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        城郊煤礦井下水文長(zhǎng)觀孔施工技術(shù)

        2016-06-16 06:47:47王傳永李向陽
        現(xiàn)代礦業(yè) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:施工

        臧 彬 王傳永 李向陽 汪 佩

        (河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦)

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        城郊煤礦井下水文長(zhǎng)觀孔施工技術(shù)

        臧彬王傳永李向陽汪佩

        (河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦)

        摘要為收集城郊井田石炭系太原組各灰?guī)r含水層相關(guān)水文地質(zhì)信息,補(bǔ)充太原組灰?guī)r上、中、下各段水文資料,同時(shí)兼做井下供水水源,在井田西北翼施工石炭系太原組下段灰?guī)r水文長(zhǎng)觀孔。鉆孔自上而下需穿過L11~L2共10層灰?guī)r,且鉆孔傾角大、套管長(zhǎng),施工難度大。通過實(shí)施導(dǎo)向開孔、防墜器下管、淺部注漿加固、逐層注漿等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔施工各環(huán)節(jié)的有效掌控,保障了順利施工,提高了鉆孔的施工質(zhì)量和施工效率,確保了后期觀測(cè)效果,從而為礦井水害防治工作提供了可靠的依據(jù),也為礦井后續(xù)水文觀測(cè)孔和供水孔的施工提供了借鑒。

        關(guān)鍵詞長(zhǎng)觀孔淺部加固逐層注漿水害防治

        煤礦井下水文長(zhǎng)觀孔是直接設(shè)于井下,從巷道垂直向深部含水層施工,長(zhǎng)期觀測(cè)含水層水位的鉆孔[1],相較于地面水文長(zhǎng)觀孔,井下水文長(zhǎng)觀孔具有施工成本低、易保護(hù)、可兼做供水水源、不留或少留煤柱等優(yōu)點(diǎn)[2]。通過井上、下分別布置多個(gè)長(zhǎng)觀孔,可建立起井上、下水文觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè),掌握其水位、富水性等變化情況,從而為礦井水害防治工作提供可靠的依據(jù)。

        1工程概況

        城郊煤礦于2003年正式投產(chǎn),2009年核定生產(chǎn)能力為500萬t/a,主要開采二疊系山西組二2煤層,采用立井兩水平上下山開拓方式,混合式通風(fēng)系統(tǒng)。礦井水文地質(zhì)類型為中等,屬瓦斯礦井。

        城郊井田經(jīng)過十多年的開采,水文地質(zhì)條件日趨多變。為收集井田石炭系太原組各灰?guī)r含水層相關(guān)水文地質(zhì)信息,補(bǔ)充太原組灰?guī)r上、中、下各段水文資料,為井田西北翼防治水工作提供可靠的水文地質(zhì)依據(jù),同時(shí)兼做井下供水水源,結(jié)合礦井水文觀測(cè)孔分布現(xiàn)狀,決定在西北軌道運(yùn)輸巷內(nèi)施工太原組下段灰?guī)r長(zhǎng)觀孔。

        2長(zhǎng)觀孔設(shè)計(jì)

        2.1施工層位選擇

        鉆孔布置在西北軌道運(yùn)輸巷530 m處鉆場(chǎng)內(nèi),開孔層位為二2煤層底板下23 m的細(xì)粒砂巖中。鉆孔終孔選擇進(jìn)入太原組下段L2含水層底部,根據(jù)井田勘探資料,L2含水層(K2標(biāo)志層)賦存穩(wěn)定,且厚度大(約10 m),富水性強(qiáng),預(yù)計(jì)鉆孔實(shí)際涌水量不小于50 m3/h,孔口水壓不小于2.5 MPa。鉆孔自上而下預(yù)計(jì)將揭露石炭系太原組L11~L2共10層灰?guī)r含水層(圖1)。

        2.2鉆孔結(jié)構(gòu)

        為確保鉆孔施工質(zhì)量和服務(wù)年限,鉆孔設(shè)計(jì)下入2級(jí)套管,一級(jí)管和二級(jí)管分別為φ127 mm、φ108 mm無縫不銹鋼鋼管,全孔采用無芯鉆進(jìn)。 結(jié)合水文觀測(cè)和供水需要,鉆孔終孔前揭露的L11~L2含水層將采用逐層注漿技術(shù)封堵,而L11~L8含水層段將下入φ108 mm無縫不銹鋼套管隔絕,以封堵其與下部含水層之間水力聯(lián)系。

