郭師軍

（晉城煤業(yè)集團(tuán)古書院礦，山西 晉城 048000）

煤礦在進(jìn)行瓦斯抽采、深孔注漿、水力壓裂等工程時(shí)，不可避免需要施工30m以上的深孔鉆孔。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好、圍巖強(qiáng)度高時(shí)，施工較為容易，但需要穿過構(gòu)造區(qū)、裂隙集中區(qū)、破碎帶時(shí)，容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，甚至鉆桿也難以退出回收，不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度，或者成孔后來不及插管即出現(xiàn)塌孔[1-3]。類似問題普遍存在，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和質(zhì)量，浪費(fèi)大量鉆桿。以往多采用下套管方法護(hù)孔，但深度超過10m后，套管安裝即十分困難，對(duì)于百米深孔施工更不現(xiàn)實(shí)[4]。針對(duì)趙莊煤業(yè)1308工作面注漿鉆孔施工當(dāng)中遇到的問題，介紹了單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝及應(yīng)用效果，以期為類似情況下鉆孔施工提供參考。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)1308大采高工作面走向長950m，傾斜長220m，開采3#煤層，平均厚度為4.7m，走向上平均仰角為4°，傾向上近水平。布置13081和13082兩條順槽，設(shè)計(jì)巷寬均為5m，高均為4.5m。

煤層上方賦存一層1～3m的薄層狀泥巖偽頂，極不穩(wěn)定，易風(fēng)化，受擾動(dòng)易冒落，在前期的巷道掘進(jìn)以及工作面回采當(dāng)中已有明顯體現(xiàn)。掘進(jìn)時(shí)，巷道多處冒落形成超高區(qū)，巷高甚至達(dá)7.5m，工作面回采過程中也出現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂現(xiàn)象，經(jīng)常連續(xù)半月不能推進(jìn)，消耗大量化學(xué)漿。

為了避免工作面在經(jīng)過超高區(qū)時(shí)偽頂冒落支架不能接頂，礦方?jīng)Q定在超高區(qū)范圍從兩順槽施工深孔對(duì)偽頂以及煤壁進(jìn)行注漿加固。鉆孔布置參數(shù)如下：

在兩順槽內(nèi)均施工鉆孔，鉆孔布置方式為上、下兩排。下排孔布置在煤壁，距離底板2.5m，仰角2°；上排孔布置在偽頂內(nèi)，距離底板5.5m，仰角1°。孔徑均為75mm，孔深均為115m，上排、下排鉆孔間距均為10m。如圖1所示。

兩順槽各設(shè)計(jì)12個(gè)鉆孔，在鉆孔施工時(shí)，孔深30～35m、70～75m范圍需通過破碎帶，如圖2所示。通過30～35m時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的卡鉆情況，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)嘗試重新開孔、水排渣改為風(fēng)排渣、圓鉆桿改為三棱鉆桿，均無法解決，40d未施工成功一個(gè)鉆孔。

圖1 鉆孔布置平面圖

圖2 深孔穿過破碎帶示意圖

2 單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝

2.1 解決思路

鉆孔難以通過破碎帶，破碎帶存在大量裂隙，完整性差要對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固，提高完整性和強(qiáng)度。可以采取兩種方案：

（1）方案一：三次鉆孔三次注漿法。根據(jù)兩處破碎帶深度30～35m、70～75m，設(shè)計(jì)三次注漿方案。第一次設(shè)計(jì)孔深30m，整體注漿，利用漿液滲透作用加固30～35m破碎帶；第二次設(shè)計(jì)孔深70m，同樣利用漿液滲透作用加固70～75m破碎帶；第三次設(shè)計(jì)孔深115m，進(jìn)行整體注漿加固。

（2）方案二：?jiǎn)慰籽h(huán)注漿鉆進(jìn)工藝。鉆孔施工至30m破碎帶邊緣時(shí)，退鉆不插管注漿，鉆機(jī)位置不動(dòng)，漿液硬化后套孔，套至70m破碎帶邊緣時(shí)，退鉆不插管二次注漿，鉆機(jī)位置不動(dòng)，漿液硬化后然后套孔，套至設(shè)計(jì)深度115m時(shí)，插管進(jìn)行最后一次注漿。

可以看出，方案一是根據(jù)常規(guī)思路進(jìn)行的分層次注漿，破碎帶數(shù)量越多，施工越復(fù)雜，鉆孔工程量巨大，且只能分步進(jìn)行，頻繁挪動(dòng)鉆機(jī)。方案二可以多臺(tái)鉆同時(shí)施工，互不干擾，成一個(gè)孔過程中不需挪動(dòng)鉆機(jī)，優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝

