同时观测两含水层的水文观测孔施工技术

２０１２年第１期　中州煤炭　总第１９３期　同时观测两含水层的水文观测孔施工技术　刘建康　（河南永锦能源有限公司云盖山煤矿一矿，河南禹州４６１６７０）　摘要：矿井水文观测是矿井防治水工作的基础工作，利用水文观测孔对威胁矿井安全回采的含水层进行水　量、水压观测，是矿井水害预测预报、并进行针对性治理的依据。云盖山井田二．煤深部回采同时受石炭系　太原组下段灰岩及寒武系灰岩２层含水层突水威胁，矿井利用多级套管及分段注浆的施工技术，实现了１个　钻孔同时观测２层含水层，取得了较好的安全效果和经济效益。　关键词：水文观测；钻孔；多级套管；分段注浆　中图分类号：ＴＤ７４５．２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００３—０５０６（２０１２）Ｏ１—００７６—０３　１　矿井概况　河南永锦能源有限公司云盖山煤矿一矿位于禹　州市磨街乡佛山村，矿井处于云盖山井田的中部。　水层以崮山组白云质灰岩为主。据钻探、测井等资　料揭露，该含水层厚度１．６７—５３．０９　ｍ，赋存于顶界　面以下３０—６０　ｍ范围内为含水层的强径流带，向深　部富水性变弱。原始水位标高＋２８０一＋２５６　ｍ，为　煤矿区内地层出露较好，矿区发育的地层有寒武系　上统崮山组，石炭系上统太原组，二叠系山西组、上　石盒子组、下石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组　强富水含水层，上距二，煤层平均６９　ｍ，是二。煤底　板间接充水含水层。　（２）石炭系上统太原组下段灰岩含水层（Ⅱ．）。　该含水层由Ｌ　一Ｌ，四层含燧石灰岩组成，平均厚　１４．８４　ｍ，可溶性成分高，因岩溶裂隙发育的极不均　匀性导致富水性很不均一，原始水位标高＋２７４．２６　一以及第四系。含煤地层为上石炭统太原组，二叠系　山西组、下石盒子组和上石盒子组，其中二叠系山西　组为主要含煤地层¨　。矿井开采山西组二　煤层，　开采方法为走向长壁综采低位一次采全高放顶煤开　采。煤层赋存标高＋２００一一４５０　ｍ，埋深１００～８００　ｍ。　＋２５８．１０　ｍ，含水层总体上富水性中等，上距二．　（３）石炭系上统太原组上段灰岩含水层（Ⅱ，）。　煤层平均４６．７　ｍ，为二．煤底板间接充水含水层。　该含水层由Ｌ　一Ｌ８四层石灰岩组成，平均厚度　１３．４７　ｍ，其中Ｌ。与Ｌ。灰岩全区稳定发育。含水层　富水性弱，一般情况下对开采二，煤影响不大。上　距二，煤层平均７　ｍ，为二　煤底板直接充水含水层。　２．２隔水层　矿区基本构造形态为走向北东、倾向南东的单　斜构造。地层倾角一般１５。～２２。。褶曲不发育，区　内断层较少，构造类型属于中等构造类型。　２矿井水文地质条件　２．１含水层　矿区内各含水层之间赋存有相对隔水层，正常　情况下，可起到隔水作用。　（１）太原组上段顶部隔水层。太原组Ｌ０灰岩　至二．煤底板间的泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，沉积不　稳定，平均厚９　ｍ，在开采条件下失去隔水作用。　