TBM巷道掘進(jìn)期間定向鉆進(jìn)技術(shù)及頂板注漿加固施工工藝試驗(yàn)

雷雙強(qiáng)，馮武宏，劉雨煙

1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安，710077；2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司，陜西西安，710077

0 引言

北二采區(qū)設(shè)計(jì)主采3#煤層，根據(jù)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(shí)，充水水源主要有：大氣降水、地表水、頂板含水層水、采空區(qū)積水、小窯積水和奧灰含水層水；充水通道主要有：底板擾動(dòng)裂隙帶、頂板導(dǎo)水裂隙帶、斷層構(gòu)造及陷落柱、封閉不良鉆孔等，其中陷落柱是礦井潛在的導(dǎo)水通道。根據(jù)以往采掘揭露經(jīng)驗(yàn)，桑樹坪煤礦發(fā)生過(guò)多次奧灰出水和小窯積水出水，涌水量較大，對(duì)礦井造成較大威脅。在北二采區(qū)采掘范圍內(nèi)，奧灰含水層水、小窯積水對(duì)采掘工作威脅較大。

1 施工長(zhǎng)鉆孔目的及設(shè)計(jì)

1.1 施工目的

通過(guò)在桑樹坪煤礦北二輔助運(yùn)輸巷B鉆場(chǎng)施工定向長(zhǎng)鉆孔，定向鉆孔水平段位于北二回風(fēng)巷待掘巷道頂部，利用定向鉆孔對(duì)附近地層進(jìn)行高壓注漿，封堵裂隙并加固破碎地層，為北二回風(fēng)巷TBM高效掘進(jìn)提供安全保障。

1.2 定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

1.2.1 鉆孔設(shè)計(jì)原則

定向長(zhǎng)鉆孔由開孔孔段、拐彎段和平行段組成，根據(jù)施工條件，鉆孔孔深設(shè)計(jì)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(chǎng)位于北二輔助運(yùn)輸巷745m處，通過(guò)向南方向施工1個(gè)定向鉆孔，定向鉆孔水平段位于北二回風(fēng)巷上部約0.5~1m，設(shè)計(jì)孔深約350m。

定向鉆孔設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

2 定向鉆探設(shè)備與工藝

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔施工設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備分為三部分。第一部分主要有定向鉆機(jī)及泵車；第二部分為鉆具，主要有中心通纜式鉆桿、回轉(zhuǎn)鉆桿、鉆頭及螺桿馬達(dá)；第三部分為信號(hào)傳輸系統(tǒng)，主要有防爆電腦及測(cè)量探管[1]。

本工程采用螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)結(jié)合復(fù)合鉆進(jìn)工藝方法、清水排渣鉆進(jìn)工藝成孔。螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石鉆進(jìn)，實(shí)時(shí)調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進(jìn)時(shí)，原則上每3m或6m對(duì)鉆孔進(jìn)行一次參數(shù)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整軌跡，鉆孔按照設(shè)計(jì)目的和要求鉆進(jìn)。設(shè)備配套見圖2所示。

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔工藝技術(shù)

定向鉆孔為兩級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，一級(jí)孔身主要為下孔口管、固孔、安裝孔口三通防噴裝置；二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)為定向孔段，目的是通過(guò)鉆桿彎曲造斜使鉆孔沿著設(shè)定軌跡到達(dá)目標(biāo)層位。具體見表2、圖3所示。

2.3 鉆探技術(shù)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(dāng)遇到塌孔、縮頸、卡鉆、埋鉆等特殊地質(zhì)條件時(shí)，經(jīng)雙方協(xié)商確認(rèn)可提前終孔，可采取從其他鉆孔補(bǔ)打分支鉆孔的方式達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

(二)財(cái)務(wù)管理關(guān)鍵環(huán)節(jié)管控不到位。提高事業(yè)單位財(cái)務(wù)管理水平，在管理工作的具體開展實(shí)施過(guò)程中應(yīng)該注重突出重點(diǎn)。目前事業(yè)單位財(cái)務(wù)管理關(guān)鍵環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為兩方面：一方面，預(yù)算管理不到位，一些事業(yè)單位預(yù)算編制不科學(xué)，預(yù)算的可操作性不強(qiáng)，預(yù)算執(zhí)行落實(shí)不到位，造成了預(yù)算未能發(fā)揮對(duì)財(cái)務(wù)活動(dòng)的規(guī)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?qū)徟粐?yán)格，資金使用效率不高的問(wèn)題相對(duì)較為突出。

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

表3 3NB-320/8-30型泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)本次深孔注漿，加固材料選用單組分無(wú)機(jī)加固材料。該材料呈粉狀，凝固時(shí)間可調(diào)、早期強(qiáng)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(shí)間間隔短，凝固時(shí)間可調(diào)，早期強(qiáng)度高，不收縮等優(yōu)點(diǎn)。

