注漿探查鉆孔在復(fù)雜地質(zhì)條件巷道中的應(yīng)用

摘 要：任樓礦地質(zhì)類型為極復(fù)雜型，中六軌道大巷中段掘進(jìn)過最大落差約100m的F2斷層組。受斷層影響巷道距底板太灰水較近。為確保礦井安全生產(chǎn)，加強(qiáng)巷道抗剪切應(yīng)力強(qiáng)度，對底板及斷層帶施工注漿鉆孔進(jìn)行探查、注漿加固，以阻斷導(dǎo)水通道，增強(qiáng)巷道底板隔水性能及抗變形能力，防止深部灰?guī)r水通過斷層帶及底板進(jìn)入巷道，降低巷道突水系數(shù)。

關(guān)鍵詞：斷層破碎帶;鉆探;注漿

一、施工段地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

施工段地質(zhì)情況。本區(qū)煤巖層呈近單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀90°∠16°。施工段臨近F2斷層組（F2-1305°∠75°H=12m±、F2290°∠55°H=100m±），F(xiàn)2斷層為張扭性正斷層，斷層帶內(nèi)巖石破碎、雜亂，裂隙發(fā)育。根據(jù)中六運(yùn)輸大巷掘進(jìn)、鉆探資料及地面鉆孔資料，施工段分別位于太一灰上10m±、82煤下35m±。根據(jù)中六運(yùn)輸大巷掘進(jìn)資料及地面鉆孔資料分析，鉆孔施工段所揭露巖性為泥巖、海相泥巖、粉砂巖、灰?guī)r等。本區(qū)主要充水水源為砂巖裂隙水，但不排除導(dǎo)通灰?guī)r水的可能，預(yù)計局部巖性破碎處存在淋滲水現(xiàn)象，正常涌水量0～7.5m3/h，最大涌水量20m3/h。根據(jù)附近奧灰長觀孔水27（水位0.1m）資料，預(yù)計施工段奧灰水頭壓力為5.1Mpa。地面三維地震時間剖面顯示，本區(qū)臨近斷層，8煤反射波連續(xù)性較差。

二、鉆孔及注漿相關(guān)設(shè)計

（1）鉆機(jī)、泥漿泵、注漿泵設(shè)備。采用1臺ZDY3200S型鉆機(jī)、1臺ZDY4000L鉆機(jī)、2臺3ZB15/12-45泥漿泵、2臺SGB6-12注漿泵進(jìn)行施工。注漿泵性能與漿液類型、濃度相適應(yīng)，容許工作壓力大于最大灌漿壓力的1.5倍。注漿泵均為可換擋的變量泵，以便調(diào)節(jié)泵量，最大排量15m3/h，最小排量2m3/h，額定最大壓力12Mpa。

（2）鉆孔控制范圍及鉆孔個數(shù)。對F2斷層組附近105m范圍底板25m范圍進(jìn)行有效注漿加固及驗(yàn)證，設(shè)計底板注漿加固及驗(yàn)證鉆孔施工34個孔。鉆孔編號注1～注25、驗(yàn)1～驗(yàn)9。

（3）鉆孔套管長度計算按掘進(jìn)工作面安全隔水層厚度計算公式：t=L（γ2L2+8KPp-γL）4KP。

式中：t—安全隔水層厚度，m;p—底板隔水層承受的水壓，MPa（根據(jù)地面長觀孔水27孔水位0.1m，計算奧灰水壓力5.1Mpa）;L—巷道寬度，m（巷道設(shè)計寬度4.4m，取5m）;γ—底板隔水層的平均重度，MN/m3（0.027MN/m）;Kp—底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa（淮北地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值0.4～0.6Mpa，取0.5Mpa）。

經(jīng)計算：t=11.0m，另加底板破壞深度6m（淮北經(jīng)驗(yàn)值），實(shí)際安全隔水層厚度應(yīng)為17m，下套管長度取20.5m。

（4）鉆孔涌水量預(yù)計根據(jù)鉆探注漿操作規(guī)程單孔出水量估算公式：Q=CW2gh。

式中：Q—單孔出水量，m3/s;C—流量系數(shù)，一般取0.6～062，取0.62;W—鉆孔的斷面積，m2;R=3.14×（0.073÷2）2=0.00418m2;r=3.14×（0.06÷2）2=0.00283m2;W=R-r=000418-0.00283=000135m2;g—重力加速度，9.8m/s2;h—鉆孔出水口以上的水頭高度，m（奧灰孔水位0.1m-鉆孔孔口標(biāo)高-507.7m=507.8m）。

