深井高地壓井下鉆孔防變形技術(shù)

摘 要：唐口煤礦開采現(xiàn)水平為-990m，該水平整個地應(yīng)力較高，巷道底鼓嚴(yán)重。長觀孔要求孔口附近嚴(yán)禁變形，尤其是巷道底鼓。通過對圍巖松動圈理論的分析，提出了加強(qiáng)巷道支護(hù)、改善鉆孔結(jié)構(gòu)及固管材料來控制好高應(yīng)力下鉆孔變形。

關(guān)鍵詞：高地壓；鉆孔防變形；巷道支護(hù)；鉆孔結(jié)構(gòu)；圍巖松動圈

唐口煤礦與中國礦大巖石力學(xué)研究所、山東科技大學(xué)、青島理工大學(xué)合作，對唐口煤礦輔助運輸大巷采取不同支護(hù)形式的支護(hù)效果進(jìn)行相似模擬試驗。綜合分析測量結(jié)果得出：唐口煤業(yè)有限公司-990水平整體地應(yīng)力較高，-990水平以自重應(yīng)力為主，屬自重應(yīng)力場型，局部由于向斜構(gòu)造的影響，地應(yīng)力有所變異，呈現(xiàn)為水平應(yīng)力突出。

井下長觀孔均布置在大巷中，由于巷道埋深較大，巷道底鼓嚴(yán)重， 局部底鼓達(dá)1m以上，目前巷道支護(hù)方式不能滿足長觀孔的要求。長觀孔要求孔口附近嚴(yán)禁變形，尤其是巷道底鼓。為此，應(yīng)加強(qiáng)此段巷道的支護(hù)，將巷道變形程度降到最低，不出現(xiàn)明顯的底鼓等現(xiàn)象。

1 圍巖松動圈的定義

巷道開挖前，地下巖體處于三軸應(yīng)力平衡狀態(tài)，一旦開挖，這個平衡系統(tǒng)就會遭到破壞，圍巖應(yīng)力會重新調(diào)整。由于深埋巷道周邊調(diào)整后的圍巖應(yīng)力達(dá)到了圍巖強(qiáng)度，故發(fā)生了破壞，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力降低，而最大主應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時硐室四周形成一定厚度的破壞松動范圍。實踐證明，松動圈支護(hù)理論抓住了支護(hù)的主要對象，其分類方法和所確定的支護(hù)形式與參數(shù)符合現(xiàn)場實際，取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著，并深受現(xiàn)場歡迎。

在原巖中開挖巷道，破壞了圍巖的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，使應(yīng)力重新分布：一是徑向應(yīng)力減少，周邊處達(dá)到零；二是切向應(yīng)力增加，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。另一方面，圍巖受力狀態(tài)由三向變成了近似二向，巖石的強(qiáng)度下降了。如果集中的應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖處于彈性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定，不存在支護(hù)問題；如果相反，圍巖將發(fā)生破裂，這種破裂從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到另一新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時圍巖中出現(xiàn)了一個破裂區(qū)。我們把這個由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的松弛破裂帶稱為圍巖松動圈。在圍巖分類中，可用聲波儀或多點位移計探測出圍巖中的松動圈厚度（松動圈值）。

2 井下長觀孔硐室支護(hù)加固方案

2.1 巷道支護(hù)對象

圍巖松動圈是開巷后地應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度的結(jié)果。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，試圖采用支護(hù)手段阻止圍巖的松動破壞是不可能的。地應(yīng)力與圍巖的相互作用會產(chǎn)生大小不同的圍巖松動圈，因此，松動圈支護(hù)理論認(rèn)為：支護(hù)的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。這一觀點與支護(hù)對象論點一起構(gòu)成了圍巖松動圈巷道支護(hù)理論的核心內(nèi)容。

圍巖松動圈客觀存在于巷道圍巖中，埋深（地應(yīng)力）、巖石強(qiáng)度和跨度是影響松動圈的因素，但跨度作用較小；松動圈厚度越大，支護(hù)越困難，松動圈越小，支護(hù)越容易；在同樣地應(yīng)力條件下，巖石強(qiáng)度越低，松動圈越大；同一巖種中，松動圈厚度可以不同。是因松動圈還與原巖應(yīng)力有關(guān)；支護(hù)對松動圈的尺寸影響不明顯。這些結(jié)論說明松動圈厚度是決定巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素。由此提出了以松動圈厚度作為圍巖應(yīng)力與強(qiáng)度的綜合、定量指標(biāo)的巷道圍巖分類方法?？梢?，松動圈厚度是這一理論應(yīng)用于工程實踐最關(guān)鍵的唯一基礎(chǔ)參數(shù)。

隨著開采深度加大，礦井開采自然條件惡化。如在深井中出現(xiàn)熱害、巖爆等，巖石的力學(xué)性質(zhì)也與淺部不同。尤其是深部巷道圍巖松動圈增大，變形破壞嚴(yán)重，維護(hù)困難是深部開采最主要的技術(shù)特征之一。巷道圍巖松動圈隨采深增加而增大，開始增大較快，以后逐漸減小，并近于直線。巖體強(qiáng)度越小，巷道圍巖松動圈隨采深增大的幅度越大，反之則越小。

2.2 支護(hù)方案

井下長觀孔均布置在大巷中，深度都接近1000m。由于巷道埋深較大，巷道底鼓嚴(yán)重，局部底鼓達(dá)1000mm以上，目前巷道支護(hù)方式不能滿足長觀孔的要求。長觀孔要求孔口附近嚴(yán)禁變形，尤其是巷道底鼓。為此，應(yīng)加強(qiáng)此段巷道的支護(hù)，將巷道變形程度降到最低，不出現(xiàn)明顯的底鼓等現(xiàn)象。

