浅谈穿破碎带、坚硬岩石探夹片断层水钻进技术

孟永波

摘要： 水害作为矿井的“五大灾害”之一，随着矿井向深部的延伸、开采，在施工过程由于受矿井地压、水压的增大以及地质构造的影响，探测夹片断层高承压水施工时，止水套管的下置、封孔注浆工艺、钻具组配、孔口装置的安设也必须进行改进以增强抗水压能力，作者通过实践摸索出一套在特殊地层条件下穿岩石破碎带、石英砂岩探测高承压水钻孔施工技术。

关键词：破碎带；坚硬岩石钻进；封孔注浆；钻具组配。

由于钻孔注浆固管段粗砂岩较破碎，石英砂岩段坚固性系数高，对固管效果的耐压试验过程中易出现巷道迎头山墙、钻场帮部渗浆现象。为解决探夹片断层水过程中顺利钻过破碎带、坚硬石英砂岩段的难题，采取注浆加固破碎带、液动潜孔锤钻进穿过坚硬的石英砂岩等施工技术。此项技术在实际施工中得到了很好的应用。

一、概况

新集一矿井田位于淮南煤田中段南缘阜凤逆冲推覆构造部位，夹片地层受推覆构造运动的的强烈挤压和推移，特别是构造面附近，岩性多破碎，力学强度较低，工程地质条件较差。施工地点位于-415～-680m回风二下山岩性以砂质泥岩、粗砂岩、石英砂岩为主，开孔段岩石较破碎、石英砂岩段岩石较坚硬，施工处供水管路水压偏低，钻孔施工倾角大等不利因素为钻孔施工带来一定难度。

二、钻孔布置及主要技术参数

钻孔布置在-415～680回风二下山，布置5个探F夹、F夹-1断层水钻孔，其中3个仰角钻孔（1#、2#、3#）、2个俯角钻孔（4#、5#）。

三、施工情况

（一）设备及钻具选型

选用ZYW-3000型液压式钻机1台，ZBY50/16-22型高压注浆泵（0.5-16MPa）一台，3NBB–54～2600/7～2.5―18.5型煤矿用泥浆泵一台，备用Ф73mm×1000mm宽叶片钻杆，选用Ф168mm合金取芯钻头、Ф146mm合金取芯钻头、Ф127mm管卡子取芯钻头、Ф108mm管卡子取芯钻头、Ф75mm合金取芯钻头；岩芯管分别选用Ф168mm×550mm、Ф146mm×550mm、Ф127mm×550mm、Ф108mm×550mm、Ф73mm×1000mm；分别选用Ф127mm×2.2m、Ф108mm×2.2m专用地质套管。

（二）钻孔结构及套管下置

钻孔结构：0-22m为Ф127mm孔径， 22m以下至终孔为Ф75mm孔径。

套管下置：下入一路套管，钻孔0-22m下入第二路Ф108mm套管，下入孔深22m。套管孔口处均焊接高压法兰盘，两盘的螺丝眼必须严格对接并与汇水泄压三通、高压闸阀相连。

（三）穿破碎带孔口管固管工艺

3.3.1采用Ф127mm孔径开孔至22m时停钻，用清水将孔内岩粉冲洗干净，下置Ф108mm套管22m，孔口管外露不少于0.2m并在外口焊接高压法兰盘（10MPa）。

3.3.2孔口管外口四周与孔壁之间用水泥浆、锚固剂捣实封闭，孔口封闭长度不得小于1.0m，同时在孔口预埋导气铁管作为注浆管，导气铁管口加设小球阀。待孔口封闭凝固后，从导气管向孔内注入水灰比为0.5：1水泥浆，注浆至压力达到3MPa时停注。如孔口周围及迎头岩缝溢浆时，则进行间歇式注浆或等注入的水泥浆凝固后，扫孔到底，再进行注浆，如此往复，直至迎头山墙及孔口管周围不溢浆为止。施工过程中，首先透孔试压的2#钻孔采用此方法向孔内带压注浆4次，充分加固破碎带裂隙，为其他各孔的施工奠定了良好的基础。

3.3.3注浆使用标号为P.C32.5级水泥。

3.3.4注浆时，应使导气铁管多返一会浆（3-5min），以便使水泥浆液能充填满整个套管壁间。如孔口周围漏浆时，应先注浓浆，间歇一段时间，再注稀浆（0.5：1或1：1）。如此往复直至孔口周围不漏浆为止。

