利用地面定向鉆探技術綜合治理礦井大型斷層

靳衛虎

摘要：本文介紹了地面定向鉆探技術在礦井的應用，并通過地面定向鉆孔沿巷道穿斷層探查，對探查范圍內斷層破碎帶進行注漿綜合治理實例分析，得到了地面定向鉆探技術綜合治理礦井大型斷層過程中的一些常見問題及解決方法，證明了地面定向鉆探技術綜合治理礦井大型斷層具有廣泛的推廣應用前景。

關鍵詞：定向鉆探；大型斷層；高壓注漿

1 地質概況

1.1治理區地質概況

袁店一井煤礦東翼大巷（東翼軌道大巷、東翼回風大巷、東翼運輸大巷）位于礦井東部，由原東翼三條大巷生根至礦井邊界附近，順礦井邊界穿aF1斷層∠60～70°H=260～310m和五溝楊柳斷層∠65～75°H=140～325m，5‰上山施工。大巷外段（方位N50°）施工層位位于32煤頂板約78～145m，里段（方位N114°）施工層位變化較大，aF1斷層前位于32煤頂板約170m，aF1斷層后位于32煤底板約125m，局部受斷層影響將揭露32煤，穿五溝楊柳斷層后層位位于10煤頂板約10m。東翼軌道大巷標高-740.5m～-723.6m，長約3377m，東翼回風大巷標高-740.5m～-710.6m，長約3481m，東翼運輸大巷標高-740.5m～-722.2m，長約3446m。東翼大巷施工期間主要受煤層頂底板砂巖裂隙水和斷層水影響。其中aF1和五溝楊柳斷層為大型斷層，落差較大，掘進施工期間影響較大。據2017-D5孔對aF1斷層破碎帶抽水試驗資料：q=0.00016L/（s.m），k=0.000198m/d，富水性弱。103采區大巷穿aF1斷層期間也無水文地質異常，由此說明aF1斷層富水性弱、導水性差。

2 東翼大巷穿aF1斷層綜合治理方案

2.1 巷道穿aF1斷層情況分析

aF1斷層為正斷層，傾角約60～70°，落差260～310m，斷層面較為破碎。巷道穿斷層時可能出現地應力大、頂板垮落、巷道支護困難、水害隱患等工程及水文地質問題。需對aF1斷層進行綜合工程治理。以保障后期巷道的安全掘進。東翼回風、皮帶、軌道大巷設計穿過aF1斷層，自斷層上盤向斷層下盤掘進，平面位置見圖2-。目前，東翼回風巷已經掘進至H18點前32.5m，預計距離aF1斷層面約113m。

三條巷道空間位置布置及施工現狀，見圖2-、圖2-。簡述如下：

回風大巷：該巷道在斷層影響范圍內是平巷，底板標高為-723.51m～-721.95m，坡度為5‰。掘進至距離斷層113m處，已停止掘進；

皮帶大巷：該巷道在斷層影響范圍內為下山，下坡15°施工150m后變平按5‰下坡施工，底板標高在-735m～-695m之間，現未掘進至斷層區域；

軌道大巷：該巷道在斷層影響范圍內是平巷，底板標高為-736.19m～-735.363m，坡度為5‰，巷道施工至距斷層面150m停止掘進。

2.2 治理方案

根據井下巷道情況及地面鉆機施工能力，合理設計技術方案，施工地面定向順層鉆孔精確進入巷道位置沿巷道中心鉆進，超前探查治理區段潛在水害威脅，并進行高壓注漿加固，通過分段“探注結合”施工，有效加固治理區段的斷層裂隙。通過高壓注漿將周圍構造裂隙充填壓密，對斷層帶圍巖進行注漿改性，為巷道穿越斷層帶支護創造條件，從而達到超前掩護巷道掘進的目標。

2.2.1 治理范圍

東翼三條巷道平行布置，間距為40m，回風巷道已掘進至距離斷層面約120m。斷層治理需進行高壓注漿，必須保證60m的注漿安全距離。因此，斷層上盤回風、皮帶巷查治范圍自巷道停掘位置延伸60m起，距離斷層面約60m；因斷層位置可能不準，下盤控制距離約100～120m。總治理區段160～180m。

2.2.2 查治方案

1、巷道查治

設計1組地面水平孔3個支孔分別分序次控制三條巷道治理區段。鉆孔水平段自斷層下盤進入預設位置，沿巷道中心線向巷道停掘位置方向分段鉆進查治。單孔注漿查治范圍預計10～20m范圍。

2、檢驗加固

根據巷道查治施工情況，檢驗治理效果。若巷道查治孔注漿量小、漿液擴散距離較小，需設計3個機動分支孔對巷道頂部距巷道中心線10m處進行注漿加固。檢查孔孔軌跡與3個巷道孔平行，即將3個巷道分支孔向上平移10m，對巷道頂板進行綜合治理；若巷道治理孔注漿量大、漿液擴散距離大，調整機動孔位置，減少檢查孔數量。

