深井高地压井下钻孔防变形技术

摘 要：唐口煤矿开采现水平为-990m，该水平整个地应力较高，巷道底鼓严重。长观孔要求孔口附近严禁变形，尤其是巷道底鼓。通过对围岩松动圈理论的分析，提出了加强巷道支护、改善钻孔结构及固管材料来控制好高应力下钻孔变形。

关键词：高地压；钻孔防变形；巷道支护；钻孔结构；围岩松动圈

唐口煤矿与中国矿大岩石力学研究所、山东科技大学、青岛理工大学合作，对唐口煤矿辅助运输大巷采取不同支护形式的支护效果进行相似模拟试验。综合分析测量结果得出：唐口煤业有限公司-990水平整体地应力较高，-990水平以自重应力为主，属自重应力场型，局部由于向斜构造的影响，地应力有所变异，呈现为水平应力突出。

井下长观孔均布置在大巷中，由于巷道埋深较大，巷道底鼓严重， 局部底鼓达1m以上，目前巷道支护方式不能满足长观孔的要求。长观孔要求孔口附近严禁变形，尤其是巷道底鼓。为此，应加强此段巷道的支护，将巷道变形程度降到最低，不出现明显的底鼓等现象。

1 围岩松动圈的定义

巷道开挖前，地下岩体处于三轴应力平衡状态，一旦开挖，这个平衡系统就会遭到破坏，围岩应力会重新调整。由于深埋巷道周边调整后的围岩应力达到了围岩强度，故发生了破坏，导致围岩应力降低，而最大主应力向围岩内部转移，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时硐室四周形成一定厚度的破坏松动范围。实践证明，松动圈支护理论抓住了支护的主要对象，其分类方法和所确定的支护形式与参数符合现场实际，取得的技术经济与社会效益显著，并深受现场欢迎。

在原岩中开挖巷道，破坏了围岩的原有应力平衡状态，使应力重新分布：一是径向应力减少，周边处达到零；二是切向应力增加，产生了应力集中。另一方面，围岩受力状态由三向变成了近似二向，岩石的强度下降了。如果集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题；如果相反，围岩将发生破裂，这种破裂从周边逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个破裂区。我们把这个由于应力作用产生的松弛破裂带称为围岩松动圈。在围岩分类中，可用声波仪或多点位移计探测出围岩中的松动圈厚度（松动圈值）。

2 井下长观孔硐室支护加固方案

2.1 巷道支护对象

围岩松动圈是开巷后地应力超过围岩强度的结果。在现有支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩的松动破坏是不可能的。地应力与围岩的相互作用会产生大小不同的围岩松动圈，因此，松动圈支护理论认为：支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。这一观点与支护对象论点一起构成了围岩松动圈巷道支护理论的核心内容。

围岩松动圈客观存在于巷道围岩中，埋深（地应力）、岩石强度和跨度是影响松动圈的因素，但跨度作用较小；松动圈厚度越大，支护越困难，松动圈越小，支护越容易；在同样地应力条件下，岩石强度越低，松动圈越大；同一岩种中，松动圈厚度可以不同。是因松动圈还与原岩应力有关；支护对松动圈的尺寸影响不明显。这些结论说明松动圈厚度是决定巷道围岩稳定性的主要因素。由此提出了以松动圈厚度作为围岩应力与强度的综合、定量指标的巷道围岩分类方法。可见，松动圈厚度是这一理论应用于工程实践最关键的唯一基础参数。

随着开采深度加大，矿井开采自然条件恶化。如在深井中出现热害、岩爆等，岩石的力学性质也与浅部不同。尤其是深部巷道围岩松动圈增大，变形破坏严重，维护困难是深部开采最主要的技术特征之一。巷道围岩松动圈随采深增加而增大，开始增大较快，以后逐渐减小，并近于直线。岩体强度越小，巷道围岩松动圈随采深增大的幅度越大，反之则越小。

2.2 支护方案

井下长观孔均布置在大巷中，深度都接近1000m。由于巷道埋深较大，巷道底鼓严重，局部底鼓达1000mm以上，目前巷道支护方式不能满足长观孔的要求。长观孔要求孔口附近严禁变形，尤其是巷道底鼓。为此，应加强此段巷道的支护，将巷道变形程度降到最低，不出现明显的底鼓等现象。