經(jīng)計算：Q=0.0835m3/s=300m3/h，當(dāng)鉆孔內(nèi)出水，鉆機(jī)采取反壓裝置卡死鉆桿后，使用鉆機(jī)掐掉鉆桿，然后關(guān)閉閘閥，預(yù)計用時約10分鐘，預(yù)計鉆孔涌水量約為50m3/h。

（5）單孔施工要求。鉆孔采用Φ127mm開孔，鉆進(jìn)21m后下入Φ108mm套管20.5m（管壁厚不小于6mm），采用PO42.5普通硅酸鹽水泥注漿固管，待凝72小時后掃孔試壓，要求試壓強(qiáng)度達(dá)到該處奧灰水頭壓力（51Mpa）的2.0倍，即：10.2Mpa，試壓穩(wěn)定時間不小于30min，試壓合格后安裝孔口高壓閘閥及反壓防噴裝置，變徑Φ73mm鉆進(jìn)直至終孔。鉆孔試壓合格后，鉆進(jìn)至海相泥巖3～5m或斷層時，提鉆對鉆孔進(jìn)行二次注漿，注漿材料為1∶1～1.5∶1的單液水泥漿，注漿壓力為靜水壓的2倍，即10.2Mpa，凝固時間不低于48小時，后掃孔試壓，要求試壓壓力不小于10.2Mpa，持續(xù)時間不小于30min。

（6）注漿設(shè)計及相關(guān)要求。注漿方式為下行式注漿法，孔口封閉靜壓注漿，注漿鉆孔孔口壓力不小于10.2MPa。注漿主要以水泥單液漿為主。其工藝流程為在攪拌器中加入水泥和清水初次攪拌→注漿池→二次攪拌→輸漿系統(tǒng)→鉆孔。每次注漿前均要進(jìn)行壓水疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙。根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果確定漿液濃度，用稀漿進(jìn)行試注以了解該孔吃漿量大小及孔口壓力情況，觀測臨孔是否串漿等情況調(diào)整漿液濃度。為確保注漿的連續(xù)性，要求漿液濃度水灰比一般在4∶1～2∶1。注漿水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥。造漿用水水質(zhì)須滿足國家混凝土拌合用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，供水能力應(yīng)達(dá)到15m3/h。保證注漿池不小于2m3/h，人工上料，人工及機(jī)械攪拌相結(jié)合，系統(tǒng)日造漿能力不小于240m3。純水泥漿液的攪拌時間不小于5min;漿液自制備至用完的時間小于4h。若單孔連續(xù)注入水泥量大于100t，不升壓或巷道跑漿，則采用間歇式注漿。間歇注漿間歇期應(yīng)在2～4小時之內(nèi)，間歇注漿階段注漿結(jié)束前向孔內(nèi)壓清水10分鐘，確?？變?nèi)通暢。

（7）單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及單孔效果檢驗(yàn)。當(dāng)注漿壓力呈規(guī)律性的增加，達(dá)到設(shè)計終壓，注漿終壓不小于10.2Mpa，穩(wěn)定時間不少于30min，終孔吸漿量不大于40L/min，可結(jié)束注漿。鉆孔注漿結(jié)束72小時后，打開閘閥，如孔內(nèi)仍有出水現(xiàn)象，掃孔至孔底，采用井下注漿設(shè)備注漿封堵。

三、鉆孔施工及注漿情況

本次施工的鉆孔嚴(yán)格按設(shè)計要求施工，共施工鉆孔34個，鉆探工程量3084m，注水泥249.3噸，下設(shè)套管長度697m，測斜10個鉆孔。通過鉆探控制，初步判斷巷道迎頭前方預(yù)計將在MG3→108m、159m±將分別揭露斷層F2-1305°∠75°H=12m±、F2 290°∠55°H=100m±，斷層帶寬均為2m±。本次施工的過斷層帶探查鉆孔，無出水現(xiàn)象，說明此處斷層導(dǎo)水性差，賦水性弱。根據(jù)鉆探探查成果分析，巷道未發(fā)現(xiàn)明顯地層水文地質(zhì)異常。

四、結(jié)語

通過鉆孔施工，基本探明了斷層附近地層巖性及其賦水情況。鉆孔注漿加固斷層破碎帶，使得斷層破碎帶膠結(jié)成整體，有效提高圍巖穩(wěn)定性和承載能力，阻斷了突水通道，增強(qiáng)巷道穿過斷層圍巖安全系數(shù)，解決了巷道過破碎帶支護(hù)困難、巷道圍巖變形嚴(yán)重等問題。目前巷道已經(jīng)順利掘進(jìn)過F2大斷層帶。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：姚建兵，安徽歙縣人，安徽省皖北煤電集團(tuán)任樓礦鉆探區(qū)工程師。