井下定向長鉆孔技術(shù)在盾構(gòu)巷道超前探查中應(yīng)用

付攀升

（永城煤電控股集團有限公司城郊煤礦，河南 永城 476600）

在煤礦井下巖巷掘進中，為保證TBM 盾構(gòu)機安全高效施工，需超前精準(zhǔn)探明施工區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，為盾構(gòu)施工的層位選取及提前采取相應(yīng)措施提供依據(jù)。定向長鉆孔具有鉆孔軌跡可控、目標(biāo)層位跟層率高、單孔探查距離長等優(yōu)勢[1-5]，基于此，以城郊煤礦二水平南翼回風(fēng)大巷Ⅲ超前探查項目為例，采用井下定向長鉆孔技術(shù)對盾構(gòu)施工巷道超前精準(zhǔn)探查進行了有益探討和工程實踐。

1 工程概況

研究區(qū)位于城郊煤礦二水平南翼，其東側(cè)為二水平南翼大巷Ⅱ（已掘），南鄰二水平南翼膠帶大巷（未掘），間距35 m，北側(cè)和西側(cè)均為未掘區(qū)域，地面標(biāo)高+32.1～+32.4 m，新生界厚度約447 m。施工區(qū)域整體為一向斜構(gòu)造，地層傾角約8°～15°，平均傾角11°。根據(jù)鄰近補9 地質(zhì)鉆孔分析，二水平南翼回風(fēng)大巷Ⅲ設(shè)計層位為二疊系山西組二2 煤層下方，巖性主要由中粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，該區(qū)域地質(zhì)柱狀圖如圖1。根據(jù)三維地質(zhì)資料分析，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育DSW115、DSW117、DSW118、DSW120、DSW122 五條斷層，落差0～7 m，其中兩條斷層對鉆探、巷道施工有一定影響，具體情況見表1。為進一步查明研究區(qū)地層巖性、煤層賦存位置、構(gòu)造發(fā)育狀況及水文地質(zhì)條件，實現(xiàn)巷道安全高效連續(xù)盾構(gòu)施工，經(jīng)分析論證，確定在二水平南翼膠帶大巷ⅡSYP51 加點前6.6 m 處鉆場處采用定向長鉆孔技術(shù)對研究區(qū)進行超前探查。

表1 研究區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層情況

圖1 地質(zhì)柱狀圖

2 定向長鉆孔設(shè)計

2.1 鉆孔布設(shè)方案

鉆孔設(shè)計1 個主孔（1#），孔深957 m，探測研究區(qū)地層巖性、構(gòu)造發(fā)育狀況及水文地質(zhì)條件；4 個分支孔（1-1#孔、1-2#孔、1-3#孔、1-4#孔），分別在主孔孔深792 m、594 m、393 m、195 m 處向上開分支孔，總進尺558 m，探測二2 煤層層位及賦存特征。詳見鉆孔平面布置圖圖2 和鉆孔軌跡圖圖3。

圖2 鉆孔平面布置圖

圖3 鉆孔軌跡圖

2.2 鉆探設(shè)備及鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件設(shè)備作為遠距離定向鉆進必不可少的首要條件，本次研究選用了大功率的鉆機及更加精準(zhǔn)的測量設(shè)備：ZDY15000LD 型液壓鉆機，BLY460/13型泥漿泵，Φ89 mm 鉆桿，定向鉆頭Φ120 mm，擴孔鉆頭Φ153 mm 及Φ193 mm，螺桿馬達及礦用隔爆兼本安型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)（YHD3-1500）等。

鉆孔結(jié)構(gòu)：一開，用Φ120 mm 鉆頭配套Φ89 mm 鉆桿采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝保直鉆進21 m，再用Φ153 mm 擴孔鉆頭擴孔，最后用Φ193 mm 擴孔鉆頭進行二次擴孔，擴孔完成后下入Φ178 mm 止水套管20 m，采用水泥—水玻璃雙液漿加固孔口管；二開，孔徑Φ120 mm，沿設(shè)計軌跡進行鉆進，為裸孔段。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3 鉆孔施工要求

1）首先施工主孔1#孔，掃孔后提鉆，將Ф120 mm鉆頭與螺桿馬達連接，并依次連接下無磁、探管、上無磁、無磁接頭及Φ89 mm 鉆桿。下入螺桿馬達前，確保馬達彎角向上，以便校正工具面，開始定向鉆進。鉆進期間利用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)，每3 m 進行一次鉆孔參數(shù)測量，并將數(shù)據(jù)及軌跡傳輸?shù)诫S機電腦上，施鉆人員根據(jù)實測軌跡調(diào)整工具面，確保鉆孔軌跡符合設(shè)計要求。

2）主孔在施工期間，鉆進過程中穿過斷層破碎帶或鉆孔出水超過10 m3/h 后，詳細分析該處地質(zhì)資料，有針對性地對斷層區(qū)域進行注漿加固，提高該處圍巖強度及保障地層完整性。

3）主孔1#孔施工完畢后，充分利用定向鉆的“隨鉆隨測、主孔開分支”等先進技術(shù)手段，由里向外分別在孔深792 m、594 m、393 m、195 m 處依次向上開分支孔，探明二2 煤層層位及賦存特征。