为了便于钻探施工和长观孔的保护，设计在巷道一侧开帮形成长观孔硐室。井下水文孔在施工前应先施工硐室，硐室规格为进深3m，宽4m，高5m，对应钻孔上方高度6m。

图1 钻孔硐室平面图

为保证探水硐室及巷道的稳定，需对硐室及前后2m范围的巷道进行加固支护，采用锚喷网索初次支护。

3 井下钻孔防变形技术

在加强了钻孔硐室支护之后，难免出现小量巷道底板变形。以往井下施工的钻孔均是采用下设孔口管和套管的办法，即使在小量变形条件下，也可对孔口管造成破坏，导致观测孔报废。为此，应在钻孔结构和固管材料方面进行改进。

3.1 钻孔结构

为防止套管发生挤压变形、错断、鼓起等事故，在底板容易发生变形破坏的深度范围内加设一路套管（称为护管），同时护管选用壁厚大，强度大的无缝钢管，防止护管发生变形。并在护管与孔口管之间留出一定的间隙，充填弹性较大的材料。即采用护管-孔口管-套管——裸孔的结构。

采用的基本结构为：护管Ф180×10mm，长4m；孔口管管径Ф146×7mm，长20m；套管管径Ф108×5mm，下至含水层位置；含水层裸孔，孔径73mm。

开孔用219mm钻进4m，下好护管；并用优乐加固1号化学浆液封闭加固；换用150mm钻头，钻进20m，下入直径146mm的无缝钢套管（孔口管），孔口管外部同样用化学浆液封闭加固，安装孔口管。经耐压试验确定孔口管牢固后，用直径127mm的钻头钻进至奥灰（或十下灰），下入108mm的套管，管外用43.5#普通硅酸盐水泥加速凝剂封闭止水。用75mm钻头钻进至终孔。基本结构如图2所示。

3.2 井下钻孔技术要求

（1）钻进时，必须先装好孔口管（深度20m），安装控制闸阀，并进行耐压试验。达到设计承受的水压后，方可继续钻进。危险的地段，应有躲避场所，并规定避灾路线。井下钻孔由于水压大，在揭露含水层前，应安装反压和防喷装置。（2）为了防止护管因变形破坏孔口管，应允许护管有一定程度的纵、横向变形，因此在护管外壁应弹性较好的材料充填，可选用优乐加固1号，也可使用滤渣混凝土充填。孔口管要高出护管0.4-0.5m。孔口管的固管要使用优乐加固1号。奥灰孔套管下到在奥灰顶界面以上3-5m；十下灰孔下到十下灰顶3-5m处。（3）由于井下不具备焊接条件，护管、孔口管和套管的连接应采用丝扣连接方式。（4）终孔层位：十下灰观测孔，穿透十下灰至底板下5m；奥灰观测孔，进入奥灰30-100m（在奥灰中见水大于5m3/h时即可停钻）。（5）在钻孔穿过三灰、八灰、十下灰、十三灰、十四灰等含水层时，如遇到涌水，则要对水量、水压进行测量，并采取水样。奥灰钻孔在接近奥灰顶面20m开始要加强水文观测，以了解奥灰导升高度。（6）钻具丈量：每钻进100m丈量一次钻具，特别要做好各主要标志层、煤层及奥灰的丈量钻具工作。钻具误差小于0.15%，若超過时要找出原因，并进行合理平差。（7）对即将揭露煤层或标志层，要进行取心，岩心采取率应大于75%。（8）钻探原始班报要记录及时，整洁无误，不得随意涂改。

3.3 护管及固管材料

下护管的目的在于保护井口管不受到巷道变形影响，因此护管与井壁间使用弹性材料保护护管，同时护管应有较大的抗压强度。因此，应采用厚壁无缝钢管，护管壁厚不小于8mm。

孔口管的固管材料应使用化学浆液，采用了山东尤洛卡股份有限公司生产的优乐加固1号灌浆材料。该材料固化充填时间短、抗压强度大（一般>60MPa）、压缩变形10-50/%、抗拉强度>40MPa、抗剪强度>15MPa、黏结强度>4MPa、比重1200（25℃/kg·m-3）。能达到充填强度高、韧性好、适应围岩的动压变化、抗变形能力强的目标。

作者简介：蔺成森（1986-），男，2010年毕业于山东科技大学地质工程专业，现从事矿井地质专业，助理工程师。