1　赵固二矿地质及水文情况

1.1　矿区构造

焦煤集团新乡能源有限公司赵固二矿井田位于太行山南麓焦作煤田东部，井深707.5m，矿井设计生产能力1.8Mt／a，服务年限55.5a。

井田总体形态为一走向NW，倾向SW，倾角3°～21°（一般4°～l0°）的单斜构造。受区域构造控制，井田内构造特征以断裂为主，局部发育小幅度次级褶曲。较明显的褶曲有3个背斜和1个向斜，使二₁煤层底板等发生不同程度的扭曲，部分煤层底等高线表现为马鞍状。全井田共发育断层47条，其中落差大于等于500m的1条，落差大于等于100m、小于500m的3条，落差大于等于50m、小于100m的2条，落差大于等于10m、小于50m的16条，落差大于等于5m、小于10m的9条。

1.2　矿井充水的主要含水层

矿井主要含水层有4个：①奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，遇有导水构造极易突水；②太原组下部灰岩含水层，正常情况对二₁煤层没有影响；③太原组上部灰岩含水层L₈，灰岩含水层上距二。煤层19.32～29.20m，为二₁煤层底板主要充水含水层；④二₁煤顶板砂岩含水层。含水层较多，距煤层顶板较近，对生产威胁较大。

2　北部地区概况

上段北部大巷位于I盘区东部，标高-630～-690m，西邻FS₃、FS₁₁断层，北邻FS₃断层，南部与11071工作面相邻。回风大巷设计长度764m，轨道大巷设计长度770m。上段北部大巷附近有三条断层，分别为FS₃、FS₁₁、F₁₁₂，其中F₁₁₂断层会在巷道中揭露，这三条断层均为正断层。

3　钻孔技术要求

3.1　施工流程

开孔（→下护煤管→注浆固护煤管→透孔）→钻进→下一级套管→注浆固一级套管→透孔试压合格→钻进→下二级套管→注浆固二级套管→透孔试压合格（→钻进→下三级套管→注浆固三级套管→透孔试压合格）→钻进至终孔→起钻验收。

3.2　钻孔结构

（1）采用Φ153mm钻具开孔，钻进过煤层。若煤层破碎，则需下设Φ146mm护煤管。若煤层完整，无塌孔现象，则更换Φ133mm钻具，钻进到一级套管深度，下入Φ127mm一级套管；固管、扫孔、试压合格后，用Φ113mm钻具钻进过一级套管位置，下入Φ108mm二级套管；固管、扫孔、试压合格后，用Φ75mm钻具钻进至终孔。

（2）若需下设三级套管，则在二级套管试压合格后，更换Φ94mm钻具，钻进至三级套管深度，下入Φ89mm三级套管，三级套管长度要求不低于该孔下设的二级套管长度；固管、扫孔、试压合格后，用Φ75mm钻具钻进至终孔。

（3）若钻进过程中，遇破碎、见软等异常情况，钻进或下设套管困难，需要下设护孔管或提前下设套管，同时，必须保证该孔下设的最后一级套管长度不小于钻孔设计参数的最后一级套管的长度。

3.3　注浆固管

3.3.1　护煤管

（1）煤层破碎情况下，钻孔过煤后，下设Φ146mm套管作为护煤管，护煤管长度至少穿过煤层。然后更换Φ133mm钻具，钻进过一级套管深度，下设Φ127mm一级套管。下护煤管、一级套管时，在护煤管外壁以及一级套管外壁缠上麻丝，以减少跑浆、漏浆。注浆固管采用水泥、水玻璃混合的双液浆，其重量比为10:1，水玻璃浓度为45Bé。浆液从一级套管内压入，待护煤管与孔壁、护煤管与一级套管之间流出浓稠浆液后，停止注浆；若护煤管与一级套管之间未流出浓稠浆液，或者流出浆液少、结块率低，则需要从护煤管上预留的出浆口向孔内压浆，待一级套管内流出浓稠浆液后，停止压浆，关闭护煤管上出浆口的阀门。凝固8h后，扫孔至孔底，向套管内压入清水进行耐压试验。试验压力达到10MPa，稳压达到30min，孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水，即为试压合格。否则，应进行补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液应为稀浆，不宜浓稠。补浆至孔内不进浆时，停止注浆。凝固24h后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。

