地面定向孔超前預(yù)注漿掩護(hù)巷道穿斷層破碎帶關(guān)鍵技術(shù)

童仁劍，鄭士田，吳燕軍，史永理

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，深部資源開(kāi)采成為資源開(kāi)發(fā)的新常態(tài)[1]。深部“三高一擾動(dòng)”的地質(zhì)條件對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性威脅越來(lái)越顯著[2-3]，確保巷道圍巖穩(wěn)定是煤礦安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。深部巷道開(kāi)拓不可避免穿越斷層破碎帶，斷層破碎帶往往構(gòu)造應(yīng)力集中，巖體自承載力能力差，具有易變形、易透水、強(qiáng)度低、抗水性差等特點(diǎn)，增加了巷道圍巖控制難度[4-7]。在采掘擾動(dòng)影響下，易引起斷層活化，誘發(fā)冒頂、沖擊地壓、礦震和突水等事故[8-12]。巷道過(guò)斷層綜合保障工藝重點(diǎn)分為圍巖支護(hù)強(qiáng)化和圍巖注漿改性2類(lèi)。巷道圍巖支護(hù)形成了U型棚、錨網(wǎng)、錨索、錨桿和管棚等聯(lián)合支護(hù)體系。圍巖支護(hù)的加強(qiáng)能有效地控制圍巖的穩(wěn)定性，但也增加了施工難度，影響了掘進(jìn)效率。圍巖注漿改性則是通過(guò)注漿加固充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，提高軟弱圍巖抗變形能力和強(qiáng)度，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，降低巷道支護(hù)、維護(hù)難度，較好地解決巷道掘進(jìn)過(guò)斷層的施工安全和長(zhǎng)期穩(wěn)定問(wèn)題[13]。

董守義[14]針對(duì)巷道過(guò)高水壓、高地應(yīng)力、易泥化斷裂帶，提出雙環(huán)布孔的管棚支護(hù)技術(shù)。聶建偉等[4]則采用管棚加預(yù)注漿超前支護(hù)及掘后錨索強(qiáng)化、注漿補(bǔ)強(qiáng)、澆注混凝土等分步聯(lián)合加固支護(hù)方法掩護(hù)巷道安全過(guò)松軟破碎、大落差斷層組。孟慶彬等[5]針對(duì)巷道過(guò)富水?dāng)鄬訋?，采用了超前管棚預(yù)加固和初次型鋼網(wǎng)噴、鋼筋混凝土襯砌、二次注漿聯(lián)合支護(hù)方案。閆帥等[6]模擬研究了斷層帶圍巖變形破壞機(jī)制，提出區(qū)域化超前注漿和分階段支護(hù)對(duì)策。林遠(yuǎn)東等[8]采用Anderson斷層模型和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則研究了采動(dòng)影響下斷層穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出超前預(yù)注漿能增大斷層面黏聚力和內(nèi)摩擦角，實(shí)現(xiàn)斷層自鎖。康紅普等[12]論述了巷道圍巖注漿加固技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹了不同注漿材料的應(yīng)用條件。

目前，眾多學(xué)者研究的預(yù)注漿加固圍巖工藝主要在井下實(shí)施，即通過(guò)井下注漿孔向巷道掘進(jìn)工作面前方的斷層破碎帶進(jìn)行多階段注漿。然而，井下鉆孔受孔深和耐壓的影響，注漿段較短、注漿壓力較低、注漿量小、漿液擴(kuò)散距離有限，治理大斷層或圍巖嚴(yán)重破碎帶難度較大，間接對(duì)支護(hù)工程提出了更高的要求。另有采用地面直孔群進(jìn)行斷層加固，大斷層帶注漿效果難以保證，且無(wú)效段長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。

針對(duì)井下注漿和地面直孔注漿的不足，結(jié)合地面定向孔在灰?guī)r水害治理中的成熟工藝[15-16]，筆者將地面定向孔技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于斷層治理方向，進(jìn)行精準(zhǔn)探查巷道巖性，地面超前可控高壓注漿，保障圍巖注漿加固效果，提高巷道掘進(jìn)支護(hù)效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了由掘時(shí)被動(dòng)治理到掘前主動(dòng)防治，由井下注漿到地面綜合治理。根據(jù)筆者在兩淮礦區(qū)灰?guī)r水害治理、斷層治理的工程經(jīng)驗(yàn)[17-20]，總結(jié)了地面定向孔超前預(yù)注漿掩護(hù)巷道穿斷層破碎帶的關(guān)鍵技術(shù)，以期為深部巷道過(guò)斷層時(shí)注漿加固圍巖提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

