利用地面定向鉆探技術(shù)綜合治理礦井大型斷層

利用地面定向鉆探技術(shù)綜合治理礦井大型斷層

靳衛(wèi)虎Summary：本文介紹了地面定向鉆探技術(shù)在礦井的應(yīng)用，并通過(guò)地面定向鉆孔沿巷道穿斷層探查，對(duì)探查范圍內(nèi)斷層破碎帶進(jìn)行注漿綜合治理實(shí)例分析，得到了地面定向鉆探技術(shù)綜合治理礦井大型斷層過(guò)程中的一些常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法，證明了地面定向鉆探技術(shù)綜合治理礦井大型斷層具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。Key：定向鉆探；大型斷層；高壓注漿1地質(zhì)概況1.1治理區(qū)地質(zhì)概況袁店一井煤礦東翼大巷（東翼軌道大巷、東翼回風(fēng)大巷、東翼運(yùn)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(biāo)高-740.5m～-723.6m，長(zhǎng)約3377m，東翼回風(fēng)大巷標(biāo)高-740.5m～-710.6m，長(zhǎng)約3481m，東翼運(yùn)輸大巷標(biāo)高-740.5m～-722.2m，長(zhǎng)約3446m。東翼大巷施工期間主要受煤層頂?shù)装迳皫r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(jìn)施工期間影響較大。據(jù)2017-D5孔對(duì)aF1斷層破碎帶抽水試驗(yàn)資料：q=0.00016L/（s.m），k=0.000198m/d，富水性弱。103采區(qū)大巷穿aF1斷層期間也無(wú)水文地質(zhì)異常，由此說(shuō)明aF1斷層富水性弱、導(dǎo)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(shí)可能出現(xiàn)地應(yīng)力大、頂板垮落、巷道支護(hù)困難、水害隱患等工程及水文地質(zhì)問(wèn)題。需對(duì)aF1斷層進(jìn)行綜合工程治理。以保障后期巷道的安全掘進(jìn)。東翼回風(fēng)、皮帶、軌道大巷設(shè)計(jì)穿過(guò)aF1斷層，自斷層上盤(pán)向斷層下盤(pán)掘進(jìn)，平面位置見(jiàn)圖2-。目前，東翼回風(fēng)巷已經(jīng)掘進(jìn)至H18點(diǎn)前32.5m，預(yù)計(jì)距離aF1斷層面約113m。三條巷道空間位置布置及施工現(xiàn)狀，見(jiàn)圖2-、圖2-。簡(jiǎn)述如下：回風(fēng)大巷：該巷道在斷層影響范圍內(nèi)是平巷，底板標(biāo)高為-723.51m～-721.95m，坡度為5‰。掘進(jìn)至距離斷層113m處，已停止掘進(jìn)；皮帶大巷：該巷道在斷層影響范圍內(nèi)為下山，下坡15°施工150m后變平按5‰下坡施工，底板標(biāo)高在-735m～-695m之間，現(xiàn)未掘進(jìn)至斷層區(qū)域；軌道大巷：該巷道在斷層影響范圍內(nèi)是平巷，底板標(biāo)高為-736.19m～-735.363m，坡度為5‰，巷道施工至距斷層面150m停止掘進(jìn)。2.2治理方案根據(jù)井下巷道情況及地面鉆機(jī)施工能力，合理設(shè)計(jì)技術(shù)方案，施工地面定向順層鉆孔精確進(jìn)入巷道位置沿巷道中心鉆進(jìn)，超前探查治理區(qū)段潛在水害威脅，并進(jìn)行高壓注漿加固，通過(guò)分段“探注結(jié)合”施工，有效加固治理區(qū)段的斷層裂隙。通過(guò)高壓注漿將周圍構(gòu)造裂隙充填壓密，對(duì)斷層帶圍巖進(jìn)行注漿改性，為巷道穿越斷層帶支護(hù)創(chuàng)造條件，從而達(dá)到超前掩護(hù)巷道掘進(jìn)的目標(biāo)。2.2.1治理范圍東翼三條巷道平行布置，間距為40m，回風(fēng)巷道已掘進(jìn)至距離斷層面約120m。斷層治理需進(jìn)行高壓注漿，必須保證60m的注漿安全距離。因此，斷層上盤(pán)回風(fēng)、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(zhǔn)，下盤(pán)控制距離約100～120m?？傊卫韰^(qū)段160～180m。2.2.2查治方案1、巷道查治設(shè)計(jì)1組地面水平孔3個(gè)支孔分別分序次控制三條巷道治理區(qū)段。鉆孔水平段自斷層下盤(pán)進(jìn)入預(yù)設(shè)位置，沿巷道中心線向巷道停掘位置方向分段鉆進(jìn)查治。單孔注漿查治范圍預(yù)計(jì)10～20m范圍。2、檢驗(yàn)加固根據(jù)巷道查治施工情況，檢驗(yàn)治理效果。若巷道查治孔注漿量小、漿液擴(kuò)散距離較小，需設(shè)計(jì)3個(gè)機(jī)動(dòng)分支孔對(duì)巷道頂部距巷道中心線10m處進(jìn)行注漿加固。檢查孔孔軌跡與3個(gè)巷道孔平行，即將3個(gè)巷道分支孔向上平移10m，對(duì)巷道頂板進(jìn)行綜合治理；若巷道治理孔注漿量大、漿液擴(kuò)散距離大，調(diào)整機(jī)動(dòng)孔位置，減少檢查孔數(shù)量。3綜合治理工程設(shè)計(jì)3.1鉆探工程設(shè)計(jì)3.1.1鉆孔布置設(shè)計(jì)S1孔組順巷道水平孔組3個(gè)巷道治理支孔。分別為S1-1（回風(fēng)巷）、S1-2（皮帶巷）、S1-3（軌道巷）。另機(jī)動(dòng)孔位于巷道上方，根據(jù)治理情況而定，暫編號(hào)為S1-1-1（回風(fēng)巷）、S1-2-1（皮帶巷）、S1-3-1（軌道巷）。鉆孔軌跡平面布置下見(jiàn)圖3-。