TBM巷道掘進期間定向鉆進技術及頂板注漿加固施工工藝試驗

雷雙強，馮武宏，劉雨煙

1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077；2.中國石油測井有限公司，陜西西安，710077

0 引言

北二采區設計主采3#煤層，根據礦井勘探資料及以往回采揭露顯示，桑樹坪煤礦在開采3#煤層時，充水水源主要有：大氣降水、地表水、頂板含水層水、采空區積水、小窯積水和奧灰含水層水；充水通道主要有：底板擾動裂隙帶、頂板導水裂隙帶、斷層構造及陷落柱、封閉不良鉆孔等，其中陷落柱是礦井潛在的導水通道。根據以往采掘揭露經驗，桑樹坪煤礦發生過多次奧灰出水和小窯積水出水，涌水量較大，對礦井造成較大威脅。在北二采區采掘范圍內，奧灰含水層水、小窯積水對采掘工作威脅較大。

1 施工長鉆孔目的及設計

1.1 施工目的

通過在桑樹坪煤礦北二輔助運輸巷B鉆場施工定向長鉆孔，定向鉆孔水平段位于北二回風巷待掘巷道頂部，利用定向鉆孔對附近地層進行高壓注漿，封堵裂隙并加固破碎地層，為北二回風巷TBM高效掘進提供安全保障。

1.2 定向長鉆孔設計

1.2.1 鉆孔設計原則

定向長鉆孔由開孔孔段、拐彎段和平行段組成，根據施工條件，鉆孔孔深設計為350m，鉆孔平面位置布置于巷道中心，剖面位置布置于巷道正上方0.5~1m。

B鉆場位于北二輔助運輸巷745m處，通過向南方向施工1個定向鉆孔，定向鉆孔水平段位于北二回風巷上部約0.5~1m，設計孔深約350m。

定向鉆孔設計示意圖如圖1所示，設計參數如表1。

2 定向鉆探設備與工藝

2.1 定向長鉆孔施工設備

本試驗設備分為三部分。第一部分主要有定向鉆機及泵車；第二部分為鉆具，主要有中心通纜式鉆桿、回轉鉆桿、鉆頭及螺桿馬達；第三部分為信號傳輸系統，主要有防爆電腦及測量探管[1]。

本工程采用螺桿馬達定向鉆進結合復合鉆進工藝方法、清水排渣鉆進工藝成孔。螺桿馬達轉子帶動鉆頭回轉破碎巖石鉆進，實時調整螺桿馬達工具面向角，實現鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進時，原則上每3m或6m對鉆孔進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的現場實際地質情況，及時調整軌跡，鉆孔按照設計目的和要求鉆進。設備配套見圖2所示。

2.2 定向長鉆孔工藝技術

定向鉆孔為兩級孔身結構，一級孔身主要為下孔口管、固孔、安裝孔口三通防噴裝置；二級孔身結構為定向孔段，目的是通過鉆桿彎曲造斜使鉆孔沿著設定軌跡到達目標層位。具體見表2、圖3所示。

2.3 鉆探技術要求

按照要求開孔孔位偏差：±0.5m，傾角偏差：±2°，方位偏差：±2°。鉆孔深度0~350m，上下偏移1~3m，左右偏移2~4m。當遇到塌孔、縮頸、卡鉆、埋鉆等特殊地質條件時，經雙方協商確認可提前終孔，可采取從其他鉆孔補打分支鉆孔的方式達到設計目的。

(二)財務管理關鍵環節管控不到位。提高事業單位財務管理水平，在管理工作的具體開展實施過程中應該注重突出重點。目前事業單位財務管理關鍵環節中存在的問題主要表現為兩方面：一方面，預算管理不到位，一些事業單位預算編制不科學，預算的可操作性不強，預算執行落實不到位，造成了預算未能發揮對財務活動的規劃約束作用。另一方面，資金管控不到位，在資金的使用管理中程序審批不嚴格，資金使用效率不高的問題相對較為突出。

本次定向鉆孔孔深約350m，注漿設備選用3NB-320/8-30型往復式泥漿泵，該泵屬電驅機械變量臥式三缸單作用往復柱塞泵，具有壓力高、泵量大的特點，如表3所示。

表3 3NB-320/8-30型泥漿泵主要技術參數

針對本次深孔注漿，加固材料選用單組分無機加固材料。該材料呈粉狀，凝固時間可調、早期強度大，主要用于煤礦井下破碎圍巖、冒頂、斷層、片幫、煤柱等方面的加固，配合中空注漿錨索、中空注漿錨桿使用效果更佳。如圖4所示。該材料具有初、終凝時間間隔短，凝固時間可調，早期強度高，不收縮等優點。