3 綜合治理工程設計

3.1 鉆探工程設計

3.1.1鉆孔布置

設計S1孔組順巷道水平孔組3個巷道治理支孔。分別為S1-1（回風巷）、S1-2（皮帶巷）、S1-3（軌道巷）。另機動孔位于巷道上方，根據治理情況而定，暫編號為S1-1-1（回風巷）、S1-2-1（皮帶巷）、S1-3-1（軌道巷）。鉆孔軌跡平面布置下見圖3-。

3.2 注漿工程設計

3.2.1 注漿方法

采用孔口密閉止漿、靜壓分序分段下行式注漿法。要求從治理段按單位注漿段長依次分段鉆進、注漿，上一段未達到注漿結束標準，不得進行下一段施工。注漿單位段必須根據具體情況臨時調整。只要未達到注漿結束標準，每次注漿前后均須壓水，若壓不進水，則下鉆具進行透、掃鉆孔至孔底，以便下次再注。

3.2.2 注漿材料

水泥采用P.O.42.5普通/復合硅酸鹽早強水泥，其質量應符合國家GB175-92標準，不得使用受潮結塊的水泥或過期的水泥。造漿用水水質須滿足國家混凝土拌合用水質量標準，其SO4-2含量應<1%，PH應>4。預計注漿量：5000噸。

3.2.3 施工工藝

注漿使用具有國內先進水平自動化程度高、勞動強度低、污染小的攪拌系統，可連續制漿和注漿。采用中低流量高壓聚能泵（20～120L/min，耐壓20～30MPa）注入孔內，整個系統由供電、供水、供儲灰、制漿、注漿、輸漿、止漿等7個部分，注漿以水泥單液漿為主。

4 工程實施情況

根據斷層注漿量較小的情況，本工程共實施1個鉆孔單元，累計施工4個鉆孔，3個分支孔和1個驗證鉆孔，機動孔未施工。

4.1鉆探工程

工程歷時3個月共完成4個分支孔，累計鉆探進尺2421m，其中，一開進尺295.66m，下入244.5mm×8.94mm套管295.3m；二開進尺516.34m，下入177.8mm×8.05mm套管811.8m；三開進尺1609m，沿巷道治理區段鉆進段長587m其中S1-1孔鉆進段長157m，S1-2孔鉆進段長156m，S1-3孔鉆進段長174m，S1-1-1孔鉆進段長100m。

4.2 注漿工程

4個分支孔采取分段注漿，累計沿巷道治理區段鉆進段長587m，累計注水泥1858t。其中S1-1注水泥838 t，S1-2注水泥306 t，S1-3注水泥699 t S1-1-1注水泥15t。

5 治理效果

1、本工程是淮北礦業集團首次試驗性地采用地面水平定向孔高壓注漿技術解決超前掩護巷道過大型斷層的問題，推廣價值高，安全效益顯著。

2、根據鉆探錄井記錄及簡易水文觀測結果，表明治理區域裂隙發育程度地，無水源補給通道，消除了潛在水害威脅。

3、通過地面高壓注漿，三條大巷穿斷層破碎帶圍巖得到了充分充填加固，為巷道穿越斷層的支護創造了有利條件。

6 結束語

綜合治理工程基本達到預期效果，但工程實施過程中仍有些問題需要解決。

1、S1鉆孔單元注漿期間，S1-3孔第二段、S1-3孔第三段和S1-2孔第一段鉆進過程中，都出現不同程度的孔內返水情況，總返出水量約276m3，最大單位時間返出量達到10m3/h。主要是由于高壓注漿漿液壓力沿地層原生裂隙及構造裂隙發育方向擴散；另由于局部構造作用，成為力的卸載通道，在巖石力學薄弱區域形成卸載點，在后續施工治理東翼皮帶大巷的S1-2孔鉆探工程時，孔內出現大量返水情況，表明兩側先行施工的S1-1孔以及S1-3孔高壓注漿產生的壓力傳導至中間的東翼皮帶大巷周圍，在S1-2孔鉆探施工過程中再次揭露該處地層裂隙，使得應力釋放，水泥漿液析出水分從孔口返出。注漿水在井下巷道施工過程中存在次生水害影響，因此必須在巷道恢復掘進施工前采用物探超前探測和鉆探驗證相結合的方法循環探查驗證，掩護巷道施工安全。

2、根據井下巷道實揭情況，局部見注漿水泥痕跡，但未見到鉆孔及驗證鉆孔，說明定向鉆孔的施工精度仍存在較大誤差。建議對定向設備儀器定期檢校以及對當地的磁偏角的校正。

3、實際注漿量與設計注量相差較大，注漿設計時要根據大型斷層的導富水性以及斷層斷開的煤系地層的巖層情況合理設計漿液比重和注漿壓力。

（作者單位：淮北礦業股份有限公司袁店一井煤礦）