（四）固管承压试验

待注入孔内的水泥浆凝固72h后，采用Ф75mm取芯钻头钻过套管0.5-1m，进行固管耐压试验。试验压力达到7.5MPa并稳定30min以上，以孔口周围不渗水、孔口管不动为合格，否则需重新注浆加固，直至耐压试验合格为止。

（五）施工安全措施

1.钻机稳固。①施工前由巷道施工单位施工稳固钻机的地锚。②采用一根紧绳器将钻机与迎头山墙牵引锚杆拉紧、拉牢固，以防钻机晃动。

2.反压措施。①钻探施工采用ZYW-3000型液压钻机，该钻机转速范围宽、扭矩大，采用液压卡盘和夹持器夹持钻孔内钻杆进行钻进，能够起到良好的防喷、反压效果。②在各钻孔口两侧分别施工1根Ф22mm×2500mm高强锚杆并连接锚链将孔口装置紧固，防止钻进过程中遇高压水时将套管顶出伤人。③套管外壁均采用Ф6mm钢筋焊接螺旋状钢筋肋箍，用于加固孔口管。

3.控水装置。套管耐压试压合格后，在套管外口依次安装测压直通、高压闸阀、汇水泄压三通、瓦斯抽放装置，各接头间加设高压垫圈且法兰盘上的螺丝眼必须严格对齐并紧固。

4.坚硬岩石快速钻进技术。钻孔揭露石英砂岩后采用普通钻进技术钻进效率偏低，施工现场供水管路水压仅为0.5MPa左右为钻孔顺利施工带来较大困难。针对以上问题调整钻具组配，对石英砂岩段采用泥浆泵驱动液动潜孔锤配合Ф73mm岩心管和Ф75mm取芯钻头钻进，该处施工5个钻孔累计穿过石英砂岩段长度达197.9m，将钻进效率提高数倍，为钻孔顺利施工赢取了宝贵时间。

5.大倾角钻孔下置套管防窜技术。使用厚不低于10mm的钢板作为套管夹板（俗称绑腿）交替夹持套管，配合下管。操作程序如下：布置好施工人员下置套管用的脚手架；人工将第一根套管送入孔内后，将孔口处的套管绑腿用螺栓夹紧并保证生根牢固；确定套管牢固后，人工将第二根套管满丝连接到第一根套管上；当孔内套管累计重量增多，要采用两个套管绑腿交替夹持套管、钻机辅助的方法下置套管。在西三回风二下山施工期间采用该技术顺利、高效地下置套管约120m，未出现一起套管下窜现象。

四、优缺点

（一）优点

对孔壁、破碎裂隙带进行很好的加固作用；增强了孔口管的抗压能力；缩短了钻孔施工工期。

（二）缺点

增加了注浆养护时间；液动潜孔锤对驱动水压要求高，需增设一部泥浆泵提供高水压，增加了劳动力。

五、结论

（一）钻孔施工水文地质情况

1#孔，0-30泥岩-57石英砂岩-58.5煤-60泥岩-80石英砂岩-81煤-88泥岩-112泥岩。钻进过程中未出现涌水现象。

2#孔，0-28泥岩-51.8砂岩-53.7煤-58.5泥岩-59.5煤-76砂岩-77煤-116泥岩-118砂岩。钻进过程中未出现涌水现象。

3#孔，0-22泥岩-61砂岩-61.8煤-102砂岩。钻进过程中孔内出水2m3/h。

4#孔，0-3.8泥岩-4.3煤-47泥岩-68砂岩-95泥岩。钻进过程中未出现涌水现象。

5#孔，0-55.6泥岩-57.6粗砂岩-81.6砂岩-83.6泥岩-93.6泥岩-100砂岩。钻进过程中未出现涌水现象。

（二）结论

-415～680m西三回風二下山实际施工5个孔，共完成钻探工程量527.5m，开孔段采用注浆加固破碎带、坚硬岩石段采用液动潜孔锤取芯钻进等工艺在国投新集公司新集一矿的应用既提高了工效又缩短了施工工期，同时也达到了安全施工目的，此项技术值得在穿破碎带、坚硬岩石钻孔施工时推广应用。

参考文献：

[1]党 进 赵伟民等. 《价值工程》. 2014.endprint