3.2注漿工程設(shè)計(jì)3.2.1注漿方法采用孔口密閉止?jié){、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(zhǎng)依次分段鉆進(jìn)、注漿，上一段未達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，不得進(jìn)行下一段施工。注漿單位段必須根據(jù)具體情況臨時(shí)調(diào)整。只要未達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，每次注漿前后均須壓水，若壓不進(jìn)水，則下鉆具進(jìn)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(fù)合硅酸鹽早強(qiáng)水泥，其質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家GB175-92標(biāo)準(zhǔn)，不得使用受潮結(jié)塊的水泥或過(guò)期的水泥。造漿用水水質(zhì)須滿足國(guó)家混凝土拌合用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其SO4-2含量應(yīng)4。預(yù)計(jì)注漿量：5000噸。3.2.3施工工藝注漿使用具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、污染小的攪拌系統(tǒng)，可連續(xù)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(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)由供電、供水、供儲(chǔ)灰、制漿、注漿、輸漿、止?jié){等7個(gè)部分，注漿以水泥單液漿為主。4工程實(shí)施情況根據(jù)斷層注漿量較小的情況，本工程共實(shí)施1個(gè)鉆孔單元，累計(jì)施工4個(gè)鉆孔，3個(gè)分支孔和1個(gè)驗(yàn)證鉆孔，機(jī)動(dòng)孔未施工。4.1鉆探工程工程歷時(shí)3個(gè)月共完成4個(gè)分支孔，累計(jì)鉆探進(jìn)尺2421m，其中，一開(kāi)進(jìn)尺295.66m，下入244.5mm×8.94mm套管295.3m；二開(kāi)進(jìn)尺516.34m，下入177.8mm×8.05mm套管811.8m；三開(kāi)進(jìn)尺1609m，沿巷道治理區(qū)段鉆進(jìn)段長(zhǎng)587m其中S1-1孔鉆進(jìn)段長(zhǎng)157m，S1-2孔鉆進(jìn)段長(zhǎng)156m，S1-3孔鉆進(jìn)段長(zhǎng)174m，S1-1-1孔鉆進(jìn)段長(zhǎng)100m。4.2注漿工程4個(gè)分支孔采取分段注漿，累計(jì)沿巷道治理區(qū)段鉆進(jìn)段長(zhǎng)587m，累計(jì)注水泥1858t。其中S1-1注水泥838t，S1-2注水泥306t，S1-3注水泥699tS1-1-1注水泥15t。5治理效果1、本工程是淮北礦業(yè)集團(tuán)首次試驗(yàn)性地采用地面水平定向孔高壓注漿技術(shù)解決超前掩護(hù)巷道過(guò)大型斷層的問(wèn)題，推廣價(jià)值高，安全效益顯著。2、根據(jù)鉆探錄井記錄及簡(jiǎn)易水文觀測(cè)結(jié)果，表明治理區(qū)域裂隙發(fā)育程度地，無(wú)水源補(bǔ)給通道，消除了潛在水害威脅。3、通過(guò)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(hù)創(chuàng)造了有利條件。6結(jié)束語(yǔ)綜合治理工程基本達(dá)到預(yù)期效果，但工程實(shí)施過(guò)程中仍有些問(wèn)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(jìn)過(guò)程中，都出現(xiàn)不同程度的孔內(nèi)返水情況，總返出水量約276m3，最大單位時(shí)間返出量達(dá)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(gòu)造裂隙發(fā)育方向擴(kuò)散；另由于局部構(gòu)造作用，成為力的卸載通道，在巖石力學(xué)薄弱區(qū)域形成卸載點(diǎn)，在后續(xù)施工治理東翼皮帶大巷的S1-2孔鉆探工程時(shí)，孔內(nèi)出現(xiàn)大量返水情況，表明兩側(cè)先行施工的S1-1孔以及S1-3孔高壓注漿產(chǎn)生的壓力傳導(dǎo)至中間的東翼皮帶大巷周圍，在S1-2孔鉆探施工過(guò)程中再次揭露該處地層裂隙，使得應(yīng)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(guò)程中存在次生水害影響，因此必須在巷道恢復(fù)掘進(jìn)施工前采用物探超前探測(cè)和鉆探驗(yàn)證相結(jié)合的方法循環(huán)探查驗(yàn)證，掩護(hù)巷道施工安全。2、根據(jù)井下巷道實(shí)揭情況，局部見(jiàn)注漿水泥痕跡，但未見(jiàn)到鉆孔及驗(yàn)證鉆孔，說(shuō)明定向鉆孔的施工精度仍存在較大誤差。建議對(duì)定向設(shè)備儀器定期檢校以及對(duì)當(dāng)?shù)氐拇牌堑男Ｕ?、實(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)注量相差較大，注漿設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)大型斷層的導(dǎo)富水性以及斷層斷開(kāi)的煤系