戴亞男 高尚 孫曉宇 李恒 李鵬洋3

（1.北京中煤礦山工程有限公司；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

近年來隨著我國礦井開采深度的不斷增大，尤其是華北型井田，礦井深部開采處于高地應(yīng)力、高地壓、高孔隙水壓和開采擾動(dòng)的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境中，圍巖內(nèi)賦存的高地應(yīng)力與其本身的強(qiáng)度存在差異，使得圍巖容易出現(xiàn)大變形甚至失穩(wěn)。在井下巷道、硐室等工程掘進(jìn)多次施工撓動(dòng)影響下，圍巖應(yīng)力場始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，經(jīng)常發(fā)生冒頂、涌水、瓦斯等事故，易造成重大安全事故和巨大經(jīng)濟(jì)損失［1-3］。目前國內(nèi)外對(duì)復(fù)雜地層下水平巷道的加固方法主要有錨索加固、錨噴網(wǎng)支護(hù)、注漿加固等，這些方法取得了一定效果，但仍然存在不少局限性［4］。

針對(duì)上述問題，本研究以城郊煤礦二水平南翼回風(fēng)大巷注漿工程為例，在地面利用L型鉆孔在巷道掘進(jìn)前進(jìn)行注漿，從而提高圍巖穩(wěn)定性，降低開挖支護(hù)難度，節(jié)省開挖支護(hù)工期［5-6］。不僅實(shí)現(xiàn)了井下巷道超前注漿改造的目標(biāo)，而且為井下巷道治理提供了新的思路。

1 采區(qū)概況

1.1 治理區(qū)域地質(zhì)概況

永煤集團(tuán)城郊煤礦位于河南省永城市，礦井南北長約10.2 km，東西寬8.05 km，北鄰陳四樓井田，南接新橋井田；本次治理區(qū)域?yàn)榈V井二水平南翼回風(fēng)大巷，巷道設(shè)計(jì)標(biāo)高為-783.4 m，根據(jù)鄰近3509 地質(zhì)鉆孔分析，二水平南翼回風(fēng)大巷層位主要為二疊系山西組及二疊系下石盒子組；山西組地層主要為二2煤層、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖組成，其中二2煤層厚2.1 m；下石盒子組地層主要由鋁質(zhì)泥巖、三煤組、砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖組成，其中三煤組三1、三2、三4煤層平均厚度分別為1.52，1.85，1.07 m。該治理區(qū)域地層傾角較大、地層互層較多，地層特點(diǎn)較為復(fù)雜［7］。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況

根據(jù)三維地震資料及地面勘探鉆孔資料，二水平南翼回風(fēng)大巷整體為一向斜構(gòu)造，局部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地面定向探注鉆孔預(yù)判揭露斷層如表1 所示。其中DF283 斷層西北側(cè)地層傾角較大，地層傾角為10°～42°，平均傾角為14.5°，DF283斷層?xùn)|南側(cè)地層整體較平緩，地層傾角為4°～6°，平均傾角為6.5°。DF283斷層傾角大、落差大，對(duì)鉆探施工、巷道掘進(jìn)影響較大。

2 治理方案設(shè)計(jì)

2.1 治理思路

本設(shè)計(jì)采用地面鉆探注漿技術(shù)對(duì)城郊煤礦二水平南翼回風(fēng)大巷構(gòu)造復(fù)雜段區(qū)域進(jìn)行治理。通過地面定向鉆孔探查該區(qū)域地層情況及斷層構(gòu)造發(fā)育情況，為斷層破碎帶注漿設(shè)計(jì)提供依據(jù)；通過注漿阻斷斷層導(dǎo)水通道，有效消除斷層帶導(dǎo)通水源威脅，同時(shí)對(duì)巷道圍巖軟巖進(jìn)行注漿加固改造，為巷道安全掘進(jìn)提供保障。

2.2 鉆探工程設(shè)計(jì)

城郊煤礦二水平南翼回風(fēng)大巷采用地面鉆探注漿工藝，在地面施工定向探注鉆孔主孔1 個(gè)（C1 主），分支孔2 個(gè)（C1、C1-1 孔），查明巷道施工區(qū)段地層特征及構(gòu)造發(fā)育情況，并對(duì)斷層破碎帶及松軟地層進(jìn)行注漿加固。鉆孔工程與巷道位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