表1 鉆孔長設計參數表

表2 鉆孔孔深結構表

本單組分無機加固材料適用范圍為：

（1）采煤、掘進工作面過斷層、陷落柱、構造帶等異常區；

（2）采煤、掘進工作面冒頂、片幫治理；

（3）軟弱破碎煤巖體加固；

（4）巷道、三角區、煤柱等區域加固；

（5）中空注漿錨索錨注支護加固。

單組分無機加固材料性能指標見表4所示。

以上指標為特定水灰比下的性能指標，本項目計劃測試不同水灰比下材料的強度及凝結時間，最終選用適合本項目的最佳材料配比。

2.4 注漿方式及工藝流程

注漿方式采用全孔一次性注漿，北二采區范圍內3#煤底面與奧灰含水層頂面的間距為65~135m，全部范圍內隔水層一般厚度為100m。奧灰頂界面水壓為0.6~2.8MPa，根據注漿終壓為靜水壓力2~3倍的原則，確定此次鉆探注漿改造工程的注漿終壓為8MPa。

（1）鉆孔注漿終壓為8MPa，注漿泵泵量為不超過50L/min。

（2）當孔口壓力達到注漿結束標準后，同時注漿泵量也滿足注漿結束標準時，維持30分鐘后，結束該段注漿。

2.5 注漿方式改進工藝

2.5.1 前進式分段注漿法

前進式分段注漿是指采用鉆、注交替作業的一種注漿方式，也就是說在工作的時候，鉆一段之后立即注漿，然后停止再次鉆孔，然后再次注漿，不斷交替。依據約束發展思想，先處理外側的孔，然后再朝內部孔注漿，這樣做的優點是能夠確保漿液逐漸壓密起到加固的作用、在空隙較小的部位滲透能力強，注漿的帷幕連續。缺點是完孔時間長[4]。

2.5.2 后退式分段注漿法

后退式分段注漿是指完孔后下入注漿管邊退邊注的一種注漿方式，該工藝的優點是施工工期短，缺點是下注漿管工藝復雜、孔段較長難以確定是否下入孔底、成本較高且注漿管留置鉆孔內不能重復利用、鉆孔較深后退時易造成卡塞[5]。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）根據現場實際揭露鉆孔孔段，表明定向鉆孔已施工至設計層位，證實運用定向長鉆孔工藝技術，能夠達到精準命中靶區的目的。

（2）現場應用定向鉆孔注漿加固技術施工過程中，通過實時觀測鉆孔返渣情況、分析巷道圍巖節理發育情況，及時掌握頂板破碎帶巖層特征、巷道頂板圍巖破碎區域注漿段情況，合理配比單組分無機加固材料，注入5m3單組分無機加固材料后壓力達到8MPa，泵量50L/min以下，穩壓30min后結束注漿，有效加速凝膠充填密實頂板裂隙，達到加固巷道頂板和封堵地層裂隙的目的。如圖5所示，孔內注漿明顯，證明空間被充填，漿液能夠到達孔底，在裂隙發育開度大、發育密集的區域仍有部分裂隙已被充填，對巷道頂板圍巖裂隙起到了一定的加固作用。

表4 單組分無機加固材料性能指標

地面做注漿材料固化試驗，0.4水灰比下，3天強度達到27MPa。如圖6所示。

（3）在本次試驗施工過程中，采用全孔段一次性注漿方式，因為定向孔深度較長，其各孔段裂隙構造發育差異明顯，導致部分孔段裂隙未完全填充，建議后期施工中通過改變施工及注漿工藝、調配合適的化學漿液比例成分、優選高壓專用注漿泵等方式去解決。

3.2 結論建議

（1）本次實驗屬于試驗性階段，依上文所述建議后期施行前進式分段注漿法，并配備專用高壓注漿泵快速注漿，泵壓由原來8MPa增加至16MPa，確保漿液逐漸壓密起到加固的作用。

（2）調配合適的化學漿液比例，配置更加適合桑樹坪煤礦地層的化學注漿材料。

（3）本次施工由于時間倉促，僅試驗完成1個定向鉆孔，建議后期對鉆孔數量及施工層位進行分析，確保注漿材料能對裂隙進行有效加固，使得注漿帷幕連續。