        2.3鉆孔參數(shù)

        根據(jù)鉆孔平面布置以及開孔和終孔層位計(jì)算鉆孔施工方位、傾角、孔深及套管長(zhǎng)度,見表1。

        2.4施工工藝

        鉆孔施工工藝:開孔→下套管→埋管→做耐壓試驗(yàn)→淺部加固→鉆進(jìn)→出水注漿→終孔起鉆→安壓力表→觀測(cè)。鉆孔施工工藝各環(huán)節(jié)既是獨(dú)立的,也是有機(jī)統(tǒng)一的整體,任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)狀況都將影響鉆孔施工質(zhì)量乃至后期觀測(cè)效果[3]。

        3水文長(zhǎng)觀孔施工

        3.1前期準(zhǔn)備

        施工前在鉆場(chǎng)安裝專用防爆電話,嚴(yán)禁占用。結(jié)合礦井實(shí)際,本次施工選用一臺(tái)ZBSB-32~120/10.5~3型注漿泵、一臺(tái)ZDY1900S型液壓鉆機(jī)及配套φ63.5 mm鉆桿。

        圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)及柱狀圖

        方位/(°)傾角/(°)孔深/m終孔層位套管規(guī)格(孔徑×長(zhǎng)度)/mm×m11.5-70170L2含水層底部?127×14,?108×60

        3.2導(dǎo)向開孔

        鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)鉆、開孔,鉆孔實(shí)際方位、傾角與設(shè)計(jì)值誤差不得超過±0.5°。采用φ134 mm鉆頭開孔2 m后,及時(shí)下入φ127 mm導(dǎo)向管,待一級(jí)管埋好后,采用φ113 mm鉆頭帶φ108 mm導(dǎo)向管繼續(xù)開孔,待二級(jí)管埋好后,采用φ75 mm鉆頭正常鉆進(jìn),直至設(shè)計(jì)終孔位置。

        3.3防墜器下管

        (1)鉆孔下管前要反復(fù)順孔、洗孔,待孔內(nèi)巖粉沖洗干凈后方可按設(shè)計(jì)要求下管。如孔內(nèi)破碎,可適當(dāng)延長(zhǎng)套管長(zhǎng)度。

        (2)下管前要對(duì)每根套管絲扣詳細(xì)檢查,且保證絲扣不變形。接箍與套管對(duì)接時(shí),絲扣處要纏繞生料帶,確保套管密閉質(zhì)量,達(dá)到“滴水不漏”。

        (3)由于鉆孔設(shè)計(jì)傾角達(dá)-70°,且二級(jí)管下管達(dá)60 m,按照每根20 kg計(jì)算,則隨著下管不斷增加,套管自重逐漸增大至1 200 kg。為了防止下管過程中套管墜入孔內(nèi),需使用倒鏈配合套管防墜器(圖2)進(jìn)行下管。

        3.4固管及耐壓試驗(yàn)

        (1)加固套管前首先使用井下注漿泵向孔內(nèi)注P.O42.5水泥單液漿,水灰質(zhì)量比為1∶0.5,漿液密度為1.28 g/cm3,待孔口返出灰漿后,向孔內(nèi)注入水灰質(zhì)量比為1∶0.8、密度為1.42 g/cm3的水泥單液漿,待孔口返出水泥漿變稠后,方可停泵,確保套管加固牢固。

        圖2 孔口管防墜器

        (2)一級(jí)套管加固結(jié)束,漿液凝固48 h后,通過φ113 mm鉆頭配合φ108 mm導(dǎo)向管掃孔鉆進(jìn)超過一級(jí)管長(zhǎng)度0.5 m,使用ZBSB-32~120/10.5~3型注漿泵和清水對(duì)套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn),壓力必須達(dá)到10 MPa,且穩(wěn)壓30 min,同時(shí)確保管壁周圍無跑水現(xiàn)象,否則必須重新加固套管。一級(jí)管耐壓試驗(yàn)合格后,孔口必須安裝4寸高壓閘閥和防噴反壓裝置方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

        (3)二級(jí)套管加固結(jié)束,漿液凝固48 h后,通過φ75 mm鉆頭掃孔超過二級(jí)管長(zhǎng)度0.5 m,使用注漿泵和清水對(duì)套管進(jìn)行耐壓試驗(yàn),壓力必須達(dá)到12 MPa,且穩(wěn)壓30 min,并且管壁周圍無跑水后方可繼續(xù)施工,否則必須重新加固套管。