2.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于二水平南翼回風(fēng)大巷地面定向鉆孔需穿越?jīng)_積層、穩(wěn)定基巖、煤層后進(jìn)入目的層，為了確保鉆孔孔壁穩(wěn)定及水平孔段注漿升壓，采用雙層套管施工技術(shù)以封固沖積層與煤層，因此必須對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并選擇合適的套管以滿足水平孔段孔徑的要求。鉆孔結(jié)構(gòu)分為3 級(jí)，分別為一開孔段、二開孔段和三開水平孔段，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）直孔段為0～464.25 m，孔徑為311 mm，套管（?244.5 mm×8.94 mm）下至基巖層段并進(jìn)入基巖內(nèi)12.25 m。采用?311 mm 鉆頭+?178 mm 鉆鋌+?89 mm鉆桿鉆具組合。

（2）造斜段為464.25～955.13 m，孔徑為215.9 mm，套管（?177.8 mm×8.05 mm）下至二2煤下部泥巖。采用?215.9 mm 鉆頭+?172 mm 螺桿鉆具+?159 mm 無磁鉆鋌+?159 mm 鉆鋌+?89 mm 鉆桿鉆具組合。

（3）水平孔段為955.13 m～終孔，孔徑為152.4 mm，裸孔0.3%坡度鉆進(jìn)探查。采用?152.4 mm 鉆頭+?127 mm 螺桿鉆具+?127 mm 無磁鉆鋌+?127 mm鉆鋌+?89 mm加重鉆桿+?89 mm鉆桿鉆具組合。

2.2.2 鉆孔軌跡

C1鉆孔包含直孔段（一開）、造斜段（二開）、水平孔段（三開），井斜由0°逐步調(diào)整為80°～90°，并以每千米垂深下降3 m 的傾角進(jìn)行鉆進(jìn)，井斜約為89.7°。開孔位置坐標(biāo)為X=3 754 948 m，Y=39 436 823 m，Z=32.3 m。設(shè)計(jì)直孔段下入穩(wěn)定基巖不低于10 m，段長464.25 m，設(shè)計(jì)造斜段進(jìn)入二2煤底板10 m，段長955.13 m，設(shè)計(jì)水平段穿過A靶點(diǎn)（垂深816.44 m），靶點(diǎn)坐標(biāo)X=3 755 118 m，Y=39 436 517 m，Z=-783.44 m；終孔于B 靶點(diǎn)（垂深819.397 m），靶點(diǎn)坐標(biāo)X=3 755 383 m，Y=39 436 038 m，Z=-786.3 m；三開孔段2 個(gè)，終孔孔深分別為1 583 和1 125.49 m。鉆孔經(jīng)過直孔段、造斜段兩工序施工后，井斜由0°增至89°～90°，全角變化率控制在5°～6°（每30 m），鉆孔軌跡參數(shù)如表2所示。

2.2.3 鉆探技術(shù)參數(shù)

（1）鉆孔施工期間采用撈取巖屑、鉆井液漏失量、鉆時(shí)統(tǒng)計(jì)等手段全程錄井，詳細(xì)記錄鉆孔實(shí)見地層情況，并提交地質(zhì)剖面圖。

（2）準(zhǔn)確判斷預(yù)掘巷道構(gòu)造位置及煤層、鋁質(zhì)泥巖等關(guān)鍵層位實(shí)際位置。

（3）水平段每鉆進(jìn)100 m進(jìn)行1次壓水實(shí)驗(yàn)，根據(jù)壓水實(shí)驗(yàn)壓力決定是否地面注漿，鉆孔在水平段施工期間若出現(xiàn)沖洗液漏失，必須采用地面進(jìn)行注漿封堵，上一段未達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)不得進(jìn)行下一段施工。

（4）鉆孔施工過程中，直孔段、造斜段誤差不大于±5 m，在水平段鉆進(jìn)過程中，偏離目的層的長度不得超過順層段長度的5%，且偏離垂距不得大于2 m。若發(fā)現(xiàn)鉆孔脫離目的層，要對(duì)鉆孔軌跡及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以便以最小的距離重新進(jìn)入目的層。