井田内对煤层开采有影响的主要为二．煤层底　板下伏的石炭系上统太原组上段灰岩含水层　（Ⅱ：）、石炭系上统太原组下段灰岩含水层（Ⅱ　）、　寒武系上统白云质灰岩含水层（Ｉ）。上述含水层　均属底板进水的岩溶裂隙含水层，是矿井充水的主　要来源。　（２）太原组中部砂泥岩段隔水层。Ｌ　灰岩顶板　至Ｌ。灰岩底板的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及夹少量　细砂岩，平均厚１９．３２　ｍ，层位稳定，一般情况下该　（１）寒武系上统白云质灰岩含水层（Ｉ）。该含　隔水层可阻断太原组上、下段灰岩含水层的水力联　收稿日期：２０１１—０９—０７　作者简介：刘建康（１９７２一），男，山东高唐人，助理工程师，２００９年　毕业于山东科技大学，现从事技术管理工作。　・系，一般条件下是良好的隔水层段，但在断层附近会　破坏其隔水作用。　（３）太原组底部铝土泥岩隔水层。寒武系顶部　７６・　２０１２年第１期　刘建康：同时观测两含水层的水文观测孔施工技术　总第１９３期　与太原组下段灰岩之间的铝土质黏土岩平均厚７　ｍ。特别是在断层影响下深部开采底板压力增大的　情况下，难以阻断寒武系石灰岩含水层与太原组石　灰岩含水层之间的水力联系。　３矿井水害防治重点　矿区寒武系灰岩水为强富水含水层，是矿井防　范的主要对象。二。煤层至寒武系灰岩含水层之间　由上述３层隔水层及太原组上、下段灰岩含水层构　成，由于太原组上段灰岩含水层富水性弱，可将其与　二．煤层间的距离近似视为隔水层厚度，太原组下　段灰岩含水层富水性中等，且与下伏寒灰强含水层　之间的平均间距７　ｍ，在深部尤其是在断层影响底　板压力增大的情况下，难以阻断寒武系石灰岩含水　层与太原组石灰岩含水层之间的水力联系。　云盖山井田现在观测的寒灰水位一般在＋１５５　一＋１９０　ｍ，矿井二．煤回采标高已在±０　ｍ以下，为　承水压开采。因此，矿井必须对太灰下段、寒灰含水　层进行水文观测，掌握两含水层的水位、水量等动态　变化规律及其之间的水力联系，以便进行水害预测　预报及采取针对性治理措施，确保矿井安全生产。　４水文观测孔的设计　为对各含水层进行有效隔断，防止人为导通各　含水层，尽量延长钻孔使用寿命，矿井水文观测孔设　计采取了三级套管、分层隔断的方式　；同时，为有　效利用钻孔进尺，减少钻孑Ｌ个数，降低材料及其他钻　孑Ｌ成本投入，并可实现同一点对上下２层含水层同　时观测，在三级套管注浆时采取外循环内注式、控制　初凝时间、二次补注后再进行试压试验的方法，仅对　三级套管底部太灰下段出水点以下铝土质泥岩段进　行注浆封闭，做到既能彻底隔离各含水层段，又能有　效利用二、三级套管之间间隙，实现利用同一钻孑Ｌ对　两含水层进行分源观测。　水文观测孑Ｌ具体设计如下：施工钻场位置设在　一２３　ｍ水仓外仓门口正对处，钻场规格３　ｍ×３　ｍ×　３．５　ｍ（长×宽×高），设计钻孔倾角一９０。