割孔注浆技术在大海则煤矿水害治理中的应用

牛青河

（中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林 719000）

陕蒙地区的白垩系和侏罗系地层以软岩层为主，相当一部分为极软岩，岩样单向极限抗压强度绝大多数＜10MPa，同时岩层胶结差、裂隙发育，是良好的储水、导水介质，在这种地层中冻结孔钻孔完整，上部没有很好隔水层，冻结孔和冻结管之间的环形空间不能有效充填，冻结完成后冻结孔很容易成为导水通道，造成下部地层涌水量加大，巨大的水压力造成马头门结构破坏，大量漏水，而此时矿井临时排水系统能力不够，很容易造成淹井。

1 工程概况

中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区，立井开拓，工业广场内布置主井、副井、一号风井、二号风井四个立井井筒，均采用全深冻结法施工，井壁结构为双层井壁。

二号回风立井井底马头门施工结束后，北侧马头门出现涌水，涌水量初期30m3/h，最大达到160m3/h，井筒水位上升至距井口178m趋于静止，造成北马头门左侧局部混凝土开裂脱落、钢筋弯曲。为治理水患，根据专家组论证意见，决定在二号回风立井井筒冻结壁自然解冻后，采取在冻结管内进行割孔注浆封堵导水通道，进一步充填封闭环形孔间，随后对矿区内其他主立井、副立井及一号回风立井井筒三井进行割孔注浆，确保矿井的安全生产。

2 水文地质情况

大海则煤矿水文地质单元属于鄂尔多斯高原碎屑岩孔隙裂隙水亚区，区内无地表河流。根据井田勘察地质报告，井田内主要含水层组有：第四系上更新统萨拉乌苏组（Q31s）潜水含水层（均厚27m）、白垩系下统洛河组（K1l）潜水及承压水含水层（均厚297m）、侏罗系中统安定组（J2a）承压水含水层（平均78m）、侏罗系中统直罗组（J2z）承压水含水层（平均183m）、侏罗系中统延安组（J2y）承压水含水层（平均227.98m），其中泥岩、粉砂岩和砂质泥岩为隔水层。

检查孔深度揭露范围内，自上而下分布10个含水层，最大涌水量预测383.3m3/h。

3 施工方案

根据井筒检查孔和井筒实际揭露地质资料，确定在-500m（侏罗系中统直罗组底板，目的是封堵直罗组含水层，管内充填临界面）、-341m（白垩系底部即侏罗系中统安定组，目的是封堵白垩系含水层）两处分别进行割孔注浆。

注浆顺序为上行式，即自下而上逐段进行，每个孔上层割孔注浆完成时（一般以地表返浆为标志，如果浆液沿第四系底部岩层扩散，到地表不返浆，浆液注入量大于20m³、注浆终压达到设计值为止），注浆封闭全孔。

注浆管扫孔及注浆顺序根据现场条件科学合理调整，按组分别进行，扫孔完成后原则上每两个对称孔同时进行割孔注浆。按照“先北侧马头门附近冻结孔（测温孔），最后其他冻结孔”的顺序进行注浆，并随时检验注浆效果。

3.1 破管方式确定

采用ND-S140型水力式内割刀对冻结管进行破管作业，采用XY-44A型钻机配合机架进行钻进及升降。冻结管的选择为井筒的主冻结深孔和测温孔的深孔，共47个主冻结管，2个测温孔。二号回风立井冻结孔平面布置如图1所示。

其他井筒冻结管破管方案相同。

图1 二号回风立井冻结孔平面布置图

3.2 水力式内割刀原理

ND-S140型水力式内割刀是一种利用水马力来推动割刀进行管内切割的工具，它较机械式内割刀简单，修理更为方便，切割更为快速。将水力式内割刀从冻结管内下入到施工层位要求的切割深度，泥浆泵将高压液体泵入水力割刀体内，高压液体通过活塞内的喷嘴产生压降，推动活塞压缩弹簧使活塞杆下行，从而活塞杆下端推动三个割刀片向外张开与冻结管内壁接触，张开的三个割刀片随同切割钻具顺时针旋转，将冻结管割断。形成冻结管与环形空间的注浆连通通道，将浆液从冻结管中空挤入冻结管与地层环形空间，达到封堵冻结管环形空间的目的，切断马头门以上含水层之间的水力联系。水力式内割刀原理如图2所示。

图2 水力式内割刀

3.3 使用方法

（1）将内割刀接于钻柱上，下到设计深度，切割孔段应避开接头、接箍。

（2）在下水力式内割刀以前，应当用适合内割刀通过的钻头通孔一次，钻头直径不得小于工具限位扶正套外径。在通孔过程如有轻微遇阻，可转动钻具划过，直至无阻卡现象为止。通孔至设计位置，大排量循环洗井，将井内杂物冲洗干净。

