井下定向長鉆孔技術在盾構巷道超前探查中應用

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 盾構機安全高效施工，需超前精準探明施工區域地質及水文地質條件，為盾構施工的層位選取及提前采取相應措施提供依據。定向長鉆孔具有鉆孔軌跡可控、目標層位跟層率高、單孔探查距離長等優勢[1-5]，基于此，以城郊煤礦二水平南翼回風大巷Ⅲ超前探查項目為例，采用井下定向長鉆孔技術對盾構施工巷道超前精準探查進行了有益探討和工程實踐。

1 工程概況

研究區位于城郊煤礦二水平南翼，其東側為二水平南翼大巷Ⅱ（已掘），南鄰二水平南翼膠帶大巷（未掘），間距35 m，北側和西側均為未掘區域，地面標高+32.1～+32.4 m，新生界厚度約447 m。施工區域整體為一向斜構造，地層傾角約8°～15°，平均傾角11°。根據鄰近補9 地質鉆孔分析，二水平南翼回風大巷Ⅲ設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、砂質泥巖組成，該區域地質柱狀圖如圖1。根據三維地質資料分析，研究區內發育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地層巖性、煤層賦存位置、構造發育狀況及水文地質條件，實現巷道安全高效連續盾構施工，經分析論證，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對研究區進行超前探查。

表1 研究區內發育斷層情況

圖1 地質柱狀圖

2 定向長鉆孔設計

2.1 鉆孔布設方案

鉆孔設計1 個主孔（1#），孔深957 m，探測研究區地層巖性、構造發育狀況及水文地質條件；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 鉆探設備及鉆孔結構設計

硬件設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的測量設備：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（YHD3-1500）等。

鉆孔結構：一開，用Φ120 mm 鉆頭配套Φ89 mm 鉆桿采用回轉鉆進工藝保直鉆進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，沿設計軌跡進行鉆進，為裸孔段。鉆孔結構如圖4。

圖4 鉆孔結構圖

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，每3 m 進行一次鉆孔參數測量，并將數據及軌跡傳輸到隨機電腦上，施鉆人員根據實測軌跡調整工具面，確保鉆孔軌跡符合設計要求。

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，詳細分析該處地質資料，有針對性地對斷層區域進行注漿加固，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，鉆孔施工結束后，首先向孔內壓入水泥單液漿，水灰質量比1:0.8，漿液比重1.42。當孔口壓力達到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，頻繁出現卡鉆、抱鉆現象，隨后起鉆，未施工至設計位置（剩余394 m），并且1-1#分支孔亦未施工。為消除探查盲區，在二水平南軌道大巷Ⅲ導線點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，結合本區域柱狀圖準確判別巖性。1#主孔表現為孔深21～68 m 灰色泥巖，68～134 m 灰色砂質泥巖，134～246 m 深灰色粉砂巖，246～563 m 灰-深灰色砂質泥巖，其中孔深406～413 m、536～540 m 段圍巖較破碎；2#主孔在預掘巷道范圍內表現為孔深131～216 m 灰色粉砂巖，216～529 m 灰色砂質泥巖。兩個主孔均無出水現象，表明探查區內巖層富水性較弱，不存在導水構造，整體水文地質條件簡單，僅存在局部區段圍巖破碎，需提前采取預防措施。

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泵壓突然增高或卡鉆、抱鉆現象便終孔起鉆。雖未探得煤層全厚，但掌握了煤層層位。根據探得的煤層層位，預測探查區盾構巷道與二2 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）根據現場應用實踐結果，定向鉆進裝備當鉆進軟弱破碎巖（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；當鉆孔出現塌孔、泵壓突然增大時，為防止抱鉆和卡鉆事故發生，可采用定向鉆進和回轉鉆進相結合方式施工，配合鉆井液鉆進，增加排渣能力，同時反復沖洗鉆孔，直到泵壓恢復正常后方可鉆進；當鉆孔塌孔嚴重、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，當遇到軟弱破碎巖（煤）層時施工將非常困難，故在設計鉆孔時應盡量避開軟弱破碎巖（煤）層。

6 結論

城郊煤礦針對二水平南翼回風大巷Ⅲ盾構快速施工巷道，設計實施了定向長鉆孔超前精準探查，實現了巷道施工本質安全，效果良好。

1）采用ZDY15000LD 型定向鉆機及配套設備施工定向長鉆孔對預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，避免了影響盾構巷道的施工，提高了施工效率。

2）查明了二水平南翼回風大巷Ⅲ施工期間預計揭露地層巖性、煤層賦存位置、構造發育狀況及水文地質條件。根據實鉆情況，判定研究區內巖層富水性較弱，不存在導水構造，地層整體相對完整，僅局部存在破碎區段；預掘巷道與二2 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保障。

3）分析總結了定向長鉆孔施工過程中存在的問題，給出相應對策，當孔深超過500 m 時應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勢，掘進揭露的巖性與鉆孔探查預測的巖性、位置基本吻合，煤層層位探測可靠，保證了TBM 盾構機安全高效施工。