2.3 注漿工程設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用孔口壓蓋方式靜壓分序分段下行式注漿法；每次注漿前均進(jìn)行了水位觀測和單孔壓水試驗(yàn)，以獲取地層含水層數(shù)據(jù)和地層單位吸水率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析地層可注性。

2.3.1 注漿層位

由于水平段鉆進(jìn)過程中，要先后經(jīng)過DF283 斷層、鋁質(zhì)泥巖、三煤組、砂巖等不同層位，結(jié)合區(qū)域地層注漿擴(kuò)散規(guī)律，采區(qū)分段注漿的方式，對(duì)水平段不同層位進(jìn)行注漿加固。

（1）經(jīng)過DF283斷層、三煤組前后和砂、泥巖交界進(jìn)行注漿加固，具體注漿段根據(jù)鉆探實(shí)際揭露地層情況進(jìn)行調(diào)整；在鉆孔完鉆后需對(duì)終孔位置進(jìn)行注漿加固。

（2）鉆進(jìn)過程中每鉆進(jìn)100 m 進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓力情況決定是否注漿，當(dāng)鉆井液漏失超過15 m3/h 進(jìn)行注漿。

2.3.2 注漿參數(shù)

本設(shè)計(jì)鉆孔注漿泵量達(dá)到60 L/min，地面孔口注漿壓力不低于15 MPa，穩(wěn)定時(shí)間不小于30 min 時(shí)，即可認(rèn)為注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際鉆探注漿過程中注漿層位需穿越DF283 斷層構(gòu)造、裂隙不發(fā)育的軟弱泥巖、煤層組等不同的注漿部位，針對(duì)這些特征，選取不同的注漿參數(shù)。

（1）針對(duì)DF283斷層構(gòu)造破碎帶裂隙構(gòu)造發(fā)育的特點(diǎn)，注漿初期選擇低比重漿液，延長低比重注漿時(shí)間，確保漿液重復(fù)填充地層破碎帶裂隙空間后，再隨著注漿壓力升高，調(diào)高漿液比重，降低注漿泵量，逐漸充填微小裂隙空間，直至達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

（2）針對(duì)三煤組前后及砂、泥巖交界段巖層軟弱，裂隙不發(fā)育的特點(diǎn)，注漿初期選擇低比重漿液，降低注漿泵量，提高注漿壓力的同時(shí)適當(dāng)延長注漿時(shí)間，保證漿液擴(kuò)散，提高注漿效果。

3 工程施工過程

工程時(shí)間為2020 年4 月27 日—8 月12 日，共完成1 個(gè)主孔、2 個(gè)分支孔（C1 和C1-1 孔），累計(jì)注漿6次，其中C1及C1-1孔采用分段注漿方式在預(yù)計(jì)關(guān)鍵層位、過斷層、三煤組前后及終孔位置分別注漿，主要注漿孔段及位置如圖4所示。此外，三開段平均每鉆進(jìn)100 m，均進(jìn)行壓水試驗(yàn)和水位觀測法，以核實(shí)鉆井液漏失情況，每次注漿均采用高壓注漿。

4 工程治理效果分析

4.1 構(gòu)造探查結(jié)果

本工程累計(jì)施工2個(gè)分支孔，鉆探進(jìn)尺為1 753.36 m，有效探查了DSW41 斷層，DF283 斷層，DF29 斷層的實(shí)際位置（圖4），查明了二水平南翼回風(fēng)大巷地層軟弱巖性特征和斷層破碎帶與巷道位置關(guān)系等特征，為斷層破碎帶注漿設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)水平段鉆進(jìn)過程中，采取由專人撈取巖粉并且一米一撈的措施，現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)撈取的巖粉結(jié)合柱狀圖準(zhǔn)確判斷二水平南翼回風(fēng)大巷鋁質(zhì)泥巖、三煤組、砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖段的垂深、厚度及相互位置關(guān)系，為后續(xù)巷道掘進(jìn)提供地質(zhì)參數(shù)。

4.2 注漿治理效果

本工程共計(jì)注漿6次，注漿總量為1 373.78 t，歷次注漿參數(shù)情況如表3所示。單位注漿量為1.99 t/m，注漿孔口壓力達(dá)到15.0～15.8 MPa，結(jié)合含水層水壓，注漿總壓力達(dá)到23～23.8 MPa；下面通過對(duì)注漿量分布、注漿壓力變化及注漿前后地層滲透性變化情況對(duì)注漿效果進(jìn)行分析。

