李海伟 武成周 李利娟
【摘 要】九里山矿突水均发生在煤层顶板涌水是由于工作面的回采造成顶板冒落，裂隙带与冲积层沟通而引起的。依据突水水源及地层构造特征制定本次注浆思路为：充填底砾岩空隙及加固基岩风化带裂隙。在该思路的指导下，确定了注浆堵水的钻孔布设、钻具组合、钻进方法等。经过注浆施工，九里山突水工作面出水量减至正常生产采排水平。
【关键词】顶板突水；注浆研究；施工工艺
中图分类号： TD745 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0171-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.083
1 概况
一三采区位于九里山矿一水平最东翼，1987年投产，2008年10月回采结束。地面标高+98米，井下标高-45～-215米，采区走向长1400米，倾斜宽600米，煤层厚度5.02米，地质储量948万吨，累计采出煤量393万吨，整个采区分5个区段进行了回采，采煤方法采用走向长壁分层开采方式。
1.1 突水点情况
一三采区共发生了8次突水（详细情况见突水点卡片），均为顶板突水，大的顶板突水均发生在一三采区的东翼13011工作面和煤柱工作面，13011工作面和煤柱工作面涌水是由于工作面的回采造成顶板冒落，裂隙带与冲积层沟通而引起的，13011工作面以下其它工作面的涌水其根源和通道均来源于13011工作面和煤柱工作面上部突水水源。目前一三采区总水量4.0m3/min，其中东翼为3.5m3/min，西翼水量为0.5m3/min。
1.2 突水点处地层
一三采区主要地层为奥陶系、石炭系、二叠系、第三四系。简介如下：
奥陶系中统马家沟组（O2）：由石灰岩组成，厚度450米左右。
石炭系本溪组（C2b）：由灰色铝土、砂岩组成，含黄铁矿。厚度9米左右。
石炭系太原组（C2t）：由砂岩、泥岩、石灰岩、煤组成。厚度84米左右。
二叠系山西组（P1sh）：由粉砂岩、砂岩、泥岩和煤组成。厚度51米左右。
第三、四系（Q）：由黄土、红土、砾石、砾岩层组成。厚度110-119米。其底部有一层厚3-5米的底砾岩，含丰富的地下水，底砾岩上部有一层隔水的红色粘土层，厚约5米左右。
1.3 突水点处构造
一三采区为单斜构造，构造简单，在该区东部由于方庄断层的牵引煤层呈向斜构造，整个采区仅有一条0.6-3.0米的断层，走向67°，倾角平均70°，倾向南东，该断层斜穿整个一三采区。
1.4 本次注浆堵水的思路
充填底砾岩空隙及加固基岩风化带裂隙是本次注浆堵水的基本思路。二叠系山西组基岩风化带与第三、四系底砾岩呈假整合接触，使第三、四系底砾岩含水层的水源源不断的通过风化带的裂隙和冒落带的裂隙通道进入矿井。第三、四系底砾岩厚3-5米，含有丰富的地下水，是本次注水泥、粉煤灰浆液的主要目的层，其上有5米左右的粘土隔水层，突水点处才具备注浆堵水条件，用粉煤灰浆液充填含水层的空隙，把水挤走，以达到治本的目的，由于隔水层的存在，底砾岩相对封闭，不至于用料量太大。其下的基岩风化带裂隙与开采形成的冒落裂隙已经串通，把底砾岩的水导入矿井，因此基岩风化带导水裂隙和开采冒落带裂隙通道也是本次治理的对象，对此应以水泥浆为主，把导水裂隙堵死，使底砾岩的水不能进入矿井，以达到治标的目的。