4）為避免鉆孔孔洞瓦斯積聚，鉆孔施工結(jié)束后，首先向孔內(nèi)壓入水泥單液漿，水灰質(zhì)量比1:0.8，漿液比重1.42。當(dāng)孔口壓力達到8 MPa 后改用水泥-水玻璃雙液漿封孔，水泥漿與水玻璃體積比1:0.3，確保封孔質(zhì)量。封孔終壓為10 MPa。

4 探查效果分析

本次超前探查，1#主孔施工至孔深563 m，由于排渣困難，頻繁出現(xiàn)卡鉆、抱鉆現(xiàn)象，隨后起鉆，未施工至設(shè)計位置（剩余394 m），并且1-1#分支孔亦未施工。為消除探查盲區(qū)，在二水平南軌道大巷Ⅲ導(dǎo)線點SYG35 前97.4 m 處又補充施工2#主孔及2-1#分支孔，共計施工兩個主孔和四個分支孔。其中1#和2#主孔鉆進過程中，在判層方面采取一米一撈巖粉的措施，結(jié)合本區(qū)域柱狀圖準(zhǔn)確判別巖性。1#主孔表現(xiàn)為孔深21～68 m 灰色泥巖，68～134 m 灰色砂質(zhì)泥巖，134～246 m 深灰色粉砂巖，246～563 m 灰-深灰色砂質(zhì)泥巖，其中孔深406～413 m、536～540 m 段圍巖較破碎；2#主孔在預(yù)掘巷道范圍內(nèi)表現(xiàn)為孔深131～216 m 灰色粉砂巖，216～529 m 灰色砂質(zhì)泥巖。兩個主孔均無出水現(xiàn)象，表明探查區(qū)內(nèi)巖層富水性較弱，不存在導(dǎo)水構(gòu)造，整體水文地質(zhì)條件簡單，僅存在局部區(qū)段圍巖破碎，需提前采取預(yù)防措施。

四個分支孔分別為1-2#孔、1-3#孔、1-4#孔及2-1#孔，總進尺542 m。各分支孔見到煤層之后未穿過煤層，原因為鉆孔排渣困難，卡鉆、抱鉆較為頻繁。為確保安全，鉆孔見到煤層后出現(xiàn)泵壓突然增高或卡鉆、抱鉆現(xiàn)象便終孔起鉆。雖未探得煤層全厚，但掌握了煤層層位。根據(jù)探得的煤層層位，預(yù)測探查區(qū)盾構(gòu)巷道與二2 煤層間距10.3～20.2 m 之間，不存在揭露煤層施工。

5 存在問題及對策

1）根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實踐結(jié)果，定向鉆進裝備當(dāng)鉆進軟弱破碎巖（煤）層時，由于巖（煤）體支撐力較差，為降低介質(zhì)對其沖刷作用，可采用快推進、低泵壓、小排量的方式迅速通過；當(dāng)鉆孔出現(xiàn)塌孔、泵壓突然增大時，為防止抱鉆和卡鉆事故發(fā)生，可采用定向鉆進和回轉(zhuǎn)鉆進相結(jié)合方式施工，配合鉆井液鉆進，增加排渣能力，同時反復(fù)沖洗鉆孔，直到泵壓恢復(fù)正常后方可鉆進；當(dāng)鉆孔塌孔嚴重、難以通過時，可采用注漿加固，改善圍巖條件，提高圍巖強度，然后再掃孔穿過。2）定向鉆進裝備在鉆孔深度超過500 m 后存在排渣能力相對較弱的缺點，當(dāng)遇到軟弱破碎巖（煤）層時施工將非常困難，故在設(shè)計鉆孔時應(yīng)盡量避開軟弱破碎巖（煤）層。

6 結(jié)論

城郊煤礦針對二水平南翼回風(fēng)大巷Ⅲ盾構(gòu)快速施工巷道，設(shè)計實施了定向長鉆孔超前精準(zhǔn)探查，實現(xiàn)了巷道施工本質(zhì)安全，效果良好。

1）采用ZDY15000LD 型定向鉆機及配套設(shè)備施工定向長鉆孔對預(yù)掘巷道進行超前探查，提高了超前探查的可靠性，確保了施工安全，避免了影響盾構(gòu)巷道的施工，提高了施工效率。

2）查明了二水平南翼回風(fēng)大巷Ⅲ施工期間預(yù)計揭露地層巖性、煤層賦存位置、構(gòu)造發(fā)育狀況及水文地質(zhì)條件。根據(jù)實鉆情況，判定研究區(qū)內(nèi)巖層富水性較弱，不存在導(dǎo)水構(gòu)造，地層整體相對完整，僅局部存在破碎區(qū)段；預(yù)掘巷道與二2 煤層間距10.3～20.2 m，不存在揭煤施工，為巷道的安全快速掘進提供了可靠的地質(zhì)保障。

3）分析總結(jié)了定向長鉆孔施工過程中存在的問題，給出相應(yīng)對策，當(dāng)孔深超過500 m 時應(yīng)盡量繞開遇軟弱破碎巖（煤）層施工。

4）定向長鉆孔具有高精度超前探查的顯著優(yōu)勢，掘進揭露的巖性與鉆孔探查預(yù)測的巖性、位置基本吻合，煤層層位探測可靠，保證了TBM 盾構(gòu)機安全高效施工。