4.2.1 注漿量分布

注漿過程中主要對(duì)地層薄弱段進(jìn)行加固充填，尤其是揭露斷層位置，根據(jù)鉆孔注漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)，注漿均以高壓結(jié)束。統(tǒng)計(jì)其中C1 分支孔鉆進(jìn)過程中過DF283 斷層及DF29 斷層注漿量相對(duì)較大，合計(jì)注漿691.909 t，占該分支孔總注漿量的55%。當(dāng)C1-1 分支孔再次對(duì)DF283 斷層進(jìn)行注漿時(shí)，注漿量僅為125.02 t。鉆孔在斷層等構(gòu)造發(fā)育段注漿量明顯偏大，并且斷層構(gòu)造段經(jīng)過首次注漿充填治理后再次復(fù)注注漿量明顯減小，表明注漿對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行了充填和加固，有效消除斷層帶導(dǎo)通水源威脅。

4.2.2 注漿壓力

注漿壓力是給予巖溶裂隙擴(kuò)散充填并壓實(shí)的能量。一般情況下，隨著壓力的增高，漿液的擴(kuò)散距離加大，有助于提高骨架的強(qiáng)度，但當(dāng)壓力超過一定范圍，可能導(dǎo)致巷道破壞，例如由于壓力過高，劈裂裂隙過大而形成人為導(dǎo)水裂隙，造成二次破壞，因此合適的壓力選取對(duì)注漿效果起著重要作用。

C1分支孔與C1-1分支孔注漿壓力時(shí)段分別如圖5所示，根據(jù)注漿壓力的變化，可以分為3個(gè)階段：①0～5 MPa階段的注漿量占到總注漿量的33.87%；②5～10 MPa 階段注漿量占到總注漿量的18.90%；③大于10 MPa階段注漿量占到總注漿量的47.23%。

通過以上分析，注漿過程基本以高壓注漿為主，大于10 MPa 的注漿量已占總注漿量的一半，為47.23%。

4.2.3 注漿前后單位吸水率

單位吸水率是通過壓水試驗(yàn)計(jì)算所得，注前單位吸水率是選擇注漿方式和注漿比重的關(guān)鍵參數(shù)；注后壓水（漿）試驗(yàn)，是檢驗(yàn)注漿是否達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)之一：

式中，q為單位吸水率，L/（min·m2）；Q為壓入流量，L/min；P為作用于試段內(nèi)的全壓力（換算為水柱高度），m；L為試段長度，m。

鉆孔注漿前后注漿前單位吸水率平均為0.001 45 L/（min·m2），注漿后單位吸水率平均為0.000 2 L/（min·m2），注漿后單位吸水率降低明顯，DF283 斷層處太原組灰?guī)r單位吸水率平均降低了86.5%，表明本次注漿改造效果顯著。后續(xù)巷道掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)巷道變形、涌水、瓦斯等問題。

5 結(jié)論

（1）本工程利用地面定向鉆探注漿技術(shù)對(duì)城郊煤礦二水平南翼回風(fēng)大巷地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了探查，并對(duì)揭露的斷層構(gòu)造與軟弱地層進(jìn)行了注漿治理，共施工2 個(gè)分支孔，鉆探進(jìn)尺為1 753.36 m，注入水泥1 373.78 t，單位注漿量為1.99 t/m，注漿孔口壓力達(dá)到15.0～15.8 MPa。

（2）通過高壓注漿擴(kuò)散不斷充填地層破碎裂隙空間，并在軟弱巖層段形成劈裂進(jìn)而充填薄弱段，最大程度上對(duì)巷道地層裂隙和斷層導(dǎo)水通道進(jìn)行了治理，提高地層整體力學(xué)強(qiáng)度和防滲性能；注漿后地層單位吸水率下降達(dá)86.5%，注漿效果顯著。

（3）L 型鉆孔注漿加固在地面施工，不占用鑿井工期，注漿壓力大、加固范圍大、加固質(zhì)量好，施工人員安全，無需在井下運(yùn)輸材料，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展了井下巷道超前治理的新思路。