍)=3 ×0.4 MPa =1.2 MPa

3)注浆机具。专用化学注浆泵及配套管路阀门。

4)注浆量。依公式V=λπR2Lпβ 计算或按实际注浆量计算。式中:

V—注浆(化学浆液)量，L;

π—取3.14;

λ—浆液损失系数，可取0.1 ～0.3;

R—浆液扩散半径，m;

L—注浆孔深度，m;

п—岩体裂隙率，可取0.5% ～3%;

β—浆液在孔隙内的有效充填系数，可取0.85.

相关数据代入公式，计算得出V=1 500 kg.

5)注浆原理。利用气动注浆泵将化学浆压入钻孔中，该化学浆能与水发生反应，瞬间变为乳状胶体，利用气压将其顶入钻孔周围的裂隙中，与围岩结合形成永久性的隔水体，从而达到封堵钻孔涌水的效果。

6)注浆结束标准。注浆量达到设计值或孔口返出浓浆为结束标准。

3.5 方案实施

安装钻机→扩孔、打捞钻杆→下止浆管→注浆→结束。

3.6 注浆效果的检查

经注浆堵水施工后，钻孔及周边无渗漏水即为合格。

4 封堵效果

前期采用常规水泥注浆，由于水压较大，水泥凝固时间较长，无法对动水条件下钻孔水进行有效封堵，且成本高。采用化学浆封堵后，孔内不再涌水，周边无渗漏水，说明涌水层位得到彻底封堵。

5 结 语

1)此次探水钻孔出水是由于揭露了含水层，突水形成后按照以往的水泥注浆进行处理，没有考虑到情况的特殊性，致使水量逐渐增大，造成煤矿安全生产隐患。

2)对于动水条件下，具有较大水压钻孔涌水的治理，采用能与水迅速反应的高分子化学浆比常规水泥注浆堵水效果好，且经济、高效。

3)工作面出水要重视水质化验分析，及时收集整理矿井各含水层的水质资料，发生突水时，做好资料对比分析，利于矿井水害的预防和治理。

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