牛青河

（中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000）

陜蒙地區(qū)的白堊系和侏羅系地層以軟巖層為主，相當(dāng)一部分為極軟巖，巖樣單向極限抗壓強(qiáng)度絕大多數(shù)＜10MPa，同時(shí)巖層膠結(jié)差、裂隙發(fā)育，是良好的儲(chǔ)水、導(dǎo)水介質(zhì)，在這種地層中凍結(jié)孔鉆孔完整，上部沒(méi)有很好隔水層，凍結(jié)孔和凍結(jié)管之間的環(huán)形空間不能有效充填，凍結(jié)完成后凍結(jié)孔很容易成為導(dǎo)水通道，造成下部地層涌水量加大，巨大的水壓力造成馬頭門(mén)結(jié)構(gòu)破壞，大量漏水，而此時(shí)礦井臨時(shí)排水系統(tǒng)能力不夠，很容易造成淹井。

1 工程概況

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)，立井開(kāi)拓，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主井、副井、一號(hào)風(fēng)井、二號(hào)風(fēng)井四個(gè)立井井筒，均采用全深凍結(jié)法施工，井壁結(jié)構(gòu)為雙層井壁。

二號(hào)回風(fēng)立井井底馬頭門(mén)施工結(jié)束后，北側(cè)馬頭門(mén)出現(xiàn)涌水，涌水量初期30m3/h，最大達(dá)到160m3/h，井筒水位上升至距井口178m趨于靜止，造成北馬頭門(mén)左側(cè)局部混凝土開(kāi)裂脫落、鋼筋彎曲。為治理水患，根據(jù)專家組論證意見(jiàn)，決定在二號(hào)回風(fēng)立井井筒凍結(jié)壁自然解凍后，采取在凍結(jié)管內(nèi)進(jìn)行割孔注漿封堵導(dǎo)水通道，進(jìn)一步充填封閉環(huán)形孔間，隨后對(duì)礦區(qū)內(nèi)其他主立井、副立井及一號(hào)回風(fēng)立井井筒三井進(jìn)行割孔注漿，確保礦井的安全生產(chǎn)。

2 水文地質(zhì)情況

大海則煤礦水文地質(zhì)單元屬于鄂爾多斯高原碎屑巖孔隙裂隙水亞區(qū)，區(qū)內(nèi)無(wú)地表河流。根據(jù)井田勘察地質(zhì)報(bào)告，井田內(nèi)主要含水層組有：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組（Q31s）潛水含水層（均厚27m）、白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）潛水及承壓水含水層（均厚297m）、侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）承壓水含水層（平均78m）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）承壓水含水層（平均183m）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）承壓水含水層（平均227.98m），其中泥巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為隔水層。

檢查孔深度揭露范圍內(nèi)，自上而下分布10個(gè)含水層，最大涌水量預(yù)測(cè)383.3m3/h。

3 施工方案

根據(jù)井筒檢查孔和井筒實(shí)際揭露地質(zhì)資料，確定在-500m（侏羅系中統(tǒng)直羅組底板，目的是封堵直羅組含水層，管內(nèi)充填臨界面）、-341m（白堊系底部即侏羅系中統(tǒng)安定組，目的是封堵白堊系含水層）兩處分別進(jìn)行割孔注漿。

注漿順序?yàn)樯闲惺?，即自下而上逐段進(jìn)行，每個(gè)孔上層割孔注漿完成時(shí)（一般以地表返漿為標(biāo)志，如果漿液沿第四系底部巖層擴(kuò)散，到地表不返漿，漿液注入量大于20m3、注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)值為止），注漿封閉全孔。

注漿管掃孔及注漿順序根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件科學(xué)合理調(diào)整，按組分別進(jìn)行，掃孔完成后原則上每?jī)蓚€(gè)對(duì)稱孔同時(shí)進(jìn)行割孔注漿。按照“先北側(cè)馬頭門(mén)附近凍結(jié)孔（測(cè)溫孔），最后其他凍結(jié)孔”的順序進(jìn)行注漿，并隨時(shí)檢驗(yàn)注漿效果。