淮北煤田位于華北板塊東南緣，在晚古生代海西運(yùn)動(dòng)時(shí)期，構(gòu)造變形微弱，連續(xù)沉積了石炭系、二疊系含煤地層，而在中生代印支、燕山運(yùn)動(dòng)期間，強(qiáng)烈板塊運(yùn)動(dòng)引起了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，近EW向和NNE向大斷裂縱橫交錯(cuò)，網(wǎng)狀斷塊構(gòu)造發(fā)育，形成了淮北煤田南北分異、東西分帶的構(gòu)造格局。

研究區(qū)位于淮北煤田臨渙礦區(qū)西南部，礦井?dāng)鄬影l(fā)育，數(shù)量多、斷距大。采區(qū)開(kāi)拓巷道包括副暗斜井、運(yùn)輸暗斜井和回風(fēng)暗斜井，受斷層構(gòu)造發(fā)育影響，巷道掘進(jìn)將穿過(guò)8條正斷層，斷距大于50 m斷層3條。其中，WF4斷層是影響開(kāi)拓巷道的主要正斷層，傾角70°～80°，平均斷距170 m，傾角及斷距變化較大，斷層帶寬且破碎，錯(cuò)斷層位為二疊系-奧陶系中統(tǒng)，斷層帶單位涌水量0.000 104 L/(s·m)，富水性弱。工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)至該斷層的伴生斷層(斷距28 m)時(shí)，出現(xiàn)圍巖地應(yīng)力大，巷道受壓變形嚴(yán)重，支護(hù)困難，致使掘進(jìn)機(jī)差點(diǎn)被埋，最后終止掘進(jìn)，變更工作面設(shè)計(jì)。同樣，鄰近采區(qū)運(yùn)輸大巷在過(guò)深部大斷層時(shí)，礦壓大，巷道變形嚴(yán)重，雙層U型棚很快被擠實(shí)。綜上，針對(duì)WF4斷層帶潛在安全隱患，研究目標(biāo)即為掩護(hù)3條開(kāi)拓巷道安全穿過(guò)WF4斷層破碎帶，提高掘進(jìn)效率，降低支護(hù)難度。

1.2 工程問(wèn)題

采區(qū)開(kāi)拓巷道掘進(jìn)、支護(hù)面臨主要工程問(wèn)題為：

1)巷道礦壓大。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，橫向切割巷道的小斷層較多，縱向上還受F高-7斷層(斷距110 m)影響，開(kāi)拓巷道在WF4斷層帶前的下山掘進(jìn)過(guò)程中，特別是過(guò)圍巖破碎區(qū)域和巖體層理面時(shí)，圍巖整體穩(wěn)定性差，底鼓量極大，7處礦壓觀測(cè)點(diǎn)顯示底鼓量超過(guò)500 mm，2處超過(guò)1 000 mm，左右?guī)妥冃屋^嚴(yán)重，頂板下沉明顯。同樣，WF4斷層帶巖體破碎，伴生斷層多，斜交巷道呈階梯式展布，掘進(jìn)過(guò)程中將面臨礦壓大、局部壓力集中，沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)高等工程問(wèn)題。

2)支護(hù)困難。3條開(kāi)拓巷道為16°左右的斜井，井下預(yù)注漿壓力低，擴(kuò)散距離有限，大斷層加固防滲效果難以保證，破碎帶錨固支護(hù)難度大，復(fù)雜聯(lián)合支護(hù)施工困難，工程量大，不確定因素多，安全風(fēng)險(xiǎn)高，影響掘進(jìn)效率，嚴(yán)重則影響礦井生產(chǎn)接續(xù)。

2 定向孔掩護(hù)巷道過(guò)斷層關(guān)鍵技術(shù)

