破碎帶單孔循環注漿鉆進工藝及應用

郭師軍

（晉城煤業集團古書院礦，山西 晉城 048000）

煤礦在進行瓦斯抽采、深孔注漿、水力壓裂等工程時，不可避免需要施工30m以上的深孔鉆孔。當地質條件好、圍巖強度高時，施工較為容易，但需要穿過構造區、裂隙集中區、破碎帶時，容易出現塌孔、卡鉆現象，無法繼續鉆進，甚至鉆桿也難以退出回收，不能達到設計深度，或者成孔后來不及插管即出現塌孔[1-3]。類似問題普遍存在，嚴重影響施工進度和質量，浪費大量鉆桿。以往多采用下套管方法護孔，但深度超過10m后，套管安裝即十分困難，對于百米深孔施工更不現實[4]。針對趙莊煤業1308工作面注漿鉆孔施工當中遇到的問題，介紹了單孔循環注漿鉆進工藝及應用效果，以期為類似情況下鉆孔施工提供參考。

1 工程背景

趙莊煤業1308大采高工作面走向長950m，傾斜長220m，開采3#煤層，平均厚度為4.7m，走向上平均仰角為4°，傾向上近水平。布置13081和13082兩條順槽，設計巷寬均為5m，高均為4.5m。

煤層上方賦存一層1～3m的薄層狀泥巖偽頂，極不穩定，易風化，受擾動易冒落，在前期的巷道掘進以及工作面回采當中已有明顯體現。掘進時，巷道多處冒落形成超高區，巷高甚至達7.5m，工作面回采過程中也出現嚴重的冒頂現象，經常連續半月不能推進，消耗大量化學漿。

為了避免工作面在經過超高區時偽頂冒落支架不能接頂，礦方決定在超高區范圍從兩順槽施工深孔對偽頂以及煤壁進行注漿加固。鉆孔布置參數如下：

在兩順槽內均施工鉆孔，鉆孔布置方式為上、下兩排。下排孔布置在煤壁，距離底板2.5m，仰角2°；上排孔布置在偽頂內，距離底板5.5m，仰角1°。孔徑均為75mm，孔深均為115m，上排、下排鉆孔間距均為10m。如圖1所示。

兩順槽各設計12個鉆孔，在鉆孔施工時，孔深30～35m、70～75m范圍需通過破碎帶，如圖2所示。通過30～35m時出現嚴重的卡鉆情況，無法繼續鉆進，現場嘗試重新開孔、水排渣改為風排渣、圓鉆桿改為三棱鉆桿，均無法解決，40d未施工成功一個鉆孔。

圖1 鉆孔布置平面圖

圖2 深孔穿過破碎帶示意圖

2 單孔循環注漿鉆進工藝

2.1 解決思路

鉆孔難以通過破碎帶，破碎帶存在大量裂隙，完整性差要對破碎帶進行注漿加固，提高完整性和強度。可以采取兩種方案：

（1）方案一：三次鉆孔三次注漿法。根據兩處破碎帶深度30～35m、70～75m，設計三次注漿方案。第一次設計孔深30m，整體注漿，利用漿液滲透作用加固30～35m破碎帶；第二次設計孔深70m，同樣利用漿液滲透作用加固70～75m破碎帶；第三次設計孔深115m，進行整體注漿加固。

（2）方案二：單孔循環注漿鉆進工藝。鉆孔施工至30m破碎帶邊緣時，退鉆不插管注漿，鉆機位置不動，漿液硬化后套孔，套至70m破碎帶邊緣時，退鉆不插管二次注漿，鉆機位置不動，漿液硬化后然后套孔，套至設計深度115m時，插管進行最后一次注漿。

可以看出，方案一是根據常規思路進行的分層次注漿，破碎帶數量越多，施工越復雜，鉆孔工程量巨大，且只能分步進行，頻繁挪動鉆機。方案二可以多臺鉆同時施工，互不干擾，成一個孔過程中不需挪動鉆機，優勢明顯。

