注漿探查鉆孔在復雜地質條件巷道中的應用

摘 要：任樓礦地質類型為極復雜型，中六軌道大巷中段掘進過最大落差約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，加強巷道抗剪切應力強度，對底板及斷層帶施工注漿鉆孔進行探查、注漿加固，以阻斷導水通道，增強巷道底板隔水性能及抗變形能力，防止深部灰巖水通過斷層帶及底板進入巷道，降低巷道突水系數。

關鍵詞：斷層破碎帶;鉆探;注漿

一、施工段地質及水文地質條件概況

施工段地質情況。本區煤巖層呈近單斜構造，地層產狀90°∠16°。施工段臨近F2斷層組（F2-1305°∠75°H=12m±、F2290°∠55°H=100m±），F2斷層為張扭性正斷層，斷層帶內巖石破碎、雜亂，裂隙發育。根據中六運輸大巷掘進、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±。根據中六運輸大巷掘進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、灰巖等。本區主要充水水源為砂巖裂隙水，但不排除導通灰巖水的可能，預計局部巖性破碎處存在淋滲水現象，正常涌水量0～7.5m3/h，最大涌水量20m3/h。根據附近奧灰長觀孔水27（水位0.1m）資料，預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，本區臨近斷層，8煤反射波連續性較差。

二、鉆孔及注漿相關設計

（1）鉆機、泥漿泵、注漿泵設備。采用1臺ZDY3200S型鉆機、1臺ZDY4000L鉆機、2臺3ZB15/12-45泥漿泵、2臺SGB6-12注漿泵進行施工。注漿泵性能與漿液類型、濃度相適應，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，以便調節泵量，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。對F2斷層組附近105m范圍底板25m范圍進行有效注漿加固及驗證，設計底板注漿加固及驗證鉆孔施工34個孔。鉆孔編號注1～注25、驗1～驗9。

（3）鉆孔套管長度計算按掘進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度，MPa（淮北地區經驗值0.4～0.6Mpa，取0.5Mpa）。

經計算：t=11.0m，另加底板破壞深度6m（淮北經驗值），實際安全隔水層厚度應為17m，下套管長度取20.5m。

（4）鉆孔涌水量預計根據鉆探注漿操作規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，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-鉆孔孔口標高-507.7m=507.8m）。

經計算：Q=0.0835m3/s=300m3/h，當鉆孔內出水，鉆機采取反壓裝置卡死鉆桿后，使用鉆機掐掉鉆桿，然后關閉閘閥，預計用時約10分鐘，預計鉆孔涌水量約為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，要求試壓強度達到該處奧灰水頭壓力（51Mpa）的2.0倍，即：10.2Mpa，試壓穩定時間不小于30min，試壓合格后安裝孔口高壓閘閥及反壓防噴裝置，變徑Φ73mm鉆進直至終孔。鉆孔試壓合格后，鉆進至海相泥巖3～5m或斷層時，提鉆對鉆孔進行二次注漿，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，持續時間不小于30min。

（6）注漿設計及相關要求。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→鉆孔。每次注漿前均要進行壓水疏通注漿管路及孔內巖石裂隙。根據壓水試驗結果確定漿液濃度，用稀漿進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整漿液濃度。為確保注漿的連續性，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。造漿用水水質須滿足國家混凝土拌合用水質量標準，供水能力應達到15m3/h。保證注漿池不小于2m3/h，人工上料，人工及機械攪拌相結合，系統日造漿能力不小于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。間歇注漿間歇期應在2～4小時之內，間歇注漿階段注漿結束前向孔內壓清水10分鐘，確?？變韧〞?。

（7）單孔結束標準及單孔效果檢驗。當注漿壓力呈規律性的增加，達到設計終壓，注漿終壓不小于10.2Mpa，穩定時間不少于30min，終孔吸漿量不大于40L/min，可結束注漿。鉆孔注漿結束72小時后，打開閘閥，如孔內仍有出水現象，掃孔至孔底，采用井下注漿設備注漿封堵。

三、鉆孔施工及注漿情況

本次施工的鉆孔嚴格按設計要求施工，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，無出水現象，說明此處斷層導水性差，賦水性弱。根據鉆探探查成果分析，巷道未發現明顯地層水文地質異常。

四、結語

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成整體，有效提高圍巖穩定性和承載能力，阻斷了突水通道，增強巷道穿過斷層圍巖安全系數，解決了巷道過破碎帶支護困難、巷道圍巖變形嚴重等問題。目前巷道已經順利掘進過F2大斷層帶。

參考文獻：

[1]張永成，董書寧，蘇堅深，等.注漿技術[M].北京：煤炭工業出版社，2012.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

作者簡介：姚建兵，安徽歙縣人，安徽省皖北煤電集團任樓礦鉆探區工程師。