2.1 注漿加固機(jī)理

斷層是巖體在構(gòu)造作用下形成的軟弱結(jié)構(gòu)面，其充填介質(zhì)抗壓能力低、塑性變形強(qiáng)，開(kāi)采擾動(dòng)下，極易剪切變形破壞。斷層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度可用庫(kù)侖準(zhǔn)則簡(jiǎn)化表述：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：τ為軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度；σ為作用在結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力；φ、c為結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

斷層破碎帶黏聚力和摩擦角要小于正常巖體，抗剪能力較差，是造成巷道過(guò)斷層時(shí)圍巖失穩(wěn)的主要原因[8]，注漿加固主要目的是改性結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)，提高內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，從而提高斷層破碎帶抗剪強(qiáng)度。主要作用機(jī)理為：①注漿充填破碎帶孔隙、裂隙空間，黏接介質(zhì)顆粒，與斷層面膠結(jié)固化，形成漿液—介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)體；②帶壓注漿擠壓巖體、結(jié)構(gòu)體，以漿液置換介質(zhì)空間中的水分，提高彈性模量；③高壓劈裂注漿形成縱橫交貫的漿脈網(wǎng)格骨架結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)體整體性，有效傳遞分擔(dān)載荷，提高自承載能力和圍巖的殘余強(qiáng)度；④注漿漿液封堵裂隙，隔絕水和空氣，提高結(jié)構(gòu)體抗?jié)B性，避免風(fēng)化降低圍巖強(qiáng)度，保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.2 總體治理思路

地面定向孔掩護(hù)巷道穿斷層破碎帶總體思路為：綜合考慮地質(zhì)條件與巷道空間關(guān)系，確定斷層治理段范圍，在地面合適位置布置定向鉆孔，基于鉆探施工關(guān)鍵技術(shù)和高壓預(yù)注漿關(guān)鍵技術(shù)(圖1)，沿巷道超前精準(zhǔn)探查，實(shí)現(xiàn)斷層破碎帶的高壓注漿加固，改善軟弱圍巖力學(xué)性質(zhì)，重塑地應(yīng)力分布，發(fā)揮圍巖自承載能力；封堵裂隙通道，降低含水層滲透系數(shù)，防治斷層突水；探查巷道巖性，預(yù)知關(guān)鍵層位置；減輕巷道支護(hù)、維修負(fù)擔(dān)，達(dá)到安全高效生產(chǎn)目的。

圖1 定向孔掩護(hù)巷道過(guò)斷層關(guān)鍵技術(shù)體系Fig.1 Key technical system of directional drilling supporting roadway excavation through fault

2.3 鉆探施工關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1鉆孔設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1)孔口位置優(yōu)選。定向孔孔口位置的選擇決定了鉆孔軌跡的形態(tài)和施工風(fēng)險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)，平面上直線(近直線)的鉆孔軌跡施工風(fēng)險(xiǎn)最低。選擇合適的孔口位置，盡可能使鉆孔軌跡接近直線或是小于一定的弧度，有助于減小鉆探摩阻和轉(zhuǎn)矩，降低卡鉆、塌孔和注漿短路風(fēng)險(xiǎn)，以及后期工程設(shè)計(jì)調(diào)整。

與此同時(shí)，孔口位置的選擇應(yīng)盡可能地使鉆孔一開(kāi)、二開(kāi)軌跡避開(kāi)采空區(qū)、巷道和不良地質(zhì)體，保持15 m以上安全距離，避免鉆探漏失或套管損壞造成無(wú)效注漿，以及跑漿至巷道、采空區(qū)，引起次生災(zāi)害。

2)軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化。目標(biāo)治理層位的鉆孔設(shè)計(jì)和巷道、斷層、地層三者的空間關(guān)系以及圍巖地質(zhì)條件有關(guān)。根據(jù)三維地震解釋結(jié)果，軌跡設(shè)計(jì)重點(diǎn)沿巷道中心線穿斷層，保證注漿擴(kuò)散效果，同時(shí)根據(jù)探查的地層的巖性、強(qiáng)度進(jìn)行巷道頂?shù)装寤騼蓭脱a(bǔ)充性注漿。若斷層導(dǎo)水、連通性好，與太(奧)灰、松散層或井巷系統(tǒng)存在水力聯(lián)系，還需提前進(jìn)行截流，切斷水力聯(lián)系，提高注漿加固效果，降低斷層涌水。施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際鉆探、注漿信息不斷優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)，做好地質(zhì)勘探三邊工作：邊勘查施工，邊分析研究，邊調(diào)整修改設(shè)計(jì)。