，深约１２０　ｍ，一级孔径１５３　ｍｍ，下人　１４６　ｍｍ套管８　ｍ，主要　用作保护孔壁及太灰上段少量出水时的封堵；二级　孔径１１３　ｍｍ，下人（２ｊ１０８　ｍｍ套管４０　ｍ左右，主要　对太灰上段进行阻隔；三级孔径９４　ｍｍ，下入　８９　ｍｍ套管至寒灰顶板，深约７０　ｍ，主要阻隔太灰下段　含水层，并利用二、三级套管的上部间隙保留部分太　灰下段水量，进行水压观测；终孑Ｌ孔径不低于７５　ｍｍ，终孔层位为进入寒灰以下３０—５０　ｍ。观测孔　施工选用ＳＧＢ—ＩＢ３００型钻机及配套钻探设备；注浆　选用２ＺＴＧ．６０／２１０型注浆泵。设计钻孔结构如图１　所示。　Ｒ寸　套管　层厚／　柱状　岩性层段　说明　结构　４．０　二Ｉ煤段　Ｊ　ｌ　Ｊ　冒　９．０　互层段　泥岩、砂质泥岩　昌　１５．０　太原组灰岩上段　导　Ｅ　２２．０　砂质泥岩、泥岩　互层段　卜　１４．５　太原组灰岩下段　６．Ｏ　铝质泥岩段　＾】　基　０　０　ｎ　１５０．６　寒武系灰岩段　１　图１设计钻孔结构示意　５钻孔施工及注浆工艺　５．１钻孔施工　一级孔径１５３　ｍｍ，下人（２ｊ　１４６　ｍｍ套管８　ｍ左　右，管外用水泥全封闭，封闭２４　ｈ后进行扫孔耐压　试验，试验压力不低于３　ＭＰａ，持续时间不少于３０　ｍｉｎ。二级孔径１１３　ｍｍ，下入　１０８　ｍｍ套管４０　ｍ，　管外用水泥全封闭，封闭２４　ｈ后进行扫孔耐压试　验，耐压试验压力不低于６　ＭＰａ，持续时间不少于３０　ｍｉｎ。三级孔径９４　ｍｍ，下人（２ｊ８９　ｍｍ套管至寒灰顶　板，深约７０　ｍ，利用外循环内注式封闭二、三级套管　之间太灰下段出水点以下段，保留二、三级套管之间　太灰下段水流通道；２４　ｈ后扫孔至孔底后二次利用　内注式补注，以泵压为４　ＭＰａ，二、三级套管不串通　为结束标准。２４　ｈ后再扫孔试压，耐压试验压力不　低于６　ＭＰａ，持续时间不少于３０　ｍｉｎ。试压合格后　换用　７５　ｍｍ钻头钻进，直至终孔，终孔层位为进入　寒灰以下５０　ｍ左右。　５．２　注浆工艺　井下注浆选用２ＺＴＧ．６０／２１０型注浆泵，并用相　匹配的高压胶管、快速接头连接，耐压不得低于６　・７７・　２０１２年第１期　中州煤炭　段出水点水量，达到隔离测压的目的。　总第１９３期　ＭＰａ，注浆孔孔口要安设耐震压力表，不低于６　ＭＰａ。　孔口管采用水泥、水玻璃双液浆封闭，水泥浆浓　度（水灰质量比）１：（１～１．５），水泥浆与水玻璃的体　积比１：（０．６～０．４）。注浆工程中均使用强度不低　于Ｐ．０４２．５的水泥与３５～４０。Ｂ６规格的水玻璃　。　注浆时水泥浆浓度由稀到稠，水灰比１：（０．５—１），　６钻孔观测效果　设计该水文观测孔并于２０１０年６月施工完毕　后，即安装测压表对寒灰、太灰下段水位分别进行了　观测，因２００９年降水量较大，两含水层水位变化相　应较大，观测寒灰水位在＋１５４～＋１９２　ｍ之间，太　灰下段水位则在＋１６３～＋１７８　ｍ之间。通过１　ａ多　的观测，基本掌握了寒灰、太灰下段水位变化及其间　水泥浆密度１．３０—１．５０　ｔ／ｍ　。以上参数可视注浆　情况、压力变化及时进行调整，确保注浆的连续性。　透孔并钻进超过孔口管长度１．０　ｍ左右时，必须对　孔口管进行耐压试验，试验压力不小于含水层水压　的３倍，该处水压在１．