摘要：为解决巷道过大断层破碎区时的支护难题，改善施工条件和提高施工质量，袁店二井煤矿在西翼开拓巷道采用地面定向钻孔预注浆围岩改性技术，关键技术包括钻孔结构、注浆参数及钻探轨迹精度控制技术，经过现场应用，取得了良好的围岩改性效果，起到胶结固结、骨架支撑作用，达到加固防渗的目的。
关键词：断层破碎区；地面定向钻孔；围岩改性；加固防渗
1.前言
淮北矿区地质条件复杂，掘进巷道或工作面不可避免地布置在不稳定的异常地质构造带中。断层破碎区等具有强度低、易透水等特征，与含水层导通或相连，易出现突水隐患，且岩石破碎，巷道支护难度大，给巷道围岩控制带来极大的困难。而传统的支护体系，其支护能力在这种复杂地质条件下无法达到预期支护效果。而围岩压力增大、巷道维护困难等现象，造成巷道无法正常施工，生产和经济效益下降。因此，寻求复杂地质条件下围岩的合理加固与支护方式已迫在眉睫。
地面定向钻孔预注浆技术，注浆压力高，浆液可进入岩体细小裂隙，注浆效果更好，对受注岩层能起到整体加固和提高稳定性的作用；且在巷道或硐室开挖前已对破碎异常区内的岩层进行加固处理，不影响正常的采掘交替，改善施工条件和提高施工质量。袁店二井煤矿煤矿地质构造发育，急需开展断层等地质构造异常区治理，消除断层突水、围岩冒落坍塌等安全隐患，确保矿井安全高效生产。
2.工程概况
袁店二井煤矿西翼开拓是矿井重点工程，设计采用暗斜井+辅助水平大巷+上山的布置方式，三条主体巷道布置在煤层顶板，受地质条件影响，巷道先后穿F12断层(H=220～440m)、FS33断层(落差80～200m)、FS30断层(H=0～180m)等多条大断层，及其伴生断层和未查明的隐伏断层，地质条件复杂，地层岩石破碎，巷道掘进时矿压大，支护困难。矿井生产部门在多次研究讨论后，决定采用地面定向钻孔对断层、软岩段进行超前注浆加固，防治断层突水，改善软弱围岩力学性质，提高围岩强度。
3.巷道治理方案
3.1 钻孔布置
设计10个地面定向孔组，包含28个支孔，预计进尺23386.82m，其中：7个断层治理孔，2个检查加固孔，1个磁导向孔。
轨道大巷设计两个分支孔，一个分支孔与巷道中心线同向，另外一个分支孔位于巷道上方8～10m；运输大巷和回风大巷沿巷道中心线设计一个分支孔。因轨道大巷采用盾构机施工，巷道井下无检查加固条件，故设计两个孔孔组为主要断层（F12、FS33）的检查加固孔，检查盾构机施工巷道的治理效果，保证盾构机过断层。由于钻探施工精度要求高，需要利用磁导向辅助轨道巷道治理钻孔的施工，设计一个磁导向钻孔。钻孔布置详见图1。
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图1 钻探工程布置平面示意图
3.2 钻孔结构
1、一开（近）直孔段，孔径Φ311mm，进入正常基岩5~10m，预计孔深310m，下入244.5×8.94mm通天套管，固井返至孔口。
2、二开定向导斜段，孔径Φ215.9mm，预计孔深500m，下入177.8×8.05mm通天套管，固井返至孔口。
3、三开治理段，孔径Φ152mm，裸孔钻进至顺巷治理段，注浆改造岩层破碎段。
钻孔结构详见图2。
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图2 钻孔结构示意图
3.3 注浆参数
1、采用标号P.O.32.5普通/复合硅酸盐水泥注浆。
2、水泥浆比重1.2～1.7t/m3。
3、钻进时开展钻孔冲洗液漏失量观测。每钻进100m，进行压水(浆)试验，判断注浆段透水性，确定注浆起始水固比。当注浆段漏失率大于5m3/h，开始注浆，采用浓一级浆液浓度作为起始浆液浓度。
4、对断层注浆时，依据断层发育情况，对断层破碎带进行分段注浆，每次分段长度100～200m。
5、注浆结束标准：
（1）孔口注浆终压初步设计为10～15MPa。
（2）单位吸浆量不大于52L/min，持续不小于30min，单位吸水率q不大于1Lu。
6、注浆量：单位注浆量约为2 t/m，总注浆量预计为30000t。
4.钻探轨迹保障措施
钻探精度要求靶域不得大于2.5m。为保证钻探轨迹精度，通过设备革新与校检、轨迹监督、轨迹复核和轨迹纠偏等措施进行管理控制。
4.1 设备革新与校检措施
1、定向探管：使用定方位定制探管，定期校验。
2、无磁钻铤：使用加长无磁，定期校验钻铤无磁性。不符合的设备立即更换。
4.2 轨迹监督措施
1、治理段内，施工轨迹与设计轨迹在平面和垂面上误差不得大于1m。
2、使用多个求解方法求解相同轨迹参数，进行校对，对比误差。
4.3 轨迹复核措施
1、利用岩屑迟到时间测试准确判定岩屑层位。
2、通过岩屑录井与补勘资料进行核对，判断目标层岩性与实钻岩屑差别进行校验。
4.4 轨迹纠偏措施
1、采用多点或连续陀螺测斜仪复测轨迹位置：二开施工结束后，三开施工至治理段中点。
2、利用磁导向钻孔与巷道治理孔施工之间的轨迹参数反向校对轨迹误差，并进行校对和排查。
5.支护效果
根据西翼大巷穿WF4断层综合治理工程实践可知，当断层构造发育，裂隙连通性好，注浆扩散距离最远可达371m；若岩层较为完整，裂隙不发育，则注浆扩散距离不足1m。从目前掘进揭露水泥柱来看，实际钻孔轨迹与回风暗斜井基本重合，在高压注浆下，能够有效充填断层破碎带的孔隙裂隙，压密岩层，起到胶结固结、骨架支撑作用，达到加固防渗的目的。
作者简介：
吕梁栋，男，1978年5月出生，工程师，2006年毕业于安徽理工大学，现在淮北矿业集团袁店二井煤矿地测科从事煤矿地质工作。
论文作者:吕梁栋
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：断层论文; 巷道论文; 钻孔论文; 围岩论文; 注浆论文; 轨迹论文; 地质论文; 《科学与技术》2020年第1期论文;