高承压水文钻孔突水事故快速处理技术及应用

时间：2024-07-28

王鹏

（永煤集团股份有限公司顺和煤矿，河南永城 476600）

井下水文地质钻孔的结构一般为止水套管护壁，高压闸阀控制出水的结构。该结构施工操作简单，成孔率高，能够有效地保证钻孔施工安全，便于收集含水层水文地质信息，因而被广泛使用。然而在钻孔的使用过程中，由于钻孔施工质量管控不到位、地压等多种因素影响易造成钻孔突水事故。如何快速、安全、经济地处理高承压水文钻孔突水事故是有效避免事故进一步扩大为水灾的关键。

1 概况

1.1 工程概况

顺和煤矿是永城煤电（集团）有限责任公司在永城本部开发建设的第五对矿井，设计生产能力0.6Mt/a。矿井主采煤层为二叠系山西组二2 煤，水文地质类型为中等。二2 煤层开采期间直接充水水源为山西组碎屑岩类含水层中的煤层顶底板砂岩裂隙含水层，水交替条件极差，为弱含水层，主要以消耗静储量为主，补给源不足，易于疏干。间接充水含水层为石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层，含水层组主要含水层为灰岩，次为砂岩，其间夹有泥岩和砂质泥岩。灰岩有11 层，厚度变化大，灰岩单层厚度0.50 ～21.54m，各层灰岩总平均厚度51.47m，局部层位缺失，富水性一般，属岩溶裂隙承压中等含水层。

为缓解矿井供水水压、水量不足的局面，同时查明太原组灰岩与二2 煤层间距，收集太原组灰岩相关水文地质信息，矿井在-702m 水平西翼胶带运输大巷Ⅱ段施工水文地质钻孔1 个，即XGS1 孔。

1.2 钻孔结构及施工工艺

钻孔设计开孔层位位于二2 煤层，设计倾角-70°，钻孔采用三级套管结构。开孔采用Φ155mm 钻头，一级管Φ146mm，长度20m；二级管Φ127mm，长度30m；三级管Φ108mm，长度40m。钻孔终孔直径为Φ92mm，钻孔施工结构及地质剖面图如图1 所示。XGS1 孔于2018 年8 月份施工完成，钻孔终孔孔深199m，于孔深195m 处出水65m³/h，实测水压5.0MPa，水温41℃，钻孔水量稳定。

1.3 钻孔突水事故情况

钻孔使用过程中，2019 年6 月发现钻孔施工地点巷道帮部多处裂隙内出现渗水现象，水色清澈，水温41℃，水量呈逐步增大趋势，8h 后巷道帮部裂隙出水量增大至5m³/h。16h 后邻近巷道帮部和底板新增2 处出水点，共计出水量约10m³/h。发现上述异常水文地质情况后，为防止事故进一步扩大，将钻孔全部打开进行疏水泄压。钻孔打开后出水点处水量明显减小，由此判断，XGS1 孔发生孔内事故造成突水。

1.4 钻孔突水事故原因分析

XGS1 孔钻场处于-702m 水平胶带运输大巷Ⅰ段与Ⅱ段交岔口处，巷道为大断面施工，巷宽5.0m，高4.0m，施工层位为二2 煤顶板。巷道四邻施工有采区避难硐室及西翼轨道大巷Ⅱ段，巷道密集，埋深较深，应力较为集中。巷道布置层位距离煤层较近，围岩工程力学性质差，且受集中的地应力影响，压力显现明显。在钻孔施工前该处巷道即出现浆皮开裂、脱落和底鼓变形现象。钻孔施工结束后受巷道持续压力显现影响，钻孔附近底板岩石裂隙活化，钻孔水沿裂隙导升涌出，造成突水事故。

2 治理方案的制定

高承压水文钻孔涌水失控是造成突水事故的主要原因，涌水失控止水套管的作用失效，对事故钻孔既不能关闭孔口闸门控制水，又不能直接注浆封堵突水裂隙及突水点。因此想要快速地对突水钻孔处理，往往从修理加固巷道，然后考虑钻孔附近底板进行浅层加固等保守的方案进行处理，处理时间长，不利于事故的快速消除，甚至时间耽搁造成事故的扩大。基于上述情况，在此采用了疏水让压下设次一级止水套管注浆封孔的办法快速进行处理。