此外，單個(gè)支孔往往難以滿(mǎn)足斷層注漿加固效果，尤其在采區(qū)多條大巷穿同一斷層時(shí)，大巷之間距離較近，標(biāo)高差別不大，針對(duì)此類(lèi)巷道群常布置多個(gè)支孔，除中心線設(shè)計(jì)外，還可以交叉設(shè)計(jì)、條帶設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)斷層破碎帶區(qū)域超前治理。

2.3.2軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)

鉆孔軌跡精準(zhǔn)控制是提高定向孔中靶率的關(guān)鍵。在軌跡測(cè)量過(guò)程中，因儀器傳感器精度、方位角歸化、磁干擾和儀器軸向問(wèn)題等誤差的影響(表1)，計(jì)算得到的井眼軌跡和實(shí)鉆軌跡存在一定偏差。軌跡越長(zhǎng)，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差疊加，導(dǎo)致軌跡的不確定越大。

表1 定向孔軌跡測(cè)量誤差分類(lèi)及解決措施Table 1 Wellbore trajectory survey error classification of directional drilling and solution

由于斷層治理孔為順巷鉆進(jìn)，對(duì)穿巷精度要求較高，為保證軌跡的可靠性，軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)包括儀器定期質(zhì)量檢查、實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)、系統(tǒng)更新，方位角校正，防范磁干擾，以及進(jìn)行儀器軸向?qū)χ袡z查等技術(shù)措施，由此降低定向井軌跡測(cè)量的誤差。施工過(guò)程中，還可定期采用全姿態(tài)隨鉆陀螺測(cè)斜儀、磁導(dǎo)向孔和地質(zhì)探孔進(jìn)行軌跡糾偏參考。

2.3.3非治理段隔離施工技術(shù)

斷層治理孔軌跡按其工程目的可分為淺部套管段、造斜非治理段和順巷治理段3部分。受孔口位置、巷道分布和軌跡設(shè)計(jì)的影響，造斜非治理段有時(shí)較長(zhǎng)，存在地層漏失、斷層破碎帶發(fā)育、多層煤層、砂巖裂隙發(fā)育、鋁土質(zhì)泥巖和井下巷道等不良地質(zhì)條件，容易造成鉆探塌孔、無(wú)效注漿或注漿短路，直接影響鉆探施工安全以及治理段注漿效果。

非治理段隔離施工工藝即通過(guò)施工三開(kāi)技術(shù)套管，將套管盡可能延伸下至目標(biāo)治理段，減少注漿干擾，實(shí)現(xiàn)斷層帶高壓、精準(zhǔn)注漿。為此，須調(diào)整鉆具組合，采用留空側(cè)鉆下套管技術(shù)，形成四開(kāi)成孔結(jié)構(gòu)，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)多分支孔隔離注漿施工目標(biāo)。

2.3.4鉆井液護(hù)壁技術(shù)

斷層帶巖體破碎雜亂，易掉塊，套管口附近巖體多次側(cè)鉆擾動(dòng)，煤層強(qiáng)度低，以及泥巖遇注漿析水后強(qiáng)度弱化等常威脅鉆探孔內(nèi)安全，造成成孔困難、塌孔、卡鉆發(fā)生，卡鉆嚴(yán)重情況下發(fā)生埋鉆，威脅掘進(jìn)安全。

鉆探施工過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合斷層治理孔的地質(zhì)條件靈活調(diào)整鉆井液參數(shù)，選擇合適防塌鉆井液技術(shù)方案，常添加氯化鉀、聚合醇、有機(jī)鹽、胺基抑制劑或重晶石粉等材料。在松散破碎地層適當(dāng)提高鉆井液的密度、黏度，控制鉆井液失水；在深部地層則加入一些潤(rùn)滑劑、乳化劑等提高潤(rùn)滑性，降低摩阻和扭矩。通過(guò)采用抑制性強(qiáng)、流變性好、潤(rùn)滑性高、攜巖粉能力突出的高性能、防塌鉆井液，可有效減少井壁坍塌、托壓卡鉆、鉆頭泥包、攜砂循環(huán)等孔內(nèi)復(fù)雜問(wèn)題，保障鉆孔成孔。