（2）若煤层破碎严重，护煤管长度未穿过煤层，或者煤层以下仍有破碎情况，则需对护煤管进行固管，同时起到加固钻孔作用。固管前，向管内压入清水，冲洗套管的外壁与孔壁间煤粉，以提高固管质量。下护煤管时，在套管和孔壁间塞入麻丝，以减少跑浆、漏浆。注浆固管采用水泥、水玻璃混合的双液浆，其重量比为10:1，水玻璃浓度为45Bé。浆液从套管内压入，待套管与孔壁间流出浓稠浆液后，停止注浆。凝固8h后，扫孔至孔底，向套管内压入清水进行耐压试验。孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水，即为试压合格。否则，应进行补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液应为稀浆，不宜浓稠。补浆至孔内不进浆时，停止注浆。凝固24h后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。

3.3.2　一级套管

钻孔钻进过一级套管深度后，首先进行冲孔，将孔内岩粉、碎块冲洗干净，然后开始下一级套管。为保障套管能下到设计长度，要在第一根套管前端开口并镶嵌合金，用钻机旋转方式向孔内下套管（遇有钻孔塌孔卡钻时，不得强行扭动套管）。套管下到设计深度后，向管内压入清水，冲洗套管的外壁与孔壁间岩粉，以提高固管质量。固管前在套管和孔壁间塞入麻丝，以减少跑浆、漏浆。注浆固管采用水泥、水玻璃混合的双液浆，其重量比为10:1，水玻璃浓度为45Bé。浆液从套管内压入，待套管与孔壁间流出浓稠浆液后，停止注浆。凝固8h后，扫孔至孔底，向套管内压入清水进行耐压试验。试验压力达到10MPa，稳压达到30min，孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水，试压合格。否则，应进行补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液应为稀浆，不宜浓稠。补浆至孔内不进浆时，停止注浆。凝固24h后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。试压合格后，在孔口一级套管上安装好法兰盘，法兰盘上预留有出浆口，以备固二级套管使用。

3.3.3　二级套管

下二级套管与下一级套管的施工工艺基本一致。二级套管下好后，孔口安装二级套管法兰盘。在一、二级套管法兰盘之间加铅垫、涂抹铅油密封后，再安装注浆闷盖，用螺丝将一、二级套管法兰盘和注浆闷盖固定在一起。二级套管固管注浆采用单液水泥浆，水灰比为1:0.3～1:0.7。注浆时，首先从一级套管上预留的出浆口向孔内压浆，待注浆闷盖出浆口流出浓稠的浆液后，关闭注浆闷盖出浆口阀门，继续压浆，直至注浆压力达到10MPa时，停止压浆，关闭一级套管出浆口阀门。将注浆管连接到注浆闷盖出浆口阀门上，打开注浆闷盖出浆口阀门，再次压浆，注浆压力达到10MPa后，停止压浆，关闭注浆闷盖出浆口阀门。凝固24h后，扫孔、试压。试验压力达到15MPa，稳压达到30min，孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水，试压合格。否则，应进行补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液应为稀浆，不宜浓稠。补浆至孔内不进浆时，停止注浆。凝固24h后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。

3.3.4　三级套管

下入三级套管后，需在二、三级套管法兰盘之间安装出浆口，用加长螺丝将带出浆口的双法兰盘、一级、二级、三级套管的法兰盘以及注浆闷盖连在一起，法兰盘之间加铅垫、涂抹铅油密封。三级套管固管注浆采用单液水泥浆，水灰比为1:0.3～1:0.7。注浆时，首先从二、三级套管法兰盘之间的出浆口向孔内压浆，待注浆闷盖出浆口流出浓稠的浆液后，关闭注浆闷盖出浆口阀门，继续压浆，直至注浆压力达到10MPa时，停止压浆，关闭二、三级套管法兰盘之间的出浆口阀门。将注浆管连接到注浆闷盖出浆口阀门上，打开注浆闷盖出浆口阀门，再次压浆，注浆压力达到15MPa后，停止压浆，关闭注浆闷盖出浆口阀门。凝固24h后，扫孔、试压。试验压力达到15MPa，稳压达到30min，孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水，试压合格。否则，应进行补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液应为稀浆，不宜浓稠。补浆至孔内不进浆时，停止注浆。凝固24h后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。

