注浆探查钻孔在复杂地质条件巷道中的应用

摘 要：任楼矿地质类型为极复杂型，中六轨道大巷中段掘进过最大落差约100m的F2断层组。受断层影响巷道距底板太灰水较近。为确保矿井安全生产，加强巷道抗剪切应力强度，对底板及断层带施工注浆钻孔进行探查、注浆加固，以阻断导水通道，增强巷道底板隔水性能及抗变形能力，防止深部灰岩水通过断层带及底板进入巷道，降低巷道突水系数。

关键词：断层破碎带;钻探;注浆

一、施工段地质及水文地质条件概况

施工段地质情况。本区煤岩层呈近单斜构造，地层产状90°∠16°。施工段临近F2断层组（F2-1305°∠75°H=12m±、F2290°∠55°H=100m±），F2断层为张扭性正断层，断层带内岩石破碎、杂乱，裂隙发育。根据中六运输大巷掘进、钻探资料及地面钻孔资料，施工段分别位于太一灰上10m±、82煤下35m±。根据中六运输大巷掘进资料及地面钻孔资料分析，钻孔施工段所揭露岩性为泥岩、海相泥岩、粉砂岩、灰岩等。本区主要充水水源为砂岩裂隙水，但不排除导通灰岩水的可能，预计局部岩性破碎处存在淋渗水现象，正常涌水量0～7.5m3/h，最大涌水量20m3/h。根据附近奥灰长观孔水27（水位0.1m）资料，预计施工段奥灰水头压力为5.1Mpa。地面三维地震时间剖面显示，本区临近断层，8煤反射波连续性较差。

二、钻孔及注浆相关设计

（1）钻机、泥浆泵、注浆泵设备。采用1台ZDY3200S型钻机、1台ZDY4000L钻机、2台3ZB15/12-45泥浆泵、2台SGB6-12注浆泵进行施工。注浆泵性能与浆液类型、浓度相适应，容许工作压力大于最大灌浆压力的1.5倍。注浆泵均为可换挡的变量泵，以便调节泵量，最大排量15m3/h，最小排量2m3/h，额定最大压力12Mpa。

（2）钻孔控制范围及钻孔个数。对F2断层组附近105m范围底板25m范围进行有效注浆加固及验证，设计底板注浆加固及验证钻孔施工34个孔。钻孔编号注1～注25、验1～验9。

（3）钻孔套管长度计算按掘进工作面安全隔水层厚度计算公式：t=L（γ2L2+8KPp-γL）4KP。

式中：t—安全隔水层厚度，m;p—底板隔水层承受的水压，MPa（根据地面长观孔水27孔水位0.1m，计算奥灰水压力5.1Mpa）;L—巷道宽度，m（巷道设计宽度4.4m，取5m）;γ—底板隔水层的平均重度，MN/m3（0.027MN/m）;Kp—底板隔水层的平均抗拉强度，MPa（淮北地区经验值0.4～0.6Mpa，取0.5Mpa）。

经计算：t=11.0m，另加底板破坏深度6m（淮北经验值），实际安全隔水层厚度应为17m，下套管长度取20.5m。

（4）钻孔涌水量预计根据钻探注浆操作规程单孔出水量估算公式：Q=CW2gh。

式中：Q—单孔出水量，m3/s;C—流量系数，一般取0.6～062，取0.62;W—钻孔的断面积，m2;R=3.14×（0.073÷2）2=0.00418m2;r=3.14×（0.06÷2）2=0.00283m2;W=R-r=000418-0.00283=000135m2;g—重力加速度，9.8m/s2;h—钻孔出水口以上的水头高度，m（奥灰孔水位0.1m-钻孔孔口标高-507.7m=507.8m）。

经计算：Q=0.0835m3/s=300m3/h，当钻孔内出水，钻机采取反压装置卡死钻杆后，使用钻机掐掉钻杆，然后关闭闸阀，预计用时约10分钟，预计钻孔涌水量约为50m3/h。

（5）单孔施工要求。钻孔采用Φ127mm开孔，钻进21m后下入Φ108mm套管20.5m（管壁厚不小于6mm），采用PO42.5普通硅酸盐水泥注浆固管，待凝72小时后扫孔试压，要求试压强度达到该处奥灰水头压力（51Mpa）的2.0倍，即：10.2Mpa，试压稳定时间不小于30min，试压合格后安装孔口高压闸阀及反压防喷装置，变径Φ73mm钻进直至终孔。钻孔试压合格后，钻进至海相泥岩3～5m或断层时，提钻对钻孔进行二次注浆，注浆材料为1∶1～1.5∶1的单液水泥浆，注浆压力为静水压的2倍，即10.2Mpa，凝固时间不低于48小时，后扫孔试压，要求试压压力不小于10.2Mpa，持续时间不小于30min。

（6）注浆设计及相关要求。注浆方式为下行式注浆法，孔口封闭静压注浆，注浆钻孔孔口压力不小于10.2MPa。注浆主要以水泥单液浆为主。其工艺流程为在搅拌器中加入水泥和清水初次搅拌→注浆池→二次搅拌→输浆系统→钻孔。每次注浆前均要进行压水疏通注浆管路及孔内岩石裂隙。根据压水试验结果确定浆液浓度，用稀浆进行试注以了解该孔吃浆量大小及孔口压力情况，观测临孔是否串浆等情况调整浆液浓度。为确保注浆的连续性，要求浆液浓度水灰比一般在4∶1～2∶1。注浆水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥。造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，供水能力应达到15m3/h。保证注浆池不小于2m3/h，人工上料，人工及机械搅拌相结合，系统日造浆能力不小于240m3。纯水泥浆液的搅拌时间不小于5min;浆液自制备至用完的时間小于4h。若单孔连续注入水泥量大于100t，不升压或巷道跑浆，则采用间歇式注浆。间歇注浆间歇期应在2～4小时之内，间歇注浆阶段注浆结束前向孔内压清水10分钟，确保孔内通畅。

（7）单孔结束标准及单孔效果检验。当注浆压力呈规律性的增加，达到设计终压，注浆终压不小于10.2Mpa，稳定时间不少于30min，终孔吸浆量不大于40L/min，可结束注浆。钻孔注浆结束72小时后，打开闸阀，如孔内仍有出水现象，扫孔至孔底，采用井下注浆设备注浆封堵。

三、钻孔施工及注浆情况

本次施工的钻孔严格按设计要求施工，共施工钻孔34个，钻探工程量3084m，注水泥249.3吨，下设套管长度697m，测斜10个钻孔。通过钻探控制，初步判断巷道迎头前方预计将在MG3→108m、159m±将分别揭露断层F2-1305°∠75°H=12m±、F2 290°∠55°H=100m±，断层带宽均为2m±。本次施工的过断层带探查钻孔，无出水现象，说明此处断层导水性差，赋水性弱。根据钻探探查成果分析，巷道未发现明显地层水文地质异常。

四、结语

通过钻孔施工，基本探明了断层附近地层岩性及其赋水情况。钻孔注浆加固断层破碎带，使得断层破碎带胶结成整体，有效提高围岩稳定性和承载能力，阻断了突水通道，增强巷道穿过断层围岩安全系数，解决了巷道过破碎带支护困难、巷道围岩变形严重等问题。目前巷道已经顺利掘进过F2大断层带。

参考文献：

[1]张永成，董书宁，苏坚深，等.注浆技术[M].北京：煤炭工业出版社，2012.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

作者简介：姚建兵，安徽歙县人，安徽省皖北煤电集团任楼矿钻探区工程师。