2.4 高壓預(yù)注漿關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1高壓注漿加固技術(shù)

定向孔高壓注漿加固技術(shù)即采用地面攪拌系統(tǒng)進(jìn)行多種漿液材料配比和不同密度穩(wěn)定制漿，通過(guò)高壓注漿系統(tǒng)下行式、大流量、連續(xù)或間歇式“梯度增壓動(dòng)態(tài)控制”灌注技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充填封堵裂隙通道，加固改性斷層帶圍巖。梯度增壓動(dòng)態(tài)控制技術(shù)分為低壓充填、中壓壓實(shí)、高壓劈裂3個(gè)階段。注漿終壓為靜水壓力的1.5～3倍。

為保證注漿效果，注漿前期采用稀漿擴(kuò)散探查，中后期采用稠漿壓實(shí)加固，提高結(jié)石率，降低析水率。同時(shí)根據(jù)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育程度，低壓選擇大流量注漿，充填擴(kuò)散；高壓進(jìn)行小流量注漿，壓實(shí)劈裂。

2.4.2注漿分段選擇技術(shù)

針對(duì)定向鉆探查后斷層破碎帶空間位置的相對(duì)確定性，合理進(jìn)行注漿分段是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效注漿的關(guān)鍵。注漿分段選擇技術(shù)措施采用四段注漿分段法進(jìn)行斷層破碎帶高壓注漿，即將裸孔注漿段分為非巷道注漿段、斷層帶前段、斷層破碎帶和斷層帶后段共四段。該分段方法保證了斷層破碎帶之前的地層耐壓效果，消除注漿干擾，實(shí)現(xiàn)了斷層破碎帶的充分注漿加固及效果驗(yàn)證。

鉆探過(guò)程中若出現(xiàn)鉆井液漏失、返水、鉆孔間串漿等異常情況，則立即停止循環(huán)，起鉆注漿，保證鉆探施工安全，注漿充填封堵潛在裂隙通道。

2.4.3注漿異常響應(yīng)技術(shù)

注漿異常是注漿過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。正常情況下，注漿壓力表現(xiàn)為快速升壓、逐級(jí)突破、穩(wěn)定上升的變化過(guò)程。注漿異常則表現(xiàn)為注漿壓力難以達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)散過(guò)遠(yuǎn)造成無(wú)效注漿，甚至引起其他次生災(zāi)害。

常見(jiàn)注漿異常情形可歸納為6類(lèi)(表2)，包括注漿長(zhǎng)期無(wú)壓、長(zhǎng)期壓力穩(wěn)定不起壓、長(zhǎng)期壓力波動(dòng)難升壓、注漿跑漿至井巷、注漿串漿至周邊鉆孔和注漿升壓過(guò)快。針對(duì)不同異常情形，分析影響原因，采用間歇式注漿、加粉煤灰、水玻璃等混合注漿、重新掃孔復(fù)注等技術(shù)措施，確保后續(xù)注漿工程順利實(shí)施。

表2 注漿異常情形及響應(yīng)技術(shù)措施Table 2 Abnormal situation of grouting and response technical measures

3 工程應(yīng)用

3.1 方案設(shè)計(jì)

研究區(qū)開(kāi)拓巷道從WF4斷層下盤(pán)向上盤(pán)掘進(jìn)，因斷層落差大，伴生斷層多，確定巷道治理段為斷層上盤(pán)150 m、下盤(pán)120 m，平面上治理加固段為270 m，3條巷道共計(jì)治理長(zhǎng)度810 m。受井下巷道掘進(jìn)、采空區(qū)、斷層、巷道高差與間距、地面條件等多個(gè)因素制約，孔口位置調(diào)整在軌道巷道北側(cè)，距離約160 m。

