李志有，劉帥

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046011）

帷幕注漿和套管隔離法在穿越采空區(qū)瓦斯孔施工中的應(yīng)用

李志有，劉帥

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046011）

山西望云煤礦在礦區(qū)內(nèi)施工目的層為15號(hào)煤層的大口徑瓦斯抽放孔過程中，鉆遇3號(hào)煤層老窯采空區(qū)，為瓦斯抽放孔施工和后續(xù)15號(hào)煤層開采增加了風(fēng)險(xiǎn)和難度。首先通過地面鉆探方式在瓦斯抽放孔半徑為6 m的采空區(qū)施工一圈帷幕孔，在帷幕孔注漿后使得瓦斯抽放孔周圍形成帷幕堵水的效果，進(jìn)而施工瓦斯抽放孔，最后再用套管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行隔離，為后續(xù)瓦斯抽放孔施工提供了“雙保險(xiǎn)”。確保了后續(xù)瓦斯抽放孔的順利完工，同時(shí)消除了3號(hào)煤層采空區(qū)積水對(duì)后續(xù)15號(hào)煤層開采的影響，為今后類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

采空區(qū)治理；帷幕注漿；套管隔離；瓦斯抽放孔

0引言

為進(jìn)一步強(qiáng)化井下瓦斯抽放、降低巷道瓦斯?jié)舛?、保障煤礦開采安全，山西望云煤礦在礦區(qū)工業(yè)廣場布置施工一個(gè)瓦斯抽放孔。該孔穿越地層主要有第四系（15 m）、下石盒子組（76.60 m）、山西組（42.20 m）、太原組（72 m），目的層位為15號(hào)煤層巷道。

瓦斯抽放孔井徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：一開φ650 mm× 15 m，下入φ600 mm×15 m護(hù)壁管并進(jìn)行水泥永久性封閉；二開φ410 mm×205 m，下入φ377 mm×205 m無縫鋼管并進(jìn)行水泥永久封閉，并在井下預(yù)留法蘭，方便礦方接入瓦斯抽放設(shè)備和管道。

在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)至孔深114 m處發(fā)生掉鉆現(xiàn)象（114～116 m為掉鉆、116～119 m為糊狀物），鉆孔內(nèi)靜止水位上升至78 m，且連續(xù)48 h觀測無變化，因此判斷114～119 m為3號(hào)煤層老巷采空區(qū)，同時(shí)采空區(qū)已充滿積水，如果繼續(xù)施工，一是大大增加了施工難度；二是準(zhǔn)確中靶后對(duì)15號(hào)煤層開采又形成很大透水風(fēng)險(xiǎn)。由于礦方堅(jiān)持在原地施工，再加上整合礦對(duì)以往老窯采空區(qū)面積、積水量和保安煤柱留設(shè)情況不清，因此經(jīng)過礦方、施工方和監(jiān)理方審慎研究，在以安全為第一原則的前提下，決定采用帷幕注漿和套管隔離相結(jié)合的方法治理采空區(qū)，并為后續(xù)瓦斯抽放孔順利施工和礦方15號(hào)煤層安全開采提供安全保障。

1施工方法

為順利穿越3號(hào)煤層采空區(qū)，確保15號(hào)煤層瓦斯抽放孔施工順利推進(jìn)和區(qū)域內(nèi)15號(hào)煤層采煤工作不受上覆采空區(qū)積水影響，首先采用帷幕注漿方式進(jìn)行瓦斯抽放孔周圍的采空區(qū)治理，即通過地面鉆探方式在瓦斯抽放孔周邊施工一圈帷幕孔，通過帷幕孔注漿后使得瓦斯抽放孔周圍形成帷幕堵水的效果，最后通過瓦斯抽放孔注漿治理瓦斯抽放孔周圍采空區(qū)，使帷幕內(nèi)采空區(qū)充填成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和高強(qiáng)度的“結(jié)合體”，以達(dá)到瓦斯抽放孔周圍采空區(qū)治理的目的［1］。

為使后續(xù)瓦斯抽放孔施工得到更高的安全保障，帷幕孔施工的同時(shí)，對(duì)瓦斯抽放孔進(jìn)行擴(kuò)孔施工至煤層底板下10 m，下入超厚無縫鋼管，并將環(huán)空間隙進(jìn)行全孔水泥封閉，以徹底隔離煤礦3號(hào)煤層采空區(qū)積水，為后續(xù)施工提供堅(jiān)實(shí)的安全生產(chǎn)環(huán)境。采空區(qū)治理施工流程圖見1。

