深井高地壓井下鉆孔防變形技術

摘 要：唐口煤礦開采現水平為-990m，該水平整個地應力較高，巷道底鼓嚴重。長觀孔要求孔口附近嚴禁變形，尤其是巷道底鼓。通過對圍巖松動圈理論的分析，提出了加強巷道支護、改善鉆孔結構及固管材料來控制好高應力下鉆孔變形。

關鍵詞：高地壓；鉆孔防變形；巷道支護；鉆孔結構；圍巖松動圈

唐口煤礦與中國礦大巖石力學研究所、山東科技大學、青島理工大學合作，對唐口煤礦輔助運輸大巷采取不同支護形式的支護效果進行相似模擬試驗。綜合分析測量結果得出：唐口煤業有限公司-990水平整體地應力較高，-990水平以自重應力為主，屬自重應力場型，局部由于向斜構造的影響，地應力有所變異，呈現為水平應力突出。

井下長觀孔均布置在大巷中，由于巷道埋深較大，巷道底鼓嚴重， 局部底鼓達1m以上，目前巷道支護方式不能滿足長觀孔的要求。長觀孔要求孔口附近嚴禁變形，尤其是巷道底鼓。為此，應加強此段巷道的支護，將巷道變形程度降到最低，不出現明顯的底鼓等現象。

1 圍巖松動圈的定義

巷道開挖前，地下巖體處于三軸應力平衡狀態，一旦開挖，這個平衡系統就會遭到破壞，圍巖應力會重新調整。由于深埋巷道周邊調整后的圍巖應力達到了圍巖強度，故發生了破壞，導致圍巖應力降低，而最大主應力向圍巖內部轉移，直至達到新的三向應力平衡狀態為止，此時硐室四周形成一定厚度的破壞松動范圍。實踐證明，松動圈支護理論抓住了支護的主要對象，其分類方法和所確定的支護形式與參數符合現場實際，取得的技術經濟與社會效益顯著，并深受現場歡迎。

在原巖中開挖巷道，破壞了圍巖的原有應力平衡狀態，使應力重新分布：一是徑向應力減少，周邊處達到零；二是切向應力增加，產生了應力集中。另一方面，圍巖受力狀態由三向變成了近似二向，巖石的強度下降了。如果集中的應力值小于下降后的巖石強度，圍巖處于彈性狀態，圍巖自行穩定，不存在支護問題；如果相反，圍巖將發生破裂，這種破裂從周邊逐漸向深部擴展，直至達到另一新的三向應力平衡狀態為止，此時圍巖中出現了一個破裂區。我們把這個由于應力作用產生的松弛破裂帶稱為圍巖松動圈。在圍巖分類中，可用聲波儀或多點位移計探測出圍巖中的松動圈厚度（松動圈值）。

2 井下長觀孔硐室支護加固方案

2.1 巷道支護對象

圍巖松動圈是開巷后地應力超過圍巖強度的結果。在現有支護條件下，試圖采用支護手段阻止圍巖的松動破壞是不可能的。地應力與圍巖的相互作用會產生大小不同的圍巖松動圈，因此，松動圈支護理論認為：支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。這一觀點與支護對象論點一起構成了圍巖松動圈巷道支護理論的核心內容。

圍巖松動圈客觀存在于巷道圍巖中，埋深（地應力）、巖石強度和跨度是影響松動圈的因素，但跨度作用較小；松動圈厚度越大，支護越困難，松動圈越小，支護越容易；在同樣地應力條件下，巖石強度越低，松動圈越大；同一巖種中，松動圈厚度可以不同。是因松動圈還與原巖應力有關；支護對松動圈的尺寸影響不明顯。這些結論說明松動圈厚度是決定巷道圍巖穩定性的主要因素。由此提出了以松動圈厚度作為圍巖應力與強度的綜合、定量指標的巷道圍巖分類方法。可見，松動圈厚度是這一理論應用于工程實踐最關鍵的唯一基礎參數。

隨著開采深度加大，礦井開采自然條件惡化。如在深井中出現熱害、巖爆等，巖石的力學性質也與淺部不同。尤其是深部巷道圍巖松動圈增大，變形破壞嚴重，維護困難是深部開采最主要的技術特征之一。巷道圍巖松動圈隨采深增加而增大，開始增大較快，以后逐漸減小，并近于直線。巖體強度越小，巷道圍巖松動圈隨采深增大的幅度越大，反之則越小。

2.2 支護方案

井下長觀孔均布置在大巷中，深度都接近1000m。由于巷道埋深較大，巷道底鼓嚴重，局部底鼓達1000mm以上，目前巷道支護方式不能滿足長觀孔的要求。長觀孔要求孔口附近嚴禁變形，尤其是巷道底鼓。為此，應加強此段巷道的支護，將巷道變形程度降到最低，不出現明顯的底鼓等現象。