3.1 破管方式確定

采用ND-S140型水力式內(nèi)割刀對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行破管作業(yè)，采用XY-44A型鉆機(jī)配合機(jī)架進(jìn)行鉆進(jìn)及升降。凍結(jié)管的選擇為井筒的主凍結(jié)深孔和測(cè)溫孔的深孔，共47個(gè)主凍結(jié)管，2個(gè)測(cè)溫孔。二號(hào)回風(fēng)立井凍結(jié)孔平面布置如圖1所示。

其他井筒凍結(jié)管破管方案相同。

圖1 二號(hào)回風(fēng)立井凍結(jié)孔平面布置圖

3.2 水力式內(nèi)割刀原理

ND-S140型水力式內(nèi)割刀是一種利用水馬力來(lái)推動(dòng)割刀進(jìn)行管內(nèi)切割的工具，它較機(jī)械式內(nèi)割刀簡(jiǎn)單，修理更為方便，切割更為快速。將水力式內(nèi)割刀從凍結(jié)管內(nèi)下入到施工層位要求的切割深度，泥漿泵將高壓液體泵入水力割刀體內(nèi)，高壓液體通過(guò)活塞內(nèi)的噴嘴產(chǎn)生壓降，推動(dòng)活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，從而活塞桿下端推動(dòng)三個(gè)割刀片向外張開(kāi)與凍結(jié)管內(nèi)壁接觸，張開(kāi)的三個(gè)割刀片隨同切割鉆具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將凍結(jié)管割斷。形成凍結(jié)管與環(huán)形空間的注漿連通通道，將漿液從凍結(jié)管中空擠入凍結(jié)管與地層環(huán)形空間，達(dá)到封堵凍結(jié)管環(huán)形空間的目的，切斷馬頭門(mén)以上含水層之間的水力聯(lián)系。水力式內(nèi)割刀原理如圖2所示。

圖2 水力式內(nèi)割刀

3.3 使用方法

（1）將內(nèi)割刀接于鉆柱上，下到設(shè)計(jì)深度，切割孔段應(yīng)避開(kāi)接頭、接箍。

（2）在下水力式內(nèi)割刀以前，應(yīng)當(dāng)用適合內(nèi)割刀通過(guò)的鉆頭通孔一次，鉆頭直徑不得小于工具限位扶正套外徑。在通孔過(guò)程如有輕微遇阻，可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具劃過(guò)，直至無(wú)阻卡現(xiàn)象為止。通孔至設(shè)計(jì)位置，大排量循環(huán)洗井，將井內(nèi)雜物沖洗干凈。

（3）工具入孔前應(yīng)在孔口做試驗(yàn)，以檢驗(yàn)工具的可靠性及刀片張開(kāi)前后的泵壓變化值，并做好記錄，為判斷井下情況提供參考。

（4）試驗(yàn)好后，再用Φ2mm鐵絲將刀片捆好，以防在下鉆過(guò)程將刀片的刀尖碰壞，造成切割作業(yè)的失敗。

（5）鉆具組合，在工具的上部應(yīng)接專用的螺旋扶正器，在扶正器以上再接足夠長(zhǎng)度的鉆鋌，以增強(qiáng)工具工作的穩(wěn)定性。

（6）下鉆過(guò)程，操作要平穩(wěn)，并控制下放速度，以防損壞刀片。

（7）將工具下至預(yù)定位置，先啟動(dòng)轉(zhuǎn)向卡盤(pán)，鉆柱旋轉(zhuǎn)正常后，方能開(kāi)泵，當(dāng)高壓液體流經(jīng)噴嘴時(shí)，在噴嘴處產(chǎn)生壓降，對(duì)活塞產(chǎn)生推力，活塞下行，推動(dòng)刀片伸向管壁，就可以切割管體了。在切割中不要再調(diào)整泵壓，以防切割不穩(wěn)，損壞刀片，轉(zhuǎn)速以50～60r/min為宜。

（8）當(dāng)管壁被完全切斷，刀片完全張開(kāi)，由于調(diào)壓桿的作用，壓力將下降2MPa左右，當(dāng)扭矩值復(fù)原（即無(wú)反扭矩出現(xiàn)），表明切割完成。此時(shí)可以停泵，停止轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，使割刀恢復(fù)初始狀態(tài)。應(yīng)先緩慢上提 30～50mm，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)幾分鐘，這樣有助于刀片收攏，然后起鉆。將割刀起出孔外。

3.4 其他及安全注意事項(xiàng)