圖1　采空區(qū)治理施工流程圖Figure 1 Abandoned workings controlling flow chart

2采空區(qū)分布及地表和頂板穩(wěn)定性分析

采空區(qū)治理過程中，采空區(qū)注漿所需充填空間承受著采空區(qū)頂板的應(yīng)力集中，因此地表和采空區(qū)穩(wěn)定性決定了采空區(qū)注漿難度和漿液配置。由于老窯采空區(qū)為以往關(guān)閉煤礦所形成，采空區(qū)分布及積水情況不清楚，需要進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，初步分析認(rèn)為，掉鉆起止深度大的帷幕鉆孔為采空區(qū)上山方向，掉鉆起止深度小的帷幕鉆孔為采空區(qū)下山方向。根據(jù)帷幕鉆孔施工成果，帷幕鉆孔越往西掉鉆深度越大，因此判斷采空區(qū)走向?yàn)闁|西走向，西部為上山方向，東部為下山方向。同時(shí)根據(jù)正在施工的瓦斯抽放孔鉆探資料，3號(hào)煤層埋深119.00 m，煤層厚度4.95 m，開采深厚比24.04，小于40，地表屬不穩(wěn)定型。

根據(jù)《高速公路采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊》采空區(qū)頂板穩(wěn)定性臨界深度計(jì)算公式：

式中：H0——臨界深度，m；

a——采煤巷道及采空區(qū)寬度，采煤巷道取10m；

α——巖層的內(nèi)摩擦角，（°），引用煤系石灰?guī)r砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉土內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值29°；

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1）可知：H0=55 m。因此實(shí)際埋深H＞H0，頂板穩(wěn)定，采空區(qū)頂板不會(huì)引發(fā)地表變形。

綜合以上分析認(rèn)為，地表盡管屬于不穩(wěn)定型，但采空區(qū)頂板穩(wěn)定，不會(huì)引起地表變形，因此整體采空區(qū)上覆巖層仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生頂板坍塌等現(xiàn)象，對(duì)帷幕注漿和套管隔離提供了良好的前提條件。

3帷幕注漿孔布設(shè)和施工

3.1鉆孔布設(shè)及鉆探施工

結(jié)合現(xiàn)場地形、井場條件和漿液0.8左右的擴(kuò)散系數(shù)，再加上鉆探驗(yàn)證采空區(qū)的需要，初步設(shè)計(jì)以瓦斯抽放孔導(dǎo)向孔為圓心，以6 m為半徑，每隔60°布置一個(gè)鉆孔，共計(jì)布置6個(gè)，若不中靶（采空區(qū)），則需加密探測。最后將管道井導(dǎo)向孔周邊中靶鉆孔作為帷幕鉆孔，導(dǎo)向孔作為注漿孔進(jìn)行注漿固結(jié)，固結(jié)深度至煤層底板下3 m，即孔深122.92 m處。

鉆孔使用XL-400型巖心鉆機(jī)成孔。采用φ130 mm鉆頭開孔，鉆至基巖穩(wěn)定段5 m后，下入相應(yīng)套管護(hù)壁，然后變口徑為φ91 mm，鉆至采空區(qū)的塌陷冒落帶或煤層底板下0.5 m終孔。施工過程中利用單點(diǎn)測斜儀連續(xù)進(jìn)行測斜，并嚴(yán)格記錄掉鉆深度。最終瓦斯抽放孔周圍6個(gè)帷幕孔全部發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，證明瓦斯抽放孔周圍6 m范圍內(nèi)全部為采空區(qū)，完成鉆探總進(jìn)尺720.15 m。根據(jù)以上資料，初步確定采空區(qū)治理面積為113.095 m2［2］。帷幕孔施工的同時(shí)，由瓦斯抽放孔施工隊(duì)伍對(duì)瓦斯抽放孔導(dǎo)向孔采用φ550 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔至孔深122.92 m處，以備后續(xù)注漿和下套管使用。

3.2注漿施工及效果檢測

3.2.1注漿施工

本次注漿采用一次全孔間歇式充填注漿工藝進(jìn)行注漿，注漿設(shè)備采用BW-250型號(hào)注漿泵，注漿材料由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成，參照以往采空區(qū)治理工程的經(jīng)驗(yàn)，水固比采用1∶1.3，固相中水泥占30%、粉煤灰占70%，同時(shí)在漿液中摻加水泥質(zhì)量2%～5%的速凝劑，并視情況投入直徑1～2 cm石料。

注漿采用先帷幕孔、后注漿孔的施工方式進(jìn)行。注漿前首先澆筑孔口管進(jìn)行止?jié){工作。澆筑注漿孔口管采用φ50 mm鋼管，在管子前端20～30 cm處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑120～130 mm），下入孔內(nèi)變徑處，松動(dòng)原φ130 mm護(hù)壁管，再灌入水灰比1∶1.5～1∶2的稠水泥漿，澆鑄長度為4～6 m，然后拔起護(hù)壁管。澆鑄質(zhì)量要求達(dá)到注漿過程中漿液不會(huì)從孔口管外溢出，水泥漿液中加入水泥質(zhì)量2%的速凝劑，快速將注漿管與孔壁固結(jié)，φ50 mm鋼管高出地面0.5 m，并在管口安裝堵頭。其次進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓水10～15 min，以便沖洗壁殘留巖粉等雜物。壓水試驗(yàn)結(jié)束后開始正式注漿，對(duì)于帷幕孔注漿采用了定量分段注漿法，制漿材料中加入4%的速凝劑，使得漿液盡快凝固形成帷幕，防止了漿液流失。注漿末期，泵壓逐漸升高，單位吸漿量減少，最終在單位吸漿量達(dá)到65 L/min、泵壓達(dá)到1.2 MPa、穩(wěn)壓15 min，達(dá)到單位吸漿量小于70 L/min時(shí)、泵壓在1.0 MPa以上、穩(wěn)定10～15 min的要求，開始結(jié)束灌漿施工。