2.2 單孔循環注漿鉆進工藝

根據上述介紹，單孔循環注漿鉆進工藝即是一個鉆孔，循環鉆進、退鉆、注漿工藝，對破碎帶分別加固，最終達到設計孔深。一個鉆孔實現多次注漿的關鍵在于前幾次注漿不可以插管，否則鉆孔無法套孔。具體通過特制套管來實現。實施方式為：

（1）地面預先加工套管，套孔采用Ф108mm無縫鋼管，分為兩節，2m/節，加工絲扣連接，其中1節一端焊接一片空心高壓法蘭盤，另一片法蘭盤上開孔焊接注漿連接口，如圖3所示。

（2）鉆機施工時，先使用Ф133mm鉆頭鉆進4m，退鉆，用棉布包裹套管送入孔內，與孔壁貼嚴。然后換Ф75mm鉆頭繼續鉆進至30m，當有破碎卡鉆跡象時，立即退鉆，上緊兩片法蘭盤，利用外側法蘭盤上的注漿連接口進行注漿，對破碎帶進行加固。

（3）漿液固化后，套孔，鉆進至70m，當有破碎卡鉆跡象時，立即退鉆，利用外側法蘭盤上的注漿連接口進行二次注漿，對破碎帶進行加固。

（4）漿液固化后，套孔，鉆進至115m設計深度，退鉆，插管進行最后一次整體注漿。

（5）期間遇到其他破碎帶卡鉆情況，也可按照上述方式進行退鉆注漿加固。

圖3 套筒加工示意圖

單孔循環注漿鉆進工藝施工速度的關鍵在于如何實現注漿后漿液快速硬化，以便于及時套孔，縮短施工時間。

2.3 新型無機雙液注漿材料

為此，河南理工大學熊祖強教授團隊研發了新型無機雙液注漿材料。分為A型和B型，使用時加水攪拌，水灰比0.6:1～2:1可調，結石率100%。通過改變水灰比，實現漿液流動和凝結時間調整，以適應不同孔深擴散加固需求。不同水灰比條件下流動時間與終凝時間如表1所示。

表1 新型無機雙液注漿材料性能參數表

可以看出，鉆進30m第一次退鉆注漿，可以采用1.5:1水灰比，鉆進70m第二次退鉆注漿，可以采用2:1水灰比。

最后一次插管注漿，所采用的注漿材料為強度更高的超細水泥材料，封孔長度15m，封孔材料仍可采用新型無機雙液注漿材料，水灰比1.2:1。

3 效果考察

采用單孔循環注漿鉆進工藝，鉆進至破碎帶退鉆注漿，注漿結束2～4h后即可進行套孔，套孔時未出現塌孔現象，鉆孔先后順利通過30～35m、70～75m兩個破碎帶，大幅提高了施工速度，平均1臺鉆機2d完成一個鉆孔。4臺鉆機施工，兩條順槽各2臺，所有鉆孔15d之內注漿完畢。

工作面回采時，兩個破碎帶可見大量漿液擴散痕跡，未出現片幫、冒頂現象，工作面順利通過。如圖4所示。

圖4 工作面過破碎帶實景

4 結論

（1）鉆孔過破碎帶容易出現塌孔、卡鉆現象，解決的根本思路是對破碎帶進行注漿加固，提高完整性和強度。

（2）循環注漿鉆進工藝是只采用一個鉆孔，通過循環鉆進、退鉆、注漿工藝，對破碎帶分別加固，最終達到設計孔深。前幾次注漿利用套管，避免插管，以利于套孔，成孔后再插管注漿。

（3）新型無機雙液注漿材料通過改變水灰比，實現漿液流動和凝結時間調整，能夠適應0～100m不同孔深擴散加固需求，解決了注漿后快速套孔問題。

（4）效果考察表明，注漿結束2～4h后即可進行套孔，鉆孔先后順利通過30～35m、70～75m兩個破碎帶，大幅提高了施工速度，24個深孔15d之內注漿完畢。