3.4　注浆方式、材料和浆液配比情况

（1）注浆方式。采用地面注浆和井下注浆相结合的注浆方式，如果钻孔地面注浆注不进，可以考虑使用井下注浆泵进行注浆。

（2）地面及井下注浆材料。地面注浆材料选用P·C 32.5硅酸盐水泥和粘土；井下注浆材料选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

（3）地面注浆及井下浆液配比。正常情况下，混合浆比重为1.12～1.18；井下注浆时，水灰比为1:0.3～1:1，根据施工情况对浆液配比进行调整。

4　施工优化方案

（1）针对灰岩上部泥岩段破碎及遇水膨胀现象，果断采取风力排粉，这样会对泥岩周围扰动大大减小，为下设套管创造有利条件；

（2）目前采取传统的Φ153mm钻头开孔，下设Φ146mm护煤管，孔壁与套管之间间隙过小，在导向起出之后，钻孔缩径过快，导致套管下设困难，优化施工方案，更改开孔钻头：由Φ153mm钻头更改为Φ165mm钻头，下设Φ146mm套管，增大孔壁与套管之间间隙，即使在钻孔缩径之后，孔径仍能满足下设Φ146mm套管需求。

（3）针对注浆效果差，通过查找资料及对比，发现目前地面注浆站采用的P.C.32.5水泥存在颗粒较大、凝固周期长等缺陷。北部地区注浆换用P.O.42.5水泥，该型号水泥颗粒更细、硬化速度更快、抗压性能更好，浆液能够更好的通过导水裂隙扩散，并能在孔壁形成保护膜，起到保护孔壁的作用。同时为使浆液能够更好的通过细小的导水裂隙，尝试将浆液比重调整在1.12～1.15。

（4）针对塌孔注浆及工期要求，钻孔出水在15m³/h左右时，孔内涌水在钻杆的转动下能够有效地将孔底岩粉排出，对排渣起到了良好作用。在钻孔终孔、复孔小于10m³/h时，采用井下注浆方式。钻孔在下设二级套管之后的钻进过程中，钻孔涌水量（20m³/h以内）在人为能够控制的范围内不轻易起钻，可以通过采取钻机低泵压高转速的钻进方式将孔底岩粉带出。

（5）钻孔在揭露L₈灰岩或即将揭露时，涌水量在20～35m³/h左右，采取传统的地面注浆方式达不到预想效果，主要原因在于地面注浆泵流量大（低档位排浆量也在58L/min），容易对孔壁造成破坏。通过优化方案，采用地面低档压水的方式，将导水通道打开，如果压水压力大于6MPa时，使用井下注浆，利用井下注浆泵流量小、压力大的特点，在减少对孔壁造成破坏情况下，缓慢将浆液填充至裂隙中。

（6）个别钻孔复孔次数达到十余次，但每次复孔之后钻孔吃浆量依然很少，浆液大部分浪费在注浆管内起不到相应作用。在钻孔二次复孔仍注不进浆液时，可以采取多开孔的方法寻找导水裂隙，不能将全部精力浪费在一个注不进浆液的钻孔上。

5　结语

本次施工方案优化重点解决了两个技术难题，一是解决了泥岩段下设套管难的难题，通过采用风力排粉及大孔径开孔，充分返渣及解决泥岩缩径问题；二是注浆效果达不到设计的骨料比水1.67t/m³/h要求，通过调整浆液比重及材料型号，水泥颗粒变小，有效地渗透到导水裂隙中，对注浆加固起到有效作用。

参考文献

[1]煤矿防治水手册．

[2]赵固二矿底板注浆加固及改造管理办法．

[3]赵固二矿水文地质报告．

收稿日期：2017-10-10

作者简介：王志远（1988-），男，河南焦作人，供职于河南能源焦煤集团有限公司赵固二矿。