        3.5淺部注漿加固

        鉆孔鉆進(jìn)至孔深40,70 m時(shí),必須采用水泥單液漿分別進(jìn)行一次淺部預(yù)注漿加固,其主要目的一是封堵煤層底板淺部砂巖含水層的裂隙,二是增加出水后的鉆場(chǎng)底板抗壓強(qiáng)度。液漿水灰質(zhì)量比為1∶0.5,密度為1.28 g/cm3,注漿終壓為7 MPa。若淺部注漿加固用水泥量超過5 t且不上壓,則改用水泥-水玻璃(38~40 °Bé,3.1~3.4 Mo)雙液漿暫時(shí)封孔,水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.3,封孔終壓為12 MPa。

        3.6逐層注漿

        由于該長(zhǎng)觀孔設(shè)計(jì)觀測(cè)太原組下段L2灰?guī)r含水層,為避免施工過程中提前揭露的各含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系,影響觀測(cè)效果,對(duì)鉆孔進(jìn)入L2之前揭露的各含水層進(jìn)行逐層注漿處理。

        鉆孔揭露含水層水量小于5 m3/h時(shí),先利用井下注漿泵做壓水試驗(yàn),如壓水30 min壓力超過7 MPa,利用井下注漿泵注漿,否則進(jìn)行地面注漿。鉆孔水量大于5 m3/h時(shí),直接進(jìn)行地面注漿。注漿終壓為7 MPa,漿液凝固16 h后,方可掃孔鉆進(jìn)。

        3.7數(shù)據(jù)收集

        鉆孔揭露各含水層時(shí)均要收集水溫、水壓、水量等水文資料,詳細(xì)記錄鉆孔出水孔深,并取樣交生產(chǎn)技術(shù)科化驗(yàn)。井下施工現(xiàn)場(chǎng)配備施工原始記錄本,施工人員需將每班具體施工情況及鉆孔揭露巖性詳細(xì)記錄。鉆孔終孔起鉆后,要及時(shí)在孔口裝設(shè)壓力表,量程為6 MPa,定期觀測(cè)[2]。

        3.8其他要求

        施工期間需輕壓慢進(jìn),密切注意孔內(nèi)變化情況,防止塌孔、偏孔現(xiàn)象發(fā)生。鉆進(jìn)遇軟巖或破碎帶時(shí),應(yīng)慢速鉆進(jìn),處理嚴(yán)重塌孔需采用螺旋鉆桿配合三翼鉆頭,以確保鉆具與孔壁間隙能夠正常返水。

        4結(jié)論

        (1)鉆孔下管前均帶導(dǎo)向管開孔,有效防止了開孔過程中的鉆孔偏斜現(xiàn)象。

        (2)在大傾角、長(zhǎng)套管施工條件下,采用倒鏈配合套管防墜器下管,避免了套管墜入孔內(nèi),提高了安全系數(shù)。

        (3)采用水泥單液漿實(shí)施淺部預(yù)注漿加固技術(shù),有效封堵了煤層底板淺部砂巖含水層的裂隙,同時(shí)增加了鉆孔出水后的鉆場(chǎng)底板抗壓強(qiáng)度。

        (4)通過對(duì)鉆孔進(jìn)入L2之前揭露的各含水層進(jìn)行逐層注漿,有效避免了各含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系,保障了后期觀測(cè)效果。

        (5)采用井下長(zhǎng)觀孔施工技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工各環(huán)節(jié)的有效掌控,確保了后期觀測(cè)效果,從而為礦井水害防治工作提供了可靠的依據(jù),也為礦井后續(xù)水文觀測(cè)孔和供水孔的施工提供了借鑒作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王春和,逯廣會(huì). 井下水文長(zhǎng)觀孔技術(shù)探析[J].科技論壇,2010(4):44-45.

        [2] 郭彥華,候宏亮. 井下水文長(zhǎng)觀孔的優(yōu)點(diǎn)及存在問題分析[J].河北煤炭,2006(6):25-26.

        [3] 鄒軍,丁三紅. 高水位封閉不良水文長(zhǎng)觀孔井下治理技術(shù)與實(shí)踐[J].煤礦安全,2013(2):33-34.

        (收稿日期2016-01-27)

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        臧彬(1984—),男,助理工程師,476600 河南省永城市西城區(qū)城郊。

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