為了便于鉆探施工和長觀孔的保護(hù)，設(shè)計在巷道一側(cè)開幫形成長觀孔硐室。井下水文孔在施工前應(yīng)先施工硐室，硐室規(guī)格為進(jìn)深3m，寬4m，高5m，對應(yīng)鉆孔上方高度6m。

圖1 鉆孔硐室平面圖

為保證探水硐室及巷道的穩(wěn)定，需對硐室及前后2m范圍的巷道進(jìn)行加固支護(hù)，采用錨噴網(wǎng)索初次支護(hù)。

3 井下鉆孔防變形技術(shù)

在加強(qiáng)了鉆孔硐室支護(hù)之后，難免出現(xiàn)小量巷道底板變形。以往井下施工的鉆孔均是采用下設(shè)孔口管和套管的辦法，即使在小量變形條件下，也可對孔口管造成破壞，導(dǎo)致觀測孔報廢。為此，應(yīng)在鉆孔結(jié)構(gòu)和固管材料方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

為防止套管發(fā)生擠壓變形、錯斷、鼓起等事故，在底板容易發(fā)生變形破壞的深度范圍內(nèi)加設(shè)一路套管（稱為護(hù)管），同時護(hù)管選用壁厚大，強(qiáng)度大的無縫鋼管，防止護(hù)管發(fā)生變形。并在護(hù)管與孔口管之間留出一定的間隙，充填彈性較大的材料。即采用護(hù)管-孔口管-套管——裸孔的結(jié)構(gòu)。

采用的基本結(jié)構(gòu)為：護(hù)管Ф180×10mm，長4m；孔口管管徑Ф146×7mm，長20m；套管管徑Ф108×5mm，下至含水層位置；含水層裸孔，孔徑73mm。

開孔用219mm鉆進(jìn)4m，下好護(hù)管；并用優(yōu)樂加固1號化學(xué)漿液封閉加固；換用150mm鉆頭，鉆進(jìn)20m，下入直徑146mm的無縫鋼套管（孔口管），孔口管外部同樣用化學(xué)漿液封閉加固，安裝孔口管。經(jīng)耐壓試驗確定孔口管牢固后，用直徑127mm的鉆頭鉆進(jìn)至奧灰（或十下灰），下入108mm的套管，管外用43.5#普通硅酸鹽水泥加速凝劑封閉止水。用75mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 井下鉆孔技術(shù)要求

（1）鉆進(jìn)時，必須先裝好孔口管（深度20m），安裝控制閘閥，并進(jìn)行耐壓試驗。達(dá)到設(shè)計承受的水壓后，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。危險的地段，應(yīng)有躲避場所，并規(guī)定避災(zāi)路線。井下鉆孔由于水壓大，在揭露含水層前，應(yīng)安裝反壓和防噴裝置。（2）為了防止護(hù)管因變形破壞孔口管，應(yīng)允許護(hù)管有一定程度的縱、橫向變形，因此在護(hù)管外壁應(yīng)彈性較好的材料充填，可選用優(yōu)樂加固1號，也可使用濾渣混凝土充填。孔口管要高出護(hù)管0.4-0.5m。孔口管的固管要使用優(yōu)樂加固1號。奧灰孔套管下到在奧灰頂界面以上3-5m；十下灰孔下到十下灰頂3-5m處。（3）由于井下不具備焊接條件，護(hù)管、孔口管和套管的連接應(yīng)采用絲扣連接方式。（4）終孔層位：十下灰觀測孔，穿透十下灰至底板下5m；奧灰觀測孔，進(jìn)入奧灰30-100m（在奧灰中見水大于5m3/h時即可停鉆）。（5）在鉆孔穿過三灰、八灰、十下灰、十三灰、十四灰等含水層時，如遇到涌水，則要對水量、水壓進(jìn)行測量，并采取水樣。奧灰鉆孔在接近奧灰頂面20m開始要加強(qiáng)水文觀測，以了解奧灰導(dǎo)升高度。（6）鉆具丈量：每鉆進(jìn)100m丈量一次鉆具，特別要做好各主要標(biāo)志層、煤層及奧灰的丈量鉆具工作。鉆具誤差小于0.15%，若超過時要找出原因，并進(jìn)行合理平差。（7）對即將揭露煤層或標(biāo)志層，要進(jìn)行取心，巖心采取率應(yīng)大于75%。（8）鉆探原始班報要記錄及時，整潔無誤，不得隨意涂改。

3.3 護(hù)管及固管材料

下護(hù)管的目的在于保護(hù)井口管不受到巷道變形影響，因此護(hù)管與井壁間使用彈性材料保護(hù)護(hù)管，同時護(hù)管應(yīng)有較大的抗壓強(qiáng)度。因此，應(yīng)采用厚壁無縫鋼管，護(hù)管壁厚不小于8mm。

孔口管的固管材料應(yīng)使用化學(xué)漿液，采用了山東尤洛卡股份有限公司生產(chǎn)的優(yōu)樂加固1號灌漿材料。該材料固化充填時間短、抗壓強(qiáng)度大（一般>60MPa）、壓縮變形10-50/%、抗拉強(qiáng)度>40MPa、抗剪強(qiáng)度>15MPa、黏結(jié)強(qiáng)度>4MPa、比重1200（25℃/kg·m-3）。能達(dá)到充填強(qiáng)度高、韌性好、適應(yīng)圍巖的動壓變化、抗變形能力強(qiáng)的目標(biāo)。

作者簡介：藺成森（1986-），男，2010年畢業(yè)于山東科技大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)從事礦井地質(zhì)專業(yè)，助理工程師。