工程原設(shè)計(jì)三開(kāi)成孔結(jié)構(gòu)，因非治理段K3砂巖裂隙、斷層裂隙發(fā)育且相互連通，可注性強(qiáng)，注漿量大，長(zhǎng)時(shí)間、大流量非治理段注漿嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，造成漿液浪費(fèi)，同時(shí)影響巷道掘進(jìn)。為保證治理段注漿效果，采用非治理段隔離施工技術(shù)，留空側(cè)鉆下置三開(kāi)技術(shù)套管，實(shí)現(xiàn)多分支孔隔離注漿施工目的。因而變更設(shè)計(jì)為四開(kāi)成孔結(jié)構(gòu)(表3)，包括一開(kāi)近直孔套管段、二開(kāi)定向?qū)碧坠芏巍⑷_(kāi)技術(shù)套管段、四開(kāi)順巷裸孔段。為驗(yàn)證注漿效果，檢查加固孔采用交叉設(shè)計(jì)施工。

表3 鉆孔成孔結(jié)構(gòu)Table 3 Drilling structure composition

3.2 工程成果

基于定向孔掩護(hù)巷道過(guò)斷層關(guān)鍵技術(shù)，工程順利施工了3個(gè)分支孔(S1-1,S1-2和S1-3)，1個(gè)檢查加固孔(S1-4)，完成鉆探進(jìn)尺2 717.37 m，注水泥7 841 t。各分支孔終孔注漿終壓12.0～14.5 MPa，單位透水率小于0.001 L/(min·m2)。工程施工成果如圖2所示。

圖2 工程施工成果 Fig.2 Results figure of Engineering construction

4 治理效果評(píng)價(jià)

4.1 探查治理效果評(píng)價(jià)

1)壓水試驗(yàn)分析。壓水試驗(yàn)反映了地層的可注性，可判斷裂隙發(fā)育程度，以此作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。工程共進(jìn)行了28次壓水試驗(yàn)，順巷治理段內(nèi)注漿前平均單位透水率為0.00 369 L/(min·m2)，注漿結(jié)束后為0.00 022 L/(min·m2)，注漿后單位透水率為注漿前的5.96%，注漿加固效果良好。

2)地層巖性探查分析。地層巖性對(duì)巷道掘進(jìn)尤為重要，預(yù)知掘進(jìn)前方巖性，如斷層破碎帶、煤層、鋁土質(zhì)泥巖或軟巖段等，有利于提前調(diào)整掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)計(jì)方案?；趲r屑錄井技術(shù)，地面定向鉆能夠超前、遠(yuǎn)距離、高精度探查地層巖性，并對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行超前高壓注漿，充填破碎帶裂隙，壓密巖層，起到膠結(jié)固結(jié)、骨架支撐作用，具有地面直孔和井下超前鉆不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)巖性探查結(jié)果，繪制了適合地面定向孔結(jié)構(gòu)的巷道巖性剖面圖(圖3)，可用于分析治理段地質(zhì)條件復(fù)雜程度，有效指導(dǎo)井下掘進(jìn)、鉆探和支護(hù)工程施工，保障掘進(jìn)安全。

圖3 巷道巖性剖面示意Fig.3 Lithologic profile of roadway

3)注漿量分析。工程分段注漿15次，累計(jì)注漿用水泥量7 841 t。在順巷前期，非巷道治理段注漿量3 061 t。非巷道治理段套管隔離后，順巷治理段注漿量為4 445 t，檢查加固孔注漿量為335 t。順巷治理段單位注漿量為5.49 t/m，其中WF4斷層破碎帶單位注漿量為7.62 t/m。注漿量表明，研究區(qū)非治理段注漿量大，與其地質(zhì)條件復(fù)雜、裂隙發(fā)育有關(guān)；經(jīng)應(yīng)用非治理段隔離施工技術(shù)和注漿分段選擇技術(shù)后，保證了斷層帶得到充分注漿加固。