（1）让压疏水下次一级止水套管：采用顶水的方式下设次一级止水套管。该操作可行的关键在于保证钻孔涌水畅通，高压水流处于敞开疏水放压的状态，水流对套管的阻滞力小，保证套管顺利下放至预想位置。次一级套管长度应超过上一级套管长度，且超过造成突水的裂隙点位置。原则上超过长度以不低于20m 为宜。

（2）让压疏水注浆加固次一级止水套管：注浆加固套管是处理事故的关键，采用让压的方式进行注浆，从次一级套管的外壁注浆，在让压的前提下浆液沿着套管之间的间隙向下渗透后，逐渐代替管壁间充填的水。钻孔内的高承压水流从次一级套管中疏水，保证了浆液沿裂隙扩散，一方面将套管外壁进行充填加固，另一方面将突水裂隙进行隔离。

（3）止水套管加固质量检验：注浆凝固后，采用注浆设备对止水套管做耐压强度试验，检验套管的加固质量，以及钻孔周围突水裂隙的隔离封堵情况。

（4）高压注浆封堵钻孔，完成钻孔突水事故的处理。

3 治理方案的实施

3.1 疏水让压下止水套管

根据XGS1 孔钻孔的结构，本次对钻孔事故处理采用了Φ73mm 的无缝管作为次一级套管。钻孔通过疏水让压下管，下入Φ73mm 套管长度88m，超过钻孔三级套管Φ108mm 套管长度44m。套管下入后观察钻孔周围突水点水头及水量有明显降低，由此判断次一级套管下设长度已超过造成突水事故的裂隙发育点位置，套管下设长度合理，效果良好。

3.2 让压疏水注浆加固次一级止水套管

注浆加固套管采用4 寸双法兰盘注浆装置，装置安装结构为Φ108mm 套管、Φ73mm 套管同心安装法兰盘，Φ108mm 套管法兰盘上带有注浆偏嘴。注浆装置安装完毕后，钻孔涌水自Φ73mm 套管内涌出，对钻孔疏水泄压。注浆时始终保持Φ73mm套管内涌水泄压正常。注浆采用双液固管技术，即“水泥浆+水玻璃”的双液浆注浆。该材料具有微膨胀性、速凝性，有效地克服了单液埋管结石率低、终凝时间长的缺点，大大节约了加固套管凝固时间。注浆时双液水泥浆自注浆接头进入Φ108mm 套管、Φ73mm 套管管壁之间，浆液混合后逐步将管壁之间的水替代，最终充填为双液水泥浆。由于钻孔处于敞开疏水泄压状态，浆液扩散至Φ73mm 套管末端后在涌水的作用下自Φ73mm 套管内随水流返出。此时可以证明双液浆已将Φ108mm 套管、Φ73mm套管管壁之间的水置换为双液水泥浆。浆液凝固膨胀后形成强度，将次一级套管凝固。XGS1 孔注浆加固Φ73mm 套管采用P.O425 普通硅酸盐水泥，水灰重量比W ∶C=1:1 ～1:1.2；水玻璃（38 ～40Be′）与水泥浆液体积比为S:C=0.3:1 ～0.5:1，共计使用水泥0.85t，水玻璃30kg,注浆过程中双液浆自孔内顺利返出，注浆终压12MPa。注浆期间随着浆液的运移扩散，巷道帮部裂隙出水量减小，注浆结束时，裂隙跑水已全部被有效封堵。套管注浆加固示意图如图1 所示。

图1 注浆加固套管示意图

3.3 止水套管加固质量检验

Φ73mm 套管注浆加固完成后，双液浆的速凝性使得加固套管的凝固时间缩短了24h，注浆结束后将钻孔进行24h 的凝固后即可对钻孔进行耐压试验。试验采用2ZBQ-3/21 矿用风动注浆泵清水试压，根据钻孔水压为5MPa、注浆终压为12MPa，将试压标准定为12MPa，稳压30min，有效证明了Φ73mm 套管成功有效地进行了加固，将突水裂隙成功隔离（注浆同时进行了充填封堵）。

3.4 高压注浆封堵钻孔

在对止水套管进行耐压试验质量检验后，矿井采用地面注浆站对钻孔进行了注浆封堵。地面注浆采用BWD-350/10-45 型注浆泵进行注浆，注浆同样采用P.O425 普通硅酸盐水泥，浆液浓度为1.28 ～1.32t/m3，注浆终压为10MPa，钻孔注浆共计15t，有效地将钻孔进行了封堵。封堵后钻孔周围出水裂隙均得到了封堵，无跑水现象，成功处理了事故。