為了滿足水力式內(nèi)割刀能夠順利通過(guò)凍結(jié)孔，到達(dá)設(shè)計(jì)層位，孔內(nèi)有回填的水泥塞，需要對(duì)凍結(jié)孔進(jìn)行掃孔處理。首先選擇Φ108mm或Φ89mm鉆頭進(jìn)行掃孔，通孔至割管設(shè)計(jì)位置，在通孔過(guò)程如有輕微遇阻，可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具劃過(guò)，直至無(wú)阻卡現(xiàn)象為止。通孔至設(shè)計(jì)位置，大排量循環(huán)洗井，將井內(nèi)雜物沖洗干凈。割孔作業(yè)必須保證管內(nèi)有充足的循環(huán)水，第一層位割孔注漿結(jié)束后，壓入定量清水（約4.5m3）頂替水泥漿液至第二層位割孔位置，而后下割刀進(jìn)行割孔，每次割孔結(jié)束后需進(jìn)行風(fēng)水置換，以保證注漿效果。

3.5 注漿材料

以水泥單液漿為主，水灰比為0.5:1～1:1，水泥標(biāo)號(hào)為P.O 42.5。根據(jù)漿液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況可配有少量添加劑以增加強(qiáng)度，控制凝結(jié)時(shí)間。對(duì)個(gè)別注漿困難的層段，注漿前先注水玻璃預(yù)處理。

3.6 注漿壓力

注漿終壓暫按各割孔層位靜水壓力的1.8倍進(jìn)行計(jì)算，各層位最大注漿終壓見(jiàn)表1。

表1 注漿壓力與注漿深度對(duì)應(yīng)表

具體注漿終壓應(yīng)根據(jù)實(shí)際注漿效果，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，保證井壁質(zhì)量不受影響。

3.7 注漿步驟

漿液制作、注漿、化驗(yàn)等工作均在井口注漿站完成。注漿時(shí)，設(shè)專人觀測(cè)注漿壓力，注漿操作主要步驟如下：

掃孔通井→第一段高割管→第一段高管外充填注漿→第二段高割管→第二段高注漿及二次封孔。

由于主、副及一號(hào)回風(fēng)立井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件與二號(hào)回風(fēng)立井相似，采用的施工設(shè)備及施工工藝相同，在此不再重復(fù)敘述。

4 注漿效果分析

4.1 注漿量分析

二號(hào)回風(fēng)立井出水側(cè)北馬頭門(mén)9個(gè)凍結(jié)管設(shè)計(jì)注漿量225m3，實(shí)際完成384.46m3，實(shí)際注漿量大于設(shè)計(jì)量159.46m3（僅有少量漿液返回地面），各孔的吸漿量均大于設(shè)計(jì)量，說(shuō)明凍結(jié)管的環(huán)形空間得到充分充填。

4.2 四井注漿前后涌水量變化及材料消耗

表2 注漿前后涌水量變化及材料消耗

主、副、一號(hào)回風(fēng)、二號(hào)回風(fēng)立井井筒實(shí)際注漿施工中，注漿終壓、注漿量均超過(guò)了設(shè)計(jì)要求。各孔注漿終壓均大于靜水壓力的1.8倍，大于設(shè)計(jì)值。凍結(jié)管漿液返至地面，其他孔注漿期間壓力穩(wěn)步上升，割孔注漿帷幕工程中在這個(gè)壓力范圍內(nèi)漿液圍繞環(huán)空的擴(kuò)散距離達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)論

（1）采用割孔注漿技術(shù)有效治理了大海則礦井水害，封堵了出水源頭，為陜蒙地區(qū)類似地質(zhì)條件施工、水害治理提供了經(jīng)驗(yàn)。

（2）利用原凍結(jié)孔進(jìn)行割孔注漿，使地面注漿取消了造孔工序，減少了施工時(shí)間，節(jié)省了工程費(fèi)用，保證了施工安全及井筒的正常使用。

（3）利用凍結(jié)孔割孔注漿對(duì)預(yù)定地層加固，實(shí)現(xiàn)了井壁堵漏，彌補(bǔ)了壁間注漿的不足，達(dá)到了較好的封水及圍巖加固效果。

（4）割孔注漿較其他注漿技術(shù)，安全可靠，不占用井筒空間，有利于井上下的平行作業(yè)