4)注漿擴(kuò)散距離分析。注漿擴(kuò)散距離受注漿壓力、裂隙發(fā)育程度、裂隙連通性等綜合影響。由于地層裂隙具有非均質(zhì)各向異性的特點(diǎn)，注漿擴(kuò)散形態(tài)并不是以“圓柱體狀、球體狀”擴(kuò)散，而是不斷優(yōu)先向相對(duì)大的裂隙空間通道擠壓擴(kuò)散，擴(kuò)散體積極不規(guī)則。分析鉆探水泥揭露、井下掘進(jìn)水泥揭露、井下巷道跑漿等信息可知，此次注漿擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)達(dá)到370 m。擴(kuò)散距離遠(yuǎn)主要因?yàn)閿鄬訋Я严栋l(fā)育，連通性極好，同時(shí)高壓注漿也有利于漿液進(jìn)一步擴(kuò)散。經(jīng)分段注漿、隔離注漿和重復(fù)注漿治理，合理挖制注漿擴(kuò)散范圍，確保了破碎帶的圍巖加固效果。

5)物探驗(yàn)證效果分析。為探查斷層帶巖層結(jié)構(gòu)狀態(tài)和富水性，驗(yàn)證注漿加固效果，在巷道掘進(jìn)工作面位置采用瞬變電磁法進(jìn)行了探測(cè)，距離WF4斷層帶約32 m，探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道順層方向瞬變電磁探測(cè)成果 Fig.4 Transient electromagnetic detection results on bedding direction of roadway

經(jīng)注漿充填后，WF4斷層帶及巷道掘進(jìn)工作面前方120 m范圍順層方向未見(jiàn)低阻異常，區(qū)域內(nèi)整體相對(duì)高阻。巷道穿斷層帶未出水，僅在斷層上盤(pán)出現(xiàn)少量頂板砂巖淋水。物探和掘進(jìn)相互驗(yàn)證表明，漿液擴(kuò)散不規(guī)則，高壓注漿能有效封堵斷層裂隙通道，降低含水層的滲透系數(shù)。

4.2 巷道掘進(jìn)支護(hù)效果評(píng)價(jià)

定向孔施工結(jié)束后，開(kāi)拓巷道安全、快速掘進(jìn)通過(guò)了WF4斷層破碎帶及治理區(qū)域。掘進(jìn)揭露表明，破碎帶巖體呈碎塊角礫狀，泥巖受擠壓、揉皺呈糜棱狀，泥化現(xiàn)象明顯，裂隙中明顯可見(jiàn)水泥結(jié)石充填，巷道見(jiàn)注漿水泥柱，斷層帶至少含2組大斷層。其中，回風(fēng)暗斜井過(guò)斷層時(shí)圍巖穩(wěn)定，采用錨噴支護(hù)，變形量小，掘進(jìn)支護(hù)效率高；副暗斜井過(guò)斷層時(shí)，掘進(jìn)效率正常，但來(lái)壓快，變形較大，最近礦壓觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)55 d后，頂板下沉量109 mm，最大底鼓量373 mm，左幫變形量84 mm，右?guī)妥冃瘟?08 mm，其中底鼓量較之前巷道下降超過(guò)62.6%，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

總體來(lái)看，高壓注漿加固后，圍巖整體穩(wěn)定性較好，對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小，支護(hù)后變形量均得到控制，后期可實(shí)施二次支護(hù)及井下注漿加固，施工難度小，進(jìn)一步保障巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)基于地面定向孔掩護(hù)巷道穿斷層破碎帶工藝，改變了傳統(tǒng)井下鉆孔或地面直孔注漿加固模式，具有超前探查、高壓預(yù)注漿的優(yōu)勢(shì)，從掘時(shí)被動(dòng)治理到掘前主動(dòng)防治，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離精準(zhǔn)探查巷道巖性、地面超前可控高壓預(yù)注漿加固斷層破碎帶的工程目的。

2)提出了定向孔掩護(hù)巷道過(guò)斷層關(guān)鍵技術(shù)體系，包括鉆孔設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)、非治理段隔離施工技術(shù)、鉆井液護(hù)壁技術(shù)、高壓注漿加固技術(shù)、注漿分段選擇技術(shù)和注漿異常響應(yīng)技術(shù)，有效保障了斷層注漿加固效果。

3)圍巖注漿加固后，巷道安全、快速掘進(jìn)通過(guò)了斷層破碎帶，降低了支護(hù)難度。工程的成功實(shí)施，豐富了解決礦山工程地質(zhì)、水文地質(zhì)問(wèn)題的技術(shù)手段，具有重要的示范意義，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。