本次帷幕孔注漿6個(gè)，單孔注漿量最小為98.14 m3，最大為231.33 m3，平均162.398 m3，帷幕孔總注漿量974.39 m3，占全區(qū)總注漿量的92.05%。注漿孔注漿84.12 m3，占全區(qū)總注漿量的7.95%。

3.2.2注漿效果檢測

注漿施工結(jié)束后，采用RSM-24FD浮點(diǎn)工程測試儀在孔內(nèi)進(jìn)行波速測試，采空區(qū)塌陷冒落帶橫波速度大于160 m/s。采用WTD-1500型大型多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)檢測孔中注漿段取心檢測，巖心無側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞0.3 MPa［3］。同時(shí)經(jīng)過多次探孔取樣、水位測定確定形成帷幕堵水的效果后，通過瓦斯抽放孔進(jìn)行間歇式注漿至煤層頂板上10 m處，侯凝36 h后注水水位達(dá)到72 m時(shí)，觀測72 h水位保持不動(dòng)，確定采空區(qū)注漿治理起到了效果。

4套管隔離

帷幕注漿治理采空區(qū)施工結(jié)束后，由瓦斯抽放孔施工單位對(duì)瓦斯抽放孔采用φ550 mm鉆頭掃孔鉆進(jìn)至孔深133 m處，隨后從孔口連續(xù)下入Φ450 mm× 8 mm無縫鋼管8根、Φ450 mm×12 mm無縫鋼管4根，具體下深為130.01 m，采空區(qū)位置套管壁厚較厚，有效提升了套管抗擠壓能力。隨后利用自制止水器進(jìn)行止水，通過環(huán)狀間隙返漿固井法分8次注漿、每次48 h候凝，共注水泥42 t，最后一次水泥漿順利返至地面，使得Φ450 mm無縫鋼管封閉成功。本次套管隔離固井深度超過煤層底板14 m，不僅使3號(hào)煤層老巷采空區(qū)得到安全隔離和封閉，下部多余14 m的封閉井段也起到了很好的隔水作用，提高了采空區(qū)治理效果和安全程度，為后續(xù)瓦斯抽放孔施工提供了“雙保險(xiǎn)”。

5結(jié)論

（1）通過帷幕注漿和套管隔離法對(duì)采空區(qū)治理后，掃孔至133 m后撈凈巖粉，采用帶扶正器的Φ 410 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)擴(kuò)孔透巷深度205.43 m，安全準(zhǔn)確中靶，隨后經(jīng)過掃孔、下管、止水、固井后順利完成了該瓦斯抽放孔的施工［4］。

（2）帷幕注漿和套管隔離在瓦斯抽放孔施工應(yīng)用過程中周期長、成本高，因此建議在實(shí)際施工瓦斯抽放孔過程中盡量避開采空區(qū)。此方法僅限于瓦斯抽放孔井位選擇必須穿過采空區(qū)的施工。

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Application of Curtain Grouting and Casing Isolation Method in Gas Drainage Borehole Drilling through Abandoned Workings

Li Zhiyou，Liu Shuai
（Shanxi Provincial Coal Geological No.114 Exploration Institute，Changzhi，Shanxi 046011）

During the drilling of large diameter gas drainage borehole targeted at coal No.15 in the Shanxi Wangyun coalmine has intersected abandoned workings in coal No.3，thus increased the risk and difficulty in drilling and sequential mining of coal No.15.Therefore，a circle of 6m radius curtain grouting boreholes radiated from the drainage borehole drilled，after the grouting of them has formed a water plugging curtain around，then resume the drilling of drainage borehole，finally carried out casing isolation of abandoned workings and provided a“double security”for gas drainage borehole drilling.The method not only ensured subsequent drilling，meanwhile eliminated the impacting on mining of coal No.15 from coal No.3 abandoned workings water ponding，thus provided experience and reference for similar project construction henceforth.

abandoned workings control；curtain grouting；casing isolation；gas drainage borehole

P634.5

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.14

1674-1803（2016）09-0067-03

李志有（1985—），男，工程師，從事水文地質(zhì)、煤層氣施工、瓦斯抽放、災(zāi)害治理等方面的管理和技術(shù)工作。

2016-02-27

責(zé)任編輯：樊小舟