為了便于鉆探施工和長觀孔的保護，設計在巷道一側開幫形成長觀孔硐室。井下水文孔在施工前應先施工硐室，硐室規格為進深3m，寬4m，高5m，對應鉆孔上方高度6m。

圖1 鉆孔硐室平面圖

為保證探水硐室及巷道的穩定，需對硐室及前后2m范圍的巷道進行加固支護，采用錨噴網索初次支護。

3 井下鉆孔防變形技術

在加強了鉆孔硐室支護之后，難免出現小量巷道底板變形。以往井下施工的鉆孔均是采用下設孔口管和套管的辦法，即使在小量變形條件下，也可對孔口管造成破壞，導致觀測孔報廢。為此，應在鉆孔結構和固管材料方面進行改進。

3.1 鉆孔結構

為防止套管發生擠壓變形、錯斷、鼓起等事故，在底板容易發生變形破壞的深度范圍內加設一路套管（稱為護管），同時護管選用壁厚大，強度大的無縫鋼管，防止護管發生變形。并在護管與孔口管之間留出一定的間隙，充填彈性較大的材料。即采用護管-孔口管-套管——裸孔的結構。

采用的基本結構為：護管Ф180×10mm，長4m；孔口管管徑Ф146×7mm，長20m；套管管徑Ф108×5mm，下至含水層位置；含水層裸孔，孔徑73mm。

開孔用219mm鉆進4m，下好護管；并用優樂加固1號化學漿液封閉加固；換用150mm鉆頭，鉆進20m，下入直徑146mm的無縫鋼套管（孔口管），孔口管外部同樣用化學漿液封閉加固，安裝孔口管。經耐壓試驗確定孔口管牢固后，用直徑127mm的鉆頭鉆進至奧灰（或十下灰），下入108mm的套管，管外用43.5#普通硅酸鹽水泥加速凝劑封閉止水。用75mm鉆頭鉆進至終孔。基本結構如圖2所示。

3.2 井下鉆孔技術要求

（1）鉆進時，必須先裝好孔口管（深度20m），安裝控制閘閥，并進行耐壓試驗。達到設計承受的水壓后，方可繼續鉆進。危險的地段，應有躲避場所，并規定避災路線。井下鉆孔由于水壓大，在揭露含水層前，應安裝反壓和防噴裝置。（2）為了防止護管因變形破壞孔口管，應允許護管有一定程度的縱、橫向變形，因此在護管外壁應彈性較好的材料充填，可選用優樂加固1號，也可使用濾渣混凝土充填。孔口管要高出護管0.4-0.5m。孔口管的固管要使用優樂加固1號。奧灰孔套管下到在奧灰頂界面以上3-5m；十下灰孔下到十下灰頂3-5m處。（3）由于井下不具備焊接條件，護管、孔口管和套管的連接應采用絲扣連接方式。（4）終孔層位：十下灰觀測孔，穿透十下灰至底板下5m；奧灰觀測孔，進入奧灰30-100m（在奧灰中見水大于5m3/h時即可停鉆）。（5）在鉆孔穿過三灰、八灰、十下灰、十三灰、十四灰等含水層時，如遇到涌水，則要對水量、水壓進行測量，并采取水樣。奧灰鉆孔在接近奧灰頂面20m開始要加強水文觀測，以了解奧灰導升高度。（6）鉆具丈量：每鉆進100m丈量一次鉆具，特別要做好各主要標志層、煤層及奧灰的丈量鉆具工作。鉆具誤差小于0.15%，若超過時要找出原因，并進行合理平差。（7）對即將揭露煤層或標志層，要進行取心，巖心采取率應大于75%。（8）鉆探原始班報要記錄及時，整潔無誤，不得隨意涂改。

3.3 護管及固管材料

下護管的目的在于保護井口管不受到巷道變形影響，因此護管與井壁間使用彈性材料保護護管，同時護管應有較大的抗壓強度。因此，應采用厚壁無縫鋼管，護管壁厚不小于8mm。

孔口管的固管材料應使用化學漿液，采用了山東尤洛卡股份有限公司生產的優樂加固1號灌漿材料。該材料固化充填時間短、抗壓強度大（一般>60MPa）、壓縮變形10-50/%、抗拉強度>40MPa、抗剪強度>15MPa、黏結強度>4MPa、比重1200（25℃/kg·m-3）。能達到充填強度高、韌性好、適應圍巖的動壓變化、抗變形能力強的目標。

作者簡介：藺成森（1986-），男，2010年畢業于山東科技大學地質工程專業，現從事礦井地質專業，助理工程師。