陳 宮 呂建為 王 博

(1.北京昊華能源有限公司大安山煤礦，北京市房山區(qū)，102419；2.兗州煤業(yè)股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山東省濟寧市，273500)

煤層采用高壓注水是治理高應(yīng)力動力災(zāi)害的主要方法，與其他方法相比，具有成本低、效果好、持久性好等優(yōu)點。在這一過程中，長時間保持注水壓力為高壓狀態(tài)非常重要，可以使鉆孔水滲透到更遠的地方，使得更大范圍的煤層應(yīng)力得到釋放。但由于高壓注水孔的封孔難度較大，影響其推廣應(yīng)用。為了在深孔注水中長時間保持高注水壓力狀態(tài)，本文創(chuàng)新了一種封孔技術(shù)，并在大安山煤礦進行了工業(yè)試驗，取得了較好的效果。

1 煤礦生產(chǎn)中深鉆孔的封孔技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦生產(chǎn)中一般在瓦斯抽放、注漿封堵、注漿加固和煤層注水降塵過程中都需要對管道經(jīng)過的孔口進行封堵。目前主要方法有塞式封堵法、注水囊封堵法、注化學(xué)漿液封堵法、注水泥漿封堵法等，這些方法對孔內(nèi)低壓狀態(tài)液體的封堵是有效的，對短時間高壓液體的封堵有一定的效果，但是對長時間高壓液體的封堵就很難達到應(yīng)有的效果。

圖1 各類封口技術(shù)示意圖

塞式和水囊式封口分別是封堵一個塞子或使得水囊膨脹堵在孔口，這種封孔法封堵后封堵體和鉆孔壁之間，以及鉆孔圍巖的塑性圈內(nèi)仍存在裂隙，形成漏水通道，如圖1(a)所示。

注漿封孔法分為低壓注漿封孔和高壓注漿封孔兩種，低壓注漿封孔不能完全充填鉆孔周圍的原始裂隙，漿體強度低可壓縮量大、對鉆孔沒有足夠的支護作用，不能維護鉆孔的穩(wěn)定性。由于壓力低，對鉆孔壁形不成有效支護作用，在注水時受高壓水作用，在封孔段鉆孔周圍煤體中產(chǎn)生后續(xù)的裂隙，形成漏水通道。如圖1(b)所示。

高壓注漿封孔容易造成跑漿，填滿整個注水鉆孔，造成注水管堵塞，如圖1(c)所示。

2 鉆孔封孔段外側(cè)的漏泄原因與解決方案

大安山煤礦軸10槽工作面注水實踐表明，注水鉆孔存在細小的漏水通道。剛開始注水時封堵體外側(cè)煤體裂隙少，漏水阻力大，但在高壓水的作用下會產(chǎn)生新裂隙，擴大老的裂隙，讓新老裂隙貫通形成阻力很小的通道。煤體裂隙的產(chǎn)生有多種原因，一是由于鉆孔在成孔時對鉆孔壁的切削很難做到均勻，孔壁不光滑，封堵體與鉆孔壁很難密切結(jié)合，兩者之間存在漏水細小的通道；二是由于鉆孔圍巖在強大的支承壓力作用下產(chǎn)生了裂隙發(fā)育的塑性圈，塑性圈成為了漏水通道。開采深度越大，支承壓力越大，塑性圈也就越大，煤層鉆孔封孔越難；三是由于注水壓力提高后，壓力水滲入到封堵體外側(cè)的煤體中，增加了煤體中的應(yīng)力，加大了對鉆孔壁的破壞，增大了鉆孔壁的塑性圈，也就增大了塑性圈漏水通道的面積，造成本來封堵質(zhì)量較好的孔口也產(chǎn)生了嚴重的泄漏。采用水玻璃+水泥注漿能封堵外側(cè)煤體中裂隙，但水玻璃—水泥漿液注到封孔位置時，很容易流到注水腔內(nèi)，將注水腔或注水管填實，造成廢孔。因此只有采用復(fù)合注漿，改變封堵體的結(jié)構(gòu)和封堵體的制作工藝才能解決這一問題。

化學(xué)漿—水泥漿復(fù)合注漿法封孔是綜合利用低成本化學(xué)注漿的快凝性和水泥漿液的滲透性，組合起來形成的封孔新方法。在制作水玻璃—水泥封堵體過程中，在封堵體兩端分別布置2個盛有化學(xué)漿液的布袋，把化學(xué)漿液注入到封孔段兩端的布袋內(nèi)，形成水玻璃—水泥高壓漿液的封堵，以便高壓漿液在未凝固之前不泄漏到鉆孔注水腔和鉆孔孔口之外，可以避免跑漿堵塞注水腔中的注水管。將化學(xué)漿液注入到封孔布袋內(nèi)為提高封孔段水玻璃—水泥漿液的壓力提供了封閉條件。

化學(xué)漿液注入布袋以后，由于布袋外側(cè)鉆孔壁煤體中存有大量裂隙和孔隙，其密封性能并不完善，還存在或大或小的漏漿通道。此時，在對封孔段注水泥漿液時，初段注漿壓力不能太高，以避免布袋外側(cè)產(chǎn)生大量漏漿。由于水泥—水玻璃漿液具有速凝性，流入布袋外側(cè)裂隙中的水泥—水玻璃漿液可以對布袋外側(cè)的漏漿通道實施封堵，因此注入時需從低壓到高壓分3～4次注入，最后布袋外側(cè)的漏漿通道完全堵塞后，可以提高注漿壓力。

