破碎带单孔循环注浆钻进工艺及应用

郭师军

（晋城煤业集团古书院矿，山西 晋城 048000）

煤矿在进行瓦斯抽采、深孔注浆、水力压裂等工程时，不可避免需要施工30m以上的深孔钻孔。当地质条件好、围岩强度高时，施工较为容易，但需要穿过构造区、裂隙集中区、破碎带时，容易出现塌孔、卡钻现象，无法继续钻进，甚至钻杆也难以退出回收，不能达到设计深度，或者成孔后来不及插管即出现塌孔[1-3]。类似问题普遍存在，严重影响施工进度和质量，浪费大量钻杆。以往多采用下套管方法护孔，但深度超过10m后，套管安装即十分困难，对于百米深孔施工更不现实[4]。针对赵庄煤业1308工作面注浆钻孔施工当中遇到的问题，介绍了单孔循环注浆钻进工艺及应用效果，以期为类似情况下钻孔施工提供参考。

1 工程背景

赵庄煤业1308大采高工作面走向长950m，倾斜长220m，开采3#煤层，平均厚度为4.7m，走向上平均仰角为4°，倾向上近水平。布置13081和13082两条顺槽，设计巷宽均为5m，高均为4.5m。

煤层上方赋存一层1～3m的薄层状泥岩伪顶，极不稳定，易风化，受扰动易冒落，在前期的巷道掘进以及工作面回采当中已有明显体现。掘进时，巷道多处冒落形成超高区，巷高甚至达7.5m，工作面回采过程中也出现严重的冒顶现象，经常连续半月不能推进，消耗大量化学浆。

为了避免工作面在经过超高区时伪顶冒落支架不能接顶，矿方决定在超高区范围从两顺槽施工深孔对伪顶以及煤壁进行注浆加固。钻孔布置参数如下：

在两顺槽内均施工钻孔，钻孔布置方式为上、下两排。下排孔布置在煤壁，距离底板2.5m，仰角2°；上排孔布置在伪顶内，距离底板5.5m，仰角1°。孔径均为75mm，孔深均为115m，上排、下排钻孔间距均为10m。如图1所示。

两顺槽各设计12个钻孔，在钻孔施工时，孔深30～35m、70～75m范围需通过破碎带，如图2所示。通过30～35m时出现严重的卡钻情况，无法继续钻进，现场尝试重新开孔、水排渣改为风排渣、圆钻杆改为三棱钻杆，均无法解决，40d未施工成功一个钻孔。

图1 钻孔布置平面图

图2 深孔穿过破碎带示意图

2 单孔循环注浆钻进工艺

2.1 解决思路

钻孔难以通过破碎带，破碎带存在大量裂隙，完整性差要对破碎带进行注浆加固，提高完整性和强度。可以采取两种方案：

（1）方案一：三次钻孔三次注浆法。根据两处破碎带深度30～35m、70～75m，设计三次注浆方案。第一次设计孔深30m，整体注浆，利用浆液渗透作用加固30～35m破碎带；第二次设计孔深70m，同样利用浆液渗透作用加固70～75m破碎带；第三次设计孔深115m，进行整体注浆加固。

（2）方案二：单孔循环注浆钻进工艺。钻孔施工至30m破碎带边缘时，退钻不插管注浆，钻机位置不动，浆液硬化后套孔，套至70m破碎带边缘时，退钻不插管二次注浆，钻机位置不动，浆液硬化后然后套孔，套至设计深度115m时，插管进行最后一次注浆。

可以看出，方案一是根据常规思路进行的分层次注浆，破碎带数量越多，施工越复杂，钻孔工程量巨大，且只能分步进行，频繁挪动钻机。方案二可以多台钻同时施工，互不干扰，成一个孔过程中不需挪动钻机，优势明显。

2.2 单孔循环注浆钻进工艺

根据上述介绍，单孔循环注浆钻进工艺即是一个钻孔，循环钻进、退钻、注浆工艺，对破碎带分别加固，最终达到设计孔深。一个钻孔实现多次注浆的关键在于前几次注浆不可以插管，否则钻孔无法套孔。具体通过特制套管来实现。实施方式为：

（1）地面预先加工套管，套孔采用Ф108mm无缝钢管，分为两节，2m/节，加工丝扣连接，其中1节一端焊接一片空心高压法兰盘，另一片法兰盘上开孔焊接注浆连接口，如图3所示。

（2）钻机施工时，先使用Ф133mm钻头钻进4m，退钻，用棉布包裹套管送入孔内，与孔壁贴严。然后换Ф75mm钻头继续钻进至30m，当有破碎卡钻迹象时，立即退钻，上紧两片法兰盘，利用外侧法兰盘上的注浆连接口进行注浆，对破碎带进行加固。

（3）浆液固化后，套孔，钻进至70m，当有破碎卡钻迹象时，立即退钻，利用外侧法兰盘上的注浆连接口进行二次注浆，对破碎带进行加固。

（4）浆液固化后，套孔，钻进至115m设计深度，退钻，插管进行最后一次整体注浆。

（5）期间遇到其他破碎带卡钻情况，也可按照上述方式进行退钻注浆加固。

图3 套筒加工示意图

单孔循环注浆钻进工艺施工速度的关键在于如何实现注浆后浆液快速硬化，以便于及时套孔，缩短施工时间。

2.3 新型无机双液注浆材料

为此，河南理工大学熊祖强教授团队研发了新型无机双液注浆材料。分为A型和B型，使用时加水搅拌，水灰比0.6:1～2:1可调，结石率100%。通过改变水灰比，实现浆液流动和凝结时间调整，以适应不同孔深扩散加固需求。不同水灰比条件下流动时间与终凝时间如表1所示。

表1 新型无机双液注浆材料性能参数表

可以看出，钻进30m第一次退钻注浆，可以采用1.5:1水灰比，钻进70m第二次退钻注浆，可以采用2:1水灰比。

最后一次插管注浆，所采用的注浆材料为强度更高的超细水泥材料，封孔长度15m，封孔材料仍可采用新型无机双液注浆材料，水灰比1.2:1。

3 效果考察

采用单孔循环注浆钻进工艺，钻进至破碎带退钻注浆，注浆结束2～4h后即可进行套孔，套孔时未出现塌孔现象，钻孔先后顺利通过30～35m、70～75m两个破碎带，大幅提高了施工速度，平均1台钻机2d完成一个钻孔。4台钻机施工，两条顺槽各2台，所有钻孔15d之内注浆完毕。

工作面回采时，两个破碎带可见大量浆液扩散痕迹，未出现片帮、冒顶现象，工作面顺利通过。如图4所示。

图4 工作面过破碎带实景

4 结论

（1）钻孔过破碎带容易出现塌孔、卡钻现象，解决的根本思路是对破碎带进行注浆加固，提高完整性和强度。

（2）循环注浆钻进工艺是只采用一个钻孔，通过循环钻进、退钻、注浆工艺，对破碎带分别加固，最终达到设计孔深。前几次注浆利用套管，避免插管，以利于套孔，成孔后再插管注浆。

（3）新型无机双液注浆材料通过改变水灰比，实现浆液流动和凝结时间调整，能够适应0～100m不同孔深扩散加固需求，解决了注浆后快速套孔问题。

（4）效果考察表明，注浆结束2～4h后即可进行套孔，钻孔先后顺利通过30～35m、70～75m两个破碎带，大幅提高了施工速度，24个深孔15d之内注浆完毕。