表1 鉆孔長(zhǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 鉆孔孔深結(jié)構(gòu)表

本單組分無(wú)機(jī)加固材料適用范圍為：

（1）采煤、掘進(jìn)工作面過(guò)斷層、陷落柱、構(gòu)造帶等異常區(qū)；

（2）采煤、掘進(jìn)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(qū)、煤柱等區(qū)域加固；

（5）中空注漿錨索錨注支護(hù)加固。

單組分無(wú)機(jī)加固材料性能指標(biāo)見表4所示。

以上指標(biāo)為特定水灰比下的性能指標(biāo)，本項(xiàng)目計(jì)劃測(cè)試不同水灰比下材料的強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間，最終選用適合本項(xiàng)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(qū)范圍內(nèi)3#煤底面與奧灰含水層頂面的間距為65~135m，全部范圍內(nèi)隔水層一般厚度為100m。奧灰頂界面水壓為0.6~2.8MPa，根據(jù)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(guò)50L/min。

（2）當(dāng)孔口壓力達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，同時(shí)注漿泵量也滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，維持30分鐘后，結(jié)束該段注漿。

2.5 注漿方式改進(jìn)工藝

2.5.1 前進(jìn)式分段注漿法

前進(jìn)式分段注漿是指采用鉆、注交替作業(yè)的一種注漿方式，也就是說(shuō)在工作的時(shí)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(jù)約束發(fā)展思想，先處理外側(cè)的孔，然后再朝內(nèi)部孔注漿，這樣做的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)，注漿的帷幕連續(xù)。缺點(diǎn)是完孔時(shí)間長(zhǎng)[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(yōu)點(diǎn)是施工工期短，缺點(diǎn)是下注漿管工藝復(fù)雜、孔段較長(zhǎng)難以確定是否下入孔底、成本較高且注漿管留置鉆孔內(nèi)不能重復(fù)利用、鉆孔較深后退時(shí)易造成卡塞[5]。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露鉆孔孔段，表明定向鉆孔已施工至設(shè)計(jì)層位，證實(shí)運(yùn)用定向長(zhǎng)鉆孔工藝技術(shù)，能夠達(dá)到精準(zhǔn)命中靶區(qū)的目的。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用定向鉆孔注漿加固技術(shù)施工過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆孔返渣情況、分析巷道圍巖節(jié)理發(fā)育情況，及時(shí)掌握頂板破碎帶巖層特征、巷道頂板圍巖破碎區(qū)域注漿段情況，合理配比單組分無(wú)機(jī)加固材料，注入5m3單組分無(wú)機(jī)加固材料后壓力達(dá)到8MPa，泵量50L/min以下，穩(wěn)壓30min后結(jié)束注漿，有效加速凝膠充填密實(shí)頂板裂隙，達(dá)到加固巷道頂板和封堵地層裂隙的目的。如圖5所示，孔內(nèi)注漿明顯，證明空間被充填，漿液能夠到達(dá)孔底，在裂隙發(fā)育開度大、發(fā)育密集的區(qū)域仍有部分裂隙已被充填，對(duì)巷道頂板圍巖裂隙起到了一定的加固作用。

表4 單組分無(wú)機(jī)加固材料性能指標(biāo)

地面做注漿材料固化試驗(yàn)，0.4水灰比下，3天強(qiáng)度達(dá)到27MPa。如圖6所示。

（3）在本次試驗(yàn)施工過(guò)程中，采用全孔段一次性注漿方式，因?yàn)槎ㄏ蚩咨疃容^長(zhǎng)，其各孔段裂隙構(gòu)造發(fā)育差異明顯，導(dǎo)致部分孔段裂隙未完全填充，建議后期施工中通過(guò)改變施工及注漿工藝、調(diào)配合適的化學(xué)漿液比例成分、優(yōu)選高壓專用注漿泵等方式去解決。

3.2 結(jié)論建議

（1）本次實(shí)驗(yàn)屬于試驗(yàn)性階段，依上文所述建議后期施行前進(jìn)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(lái)8MPa增加至16MPa，確保漿液逐漸壓密起到加固的作用。

（2）調(diào)配合適的化學(xué)漿液比例，配置更加適合桑樹坪煤礦地層的化學(xué)注漿材料。

（3）本次施工由于時(shí)間倉(cāng)促，僅試驗(yàn)完成1個(gè)定向鉆孔，建議后期對(duì)鉆孔數(shù)量及施工層位進(jìn)行分析，確保注漿材料能對(duì)裂隙進(jìn)行有效加固，使得注漿帷幕連續(xù)。