８　ＭＰａ左右，设计打压试验压　力为６　ＭＰａ，稳定时间不小于３０　ｍｉｎ，以孑Ｌ口周围无　漏水现象为孔口管固定合格；注浆压力应为静水压　力的２—３倍（３．６～５．４　ＭＰａ），设计４　ＭＰａ，持续时　间３０　ｍｉｎ。耐压试验以钻孔周围无出水现象为封孔　合格。　井下注浆工艺流程。利用井下简易搅拌机制备　好水泥浆，并用筛网过滤至储浆灰桶，水玻璃盛入另　一注浆桶。连接孑Ｌ口注浆装置，启动注浆泵，先用清　水冲洗钻孔孔底岩粉，孔内冲洗干净后，先将一吸浆　笼头放入水泥浆桶，上浆后再将另一吸浆笼头放入　水玻璃桶，要保证连续注浆。停注时，也要先停水玻　璃，再停水泥浆，并及时用清水洗泵，防止残留双液　浆在泵体内凝固。　注浆工艺的重点是对三级套管底部太灰下段出　水点以下铝土质泥岩段进行注浆封闭，利用水泥一　水玻璃双液浆凝固快但抗压性不强的特点，利用外　循环内注式注浆法，即通过三级套管管内注浆，二级　与三级套管之间间隙返浆。注浆至二、三级套管间　返出浆液，立即停注。由于水泥、水玻璃浆液密度　大，混合浆液沉淀于太灰下段出水点以下泥岩段并　凝固。太灰下段出水点以上混合浆液则被水冲淡并　部分冲出，三级套管周围只能局部凝固，保留了出水　通道。一次注浆封闭达不到效果的，可二次、三次补　封，补封时根据管内外畅通情况可减少或不用水玻　璃，直至封闭合格。三级套管封闭试压合格后，二、　三级上部再用１个特制的二级套管短接三通对二、　三级套管上部进行封闭，三通是（２ｊ１０８　ｍｍ短管（长　０．４　ｍ）紧靠下部焊１个　１１　ｍｍ丝头，用以安装测　压表。三通上好后丝头之上与三级管间隙部分先用　盘根堵实，再用速凝水泥填实凝固，以关闭三通阀门　不渗水为合格标准。这样，既封闭了二、三级套管之　间太灰下段出水点以下部分，又同时保留了太灰下　・７８・　局部的水力联系规律，为矿井防治水工作提供了宝　贵的第一手资料。　７创新点及存在问题　（１）创新点。利用三级套管及分段注浆封闭技　术，对各含水层进行了有效隔断，在增加钻孔使用可　靠性、延长钻孔使用年限的同时，实现了１个钻孔对　两含水层的独立观测。　（２）存在的问题。太灰下段仅能进行水压观　测，钻孔二、三级套管之间，尤其是钻孔孔口部分封　闭段只有约０．３　ｍ，如太灰水量过大，则难于封闭，　只能采取事先注浆的办法保留少量水，水量以３　ｍ　／ｈ左右为宜。另外，对三级套管丝扣的防渗漏处　理及二、三级套管间上下２部分的封闭技术要求较　高。　８　结语　利用多级套管及分段注浆封闭技术，可以实现　１个钻孔对２层含水层进行独立观测。减少了永久　水文观测孔的数量及材料消耗，并可保证钻孑Ｌ的观　测寿命。同时通过该技术的实施，可以锻炼员工钻　孔施工及注浆技术，提高员工应对复杂条件下处理　失控钻孔的能力，对受水害威胁的煤矿具有一定的　推广价值。　参考文献：　［１］　王泽轩，王海泉，司方圆，等．河南省永锦能源有限公司云盖山　煤矿一矿生产矿井地质报告［Ｒ］．郑州：河南省煤炭地质勘察　研究院，２００８．　［２］袁亮，葛世荣，黄盛初，等．煤矿总工程师技术手册［Ｍ］．北京：　煤炭工业出版社．２０１０．　［３］刘文永，王新刚．注浆材料与施工工艺［Ｍ］．北京：中国建材工　业出版社，２００８．　（责任编辑：梁郁鑫）