（3）工具入孔前应在孔口做试验，以检验工具的可靠性及刀片张开前后的泵压变化值，并做好记录，为判断井下情况提供参考。

（4）试验好后，再用Φ2mm铁丝将刀片捆好，以防在下钻过程将刀片的刀尖碰坏，造成切割作业的失败。

（5）钻具组合，在工具的上部应接专用的螺旋扶正器，在扶正器以上再接足够长度的钻铤，以增强工具工作的稳定性。

（6）下钻过程，操作要平稳，并控制下放速度，以防损坏刀片。

（7）将工具下至预定位置，先启动转向卡盘，钻柱旋转正常后，方能开泵，当高压液体流经喷嘴时，在喷嘴处产生压降，对活塞产生推力，活塞下行，推动刀片伸向管壁，就可以切割管体了。在切割中不要再调整泵压，以防切割不稳，损坏刀片，转速以50～60r/min为宜。

（8）当管壁被完全切断，刀片完全张开，由于调压杆的作用，压力将下降2MPa左右，当扭矩值复原（即无反扭矩出现），表明切割完成。此时可以停泵，停止转动钻具，使割刀恢复初始状态。应先缓慢上提 30～50mm，再继续旋转几分钟，这样有助于刀片收拢，然后起钻。将割刀起出孔外。

3.4 其他及安全注意事项

为了满足水力式内割刀能够顺利通过冻结孔，到达设计层位，孔内有回填的水泥塞，需要对冻结孔进行扫孔处理。首先选择Φ108mm或Φ89mm钻头进行扫孔，通孔至割管设计位置，在通孔过程如有轻微遇阻，可转动钻具划过，直至无阻卡现象为止。通孔至设计位置，大排量循环洗井，将井内杂物冲洗干净。割孔作业必须保证管内有充足的循环水，第一层位割孔注浆结束后，压入定量清水（约4.5m³）顶替水泥浆液至第二层位割孔位置，而后下割刀进行割孔，每次割孔结束后需进行风水置换，以保证注浆效果。

3.5 注浆材料

以水泥单液浆为主，水灰比为0.5:1～1:1，水泥标号为P.O 42.5。根据浆液现场测试情况可配有少量添加剂以增加强度，控制凝结时间。对个别注浆困难的层段，注浆前先注水玻璃预处理。

3.6 注浆压力

注浆终压暂按各割孔层位静水压力的1.8倍进行计算，各层位最大注浆终压见表1。

表1 注浆压力与注浆深度对应表

具体注浆终压应根据实际注浆效果，实时采集相关数据进行调整，保证井壁质量不受影响。

3.7 注浆步骤

浆液制作、注浆、化验等工作均在井口注浆站完成。注浆时，设专人观测注浆压力，注浆操作主要步骤如下：

扫孔通井→第一段高割管→第一段高管外充填注浆→第二段高割管→第二段高注浆及二次封孔。

由于主、副及一号回风立井地质及水文地质条件与二号回风立井相似，采用的施工设备及施工工艺相同，在此不再重复叙述。

4 注浆效果分析

4.1 注浆量分析

二号回风立井出水侧北马头门9个冻结管设计注浆量225m³，实际完成384.46m³，实际注浆量大于设计量159.46m³（仅有少量浆液返回地面），各孔的吸浆量均大于设计量，说明冻结管的环形空间得到充分充填。

4.2 四井注浆前后涌水量变化及材料消耗

表2 注浆前后涌水量变化及材料消耗

主、副、一号回风、二号回风立井井筒实际注浆施工中，注浆终压、注浆量均超过了设计要求。各孔注浆终压均大于静水压力的1.8倍，大于设计值。冻结管浆液返至地面，其他孔注浆期间压力稳步上升，割孔注浆帷幕工程中在这个压力范围内浆液围绕环空的扩散距离达到预期效果。

5 结论

（1）采用割孔注浆技术有效治理了大海则矿井水害，封堵了出水源头，为陕蒙地区类似地质条件施工、水害治理提供了经验。

（2）利用原冻结孔进行割孔注浆，使地面注浆取消了造孔工序，减少了施工时间，节省了工程费用，保证了施工安全及井筒的正常使用。

（3）利用冻结孔割孔注浆对预定地层加固，实现了井壁堵漏，弥补了壁间注浆的不足，达到了较好的封水及围岩加固效果。

（4）割孔注浆较其他注浆技术，安全可靠，不占用井筒空间，有利于井上下的平行作业