通过以上的堵水思路要达到堵住浅部底砾岩的水进入矿井，同时截断深部顶板冒落裂隙带基岩风化带裂隙的沟通，使底砾岩强含水层的水不具备进入矿井的通道，以达到由于工作面的回采造成顶板冒落，其裂隙带不能与底砾岩强含水层的水沟通，防止淹掘进头进水甚至淹井事故的发生，改善一三采区顶板含水层及含水层补给通道水文地质条件。
1.5 地面钻孔布置及钻孔结构
该工程根据井下突水点位置在地面布置钻孔，加固一三采区东翼13011工作面和煤柱工作面回采造成顶板冒落，裂隙带与冲积层沟通而引起的顶板上部突水水源及通道。注浆鉆孔结构具体情况如下：
用Φ152mm开孔，钻进至底砾岩下Φ133mm套管止水注浆，全孔灰浆固管，检验止水效果，然后在底砾岩段注浆，然后再用Φ108mm孔径钻进，钻进至设计地层位置注浆。
钻孔施工过程要求钻具配置合理，保证钻孔的垂直度，并做好简易水文地质观测工作。
2 施工场地布置及要求
2.1 道路
至井场的道路，宽度为8m， 15m长货车能进出自由，保证钻机搬迁车正常通行。道路路基压实，中间略高两侧略低，有排水沟，不影响雨季施工。
2.2 井场
井场为30×30m正方形，方便设备进出、钻井液循环系统以及钻井液净化设备的安装。泥浆池根据场地的实际情况建造，不影响交通和设备进出。
钻场场面平整，虚土部分轧实，对钻塔底座进行挖方、以利钻塔设备安装平整。
井场四周建泄水沟、围土堰，以备雨季防洪。
2.3 注浆站
注浆站布置在注浆区域中部，尽量减少压力损失。场地面积为30×30m。
3 钻探施工技术
3.1 钻具组合
钻具组合应力求合理，并考虑钻具的垂直性及钢性，根据“长、直、粗、重、刚”的原则，做到下部粗重长直，以利防斜和提高钻效。
组合顺序（自下而上）：
Ф110mm钻头—Ф89mm加重钻铤（9米左右）—Ф68钻铤（70米左右）—Ф50mm钻杆。然后逐级扩孔至Ф152mm，置入Ф133mm护壁兼注浆管。
Ф110mm取心钻头—Ф94mm岩芯管（4.5米左右）—Ф68钻铤（70米左右）—Ф50mm钻杆。
3.2 钻进方法
根据本矿区的地层地质特点，为优质高效地完成施工任务，本次设计以PDC钻进为主，硬质合金、金刚石钻进为辅的钻进方法。见表1
3.3 钻进参数
钻进参数见下表2。
3.4 冲洗液与护壁
（1）冲洗液的选用
粘土粉：钠土粉。
聚丙烯酰胺：高分子量，优质。
纤维素：中高粘度。
优质烧碱、纯碱，优质腐植酸钾等各种护壁剂。
根据地层特征，配制不同指标的化学泥浆。见下表3。
（2）冲洗液的净化
循环系统长度不少于15米。每1.5米加1挡板，观测池用2立方米的标准观测池。每趟钻都要及时清理循环槽的沉渣，钻进时采用除砂器进行机械除砂。如泥浆老化，性能指标无法保持，则彻底换浆。
3.5 防斜措施
根据本区的地层情况，采用防斜措施如下：
（1）严格按设计施工，不准随意改变设计的各种技术参数。
（2）把好安装关，钻塔安装一定要平整牢固，做到三心照。
（3）把好开孔关，保证开孔要垂直。
（4）把好钻进关，正常钻进三班的技术参数要基本一致，岩芯管不得短于4.5米，弯曲钻具不得下入孔内，钻铤重量大于钻头所需压力的30%。
（5）钻压不得超过钻铤的自重压力，严禁钻进过程中用钻杆加压。
4 套管固结
Ф110mm钻头开孔，见底砾岩扩孔至152mm下入Ф133mm护壁兼注浆管，，壁厚4.5mm。全管外围进行水泥浆固管，待凝固后必须在孔口进行耐压试验，耐压试验的压力不小于含水层静水压力的2倍，持续耐压时间不少于30分钟，不合格必须重封，合格后才可以二级取心钻进，最大抗压能力要与注浆终孔压力相匹配，即不低于含水层静水压力的2倍，套管固井合格后，即成井可开始注浆。