根據(jù)上述介紹，單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝即是一個(gè)鉆孔，循環(huán)鉆進(jìn)、退鉆、注漿工藝，對(duì)破碎帶分別加固，最終達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。一個(gè)鉆孔實(shí)現(xiàn)多次注漿的關(guān)鍵在于前幾次注漿不可以插管，否則鉆孔無法套孔。具體通過特制套管來實(shí)現(xiàn)。實(shí)施方式為：

（1）地面預(yù)先加工套管，套孔采用Ф108mm無縫鋼管，分為兩節(jié)，2m/節(jié)，加工絲扣連接，其中1節(jié)一端焊接一片空心高壓法蘭盤，另一片法蘭盤上開孔焊接注漿連接口，如圖3所示。

（2）鉆機(jī)施工時(shí)，先使用Ф133mm鉆頭鉆進(jìn)4m，退鉆，用棉布包裹套管送入孔內(nèi)，與孔壁貼嚴(yán)。然后換Ф75mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至30m，當(dāng)有破碎卡鉆跡象時(shí)，立即退鉆，上緊兩片法蘭盤，利用外側(cè)法蘭盤上的注漿連接口進(jìn)行注漿，對(duì)破碎帶進(jìn)行加固。

（3）漿液固化后，套孔，鉆進(jìn)至70m，當(dāng)有破碎卡鉆跡象時(shí)，立即退鉆，利用外側(cè)法蘭盤上的注漿連接口進(jìn)行二次注漿，對(duì)破碎帶進(jìn)行加固。

（4）漿液固化后，套孔，鉆進(jìn)至115m設(shè)計(jì)深度，退鉆，插管進(jìn)行最后一次整體注漿。

（5）期間遇到其他破碎帶卡鉆情況，也可按照上述方式進(jìn)行退鉆注漿加固。

圖3 套筒加工示意圖

單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝施工速度的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)注漿后漿液快速硬化，以便于及時(shí)套孔，縮短施工時(shí)間。

2.3 新型無機(jī)雙液注漿材料

為此，河南理工大學(xué)熊祖強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型無機(jī)雙液注漿材料。分為A型和B型，使用時(shí)加水?dāng)嚢瑁冶?.6:1～2:1可調(diào)，結(jié)石率100%。通過改變水灰比，實(shí)現(xiàn)漿液流動(dòng)和凝結(jié)時(shí)間調(diào)整，以適應(yīng)不同孔深擴(kuò)散加固需求。不同水灰比條件下流動(dòng)時(shí)間與終凝時(shí)間如表1所示。

表1 新型無機(jī)雙液注漿材料性能參數(shù)表

可以看出，鉆進(jìn)30m第一次退鉆注漿，可以采用1.5:1水灰比，鉆進(jìn)70m第二次退鉆注漿，可以采用2:1水灰比。

最后一次插管注漿，所采用的注漿材料為強(qiáng)度更高的超細(xì)水泥材料，封孔長度15m，封孔材料仍可采用新型無機(jī)雙液注漿材料，水灰比1.2:1。

3 效果考察

采用單孔循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)至破碎帶退鉆注漿，注漿結(jié)束2～4h后即可進(jìn)行套孔，套孔時(shí)未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆孔先后順利通過30～35m、70～75m兩個(gè)破碎帶，大幅提高了施工速度，平均1臺(tái)鉆機(jī)2d完成一個(gè)鉆孔。4臺(tái)鉆機(jī)施工，兩條順槽各2臺(tái)，所有鉆孔15d之內(nèi)注漿完畢。

工作面回采時(shí)，兩個(gè)破碎帶可見大量漿液擴(kuò)散痕跡，未出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象，工作面順利通過。如圖4所示。

圖4 工作面過破碎帶實(shí)景

4 結(jié)論

（1）鉆孔過破碎帶容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，解決的根本思路是對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固，提高完整性和強(qiáng)度。

（2）循環(huán)注漿鉆進(jìn)工藝是只采用一個(gè)鉆孔，通過循環(huán)鉆進(jìn)、退鉆、注漿工藝，對(duì)破碎帶分別加固，最終達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。前幾次注漿利用套管，避免插管，以利于套孔，成孔后再插管注漿。

（3）新型無機(jī)雙液注漿材料通過改變水灰比，實(shí)現(xiàn)漿液流動(dòng)和凝結(jié)時(shí)間調(diào)整，能夠適應(yīng)0～100m不同孔深擴(kuò)散加固需求，解決了注漿后快速套孔問題。

（4）效果考察表明，注漿結(jié)束2～4h后即可進(jìn)行套孔，鉆孔先后順利通過30～35m、70～75m兩個(gè)破碎帶，大幅提高了施工速度，24個(gè)深孔15d之內(nèi)注漿完畢。