在實踐過程中，第一次低壓注漿時，在升壓過程中發(fā)現(xiàn)壓力上升緩慢，在注漿流量較大時，應(yīng)停止注漿1 h左右，封堵布袋外側(cè)裂隙中的水泥漿會先于鉆孔中的水泥漿凝固，封堵布袋外側(cè)裂隙中的漏漿通道。待封堵布袋外側(cè)裂隙中漏漿通道封堵之后再加壓進行二次注漿，把漿液打入封孔段周圍煤體的裂隙中，直到孔口有漏漿出現(xiàn)為止。如此重復(fù)注漿3～4次，封堵效果將達到理想狀態(tài)。

3 化學(xué)漿—水泥漿復(fù)合注漿封孔工藝

封孔從孔口10 m位置開始實施，封孔長度20 m，水泥與水玻璃比例1∶0.2～0.3。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 化學(xué)漿—水泥漿復(fù)合封孔結(jié)構(gòu)

高壓注水鉆采用CMS1-1200/37型或CMS1-4000/55煤礦用深孔鉆車，該鉆車由推進裝置、立柱總成、橫梁、底盤總成、操作臺、泵站六部分組成。注水管采用4分無縫鋼管，截斷成2 m/根的鋼管，共用17根；注化學(xué)漿液采用兩根4分鋁塑管，一根長31 m(外漏1 m)，另一根長11 m(外漏1 m)；注水泥漿液采用4分無縫鋼管，截斷成2 m/根，共用10根。

下注水管操作程序為：在鉆孔內(nèi)先下1～2節(jié)注水管，下第3節(jié)注水管時綁上布袋，并將30 m鋁塑管插入布袋中，跟隨注水管送入孔內(nèi)，然后下4～7節(jié)注水管，在下第8節(jié)注水管時同時下注水泥漿管，跟隨注水管送入孔內(nèi)，然后下8～11節(jié)注水管，在下第12節(jié)注水管時，綁上布袋，并將11 m長的鋁塑管插入布袋中，然后下13～17節(jié)注水管，管路下完后外露4根管子，每根管路做好標記以便后續(xù)注漿識別。

封孔前先向31 m長的鋁塑管注化學(xué)漿到綁在第3節(jié)上的布袋中，直到注滿使布袋堵住鉆孔，之后向11 m長的鋁塑管注化學(xué)漿到綁在第12節(jié)上的布袋中，直到注滿使布袋堵住鉆孔，完成水泥漿封堵段的封堵。形成水泥漿封堵之后，向水泥漿管注水泥漿，先進行低壓注漿，然后逐漸提高壓力注漿3～4次，直到注漿封孔完畢，將兩根4分鋁塑管管口扎緊封閉。再對注水孔進行注水，注水前必須在工作面距注水孔10 m以外和巷道距注水孔10 m以外處掛警戒牌，清除此區(qū)域內(nèi)人員后方可注水；注水過程中如果煤壁大量向外流水，關(guān)小閥門繼續(xù)注水至30 min后撤除管路。

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

大安山煤礦軸10槽煤層是具有強沖擊性能的煤層，在開采過程中曾多次發(fā)生沖擊地壓。根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，確定軸10槽煤層為強沖擊煤層。隨著大安山煤礦開采深度的增加，在該煤層的掘進工作面、采煤工作面發(fā)生沖擊地壓的頻次逐漸增加，破壞性越來越大，給生產(chǎn)系統(tǒng)造成了一定損失。該礦+240 m水平軸10槽工作面采深較大，采深達到800～1200 m，受F23斷層群的影響，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力都較大。此外，煤層具有很強的沖擊性，潛在沖擊隱患較大。為了解除工作面的沖擊地壓隱患，進行了大直徑?jīng)_孔卸壓、煤層注水和局部地段放炮卸壓等綜合措施治理措施。

在軸10槽+240 m水平西一工作面上平巷下幫、下平巷上幫超前工作面100 m范圍內(nèi)布置深孔注水孔，上平巷注水孔孔徑115 mm，下平巷孔徑94 mm，孔間距不大于20 m。當工作面在停采線附近時，往工作面內(nèi)側(cè)20 m和往外側(cè)60 m范圍內(nèi)的注水孔需加密布置，孔間距不大于5 m，高壓注水孔深不低于50 m。工作面采用三八制作業(yè)，2個檢修班，1個采煤班，每個檢修班分別注水1次，由外向里逐個進行注水，注水時間不少于30 min或到注水孔周圍煤壁出水為止，注水泵站壓力不小于15 MPa。

在下平巷距離開切眼100 m處的5個孔使用注化學(xué)漿液封孔，從下平巷距離開切眼120 m處開始，使用了化學(xué)漿—水泥漿液復(fù)合注漿封孔，分別在距切眼60 m、80 m、140 m和160 m 4個注水孔進行監(jiān)測，記錄鉆孔水壓，比較兩種封孔方式1 d內(nèi)的壓力變化，如圖3所示。

圖3 兩種封孔方式注水壓力比較

由圖3可以看出，采用化學(xué)漿—水泥漿復(fù)合注漿封孔方式，注水鉆孔水壓變化不大，補注工作量小，說明注水孔封堵良好。而只采用化學(xué)漿液封孔，水壓很難保持，需要每個班都補注，難以實現(xiàn)鉆孔靜壓注水。

5 結(jié)論

(1)煤層高壓注漿是沖擊地壓工作面開采行之有效的好方法，但需要較好的封孔方法才能使該方法正真得到落實。

(2)煤層注水鉆孔封堵段外側(cè)孔壁中的滲漏通道是客觀存在的，是由多種原因造成的，在注水壓力的作用下滲漏強度會加大。

(3)化學(xué)漿—水泥漿復(fù)合注漿法，可以避免水泥漿液滲漏到鉆孔注水腔內(nèi)，防治堵塞注水管道，同時高壓水泥漿可以滲入到對封堵段外側(cè)的塑性圈裂隙中，有效封堵漏水通道，確保封孔質(zhì)量。