地面定向順層鉆進注漿技術(shù)在金屬礦山巷道掩護掘進的應用研究

＊周鵬陽 趙少磊 李佩

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司 陜西 710077 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室 陜西 710077）

前言

近年來，我國礦山水害事故的發(fā)生整體呈下降趨勢，但礦井防治水工作依然時刻不容懈怠。其中金屬礦山水害問題[1-2]受自身礦體成因的影響有其獨有的特殊性，地質(zhì)條件更為復雜，給礦井防治水工作帶來極大的困難。

目前，地面定向順層鉆進注漿技術(shù)已被廣泛應用于煤礦防治水工作之中，如超前探查陷落柱發(fā)育情況[3]，掩護巷道穿斷層破碎帶[4-5]等，且多年來不斷根據(jù)煤礦自身的特點發(fā)展完善，已形成一套較為成熟的煤礦防治水手段，但在金屬礦山水害防治工作中運用較少。

安徽一鐵礦-350m巷道在掘進過程中發(fā)現(xiàn)其圍巖強度及完整性較差，本文采取在金屬礦山中引用地面定向順層鉆進注漿技術(shù)對-350m巷道治理段沿途地層導水裂隙進行探查治理，保障該巷道在治理段掘進過程中避免出現(xiàn)大型突水和冒落事故。

1.研究背景

(1)研究區(qū)地質(zhì)概況

①地層。研究區(qū)發(fā)育地層由老至新依次為：三疊系中統(tǒng)周沖村組（T2z）、上統(tǒng)黃馬青組（T3h），侏羅系中、下統(tǒng)象山群（J1-2xn）、上統(tǒng)龍王山組（J3l），白堊系下統(tǒng)云合組（K1y）、大王山組（K1d）及第四系殘、坡、堆積層。其中云合組、大王山組和周沖村組分布有鐵礦層。

②地質(zhì)構(gòu)造。礦區(qū)發(fā)育一NNW向短軸背斜，由核部至兩翼依次分布為周沖村組地層、黃馬青組和象山群地層。礦床容礦構(gòu)造，主要是輝長閃長巖的侵入接觸內(nèi)帶及其附近裂隙。輝長閃長巖體成礦前的節(jié)理主要為：60°、25°、320°三組；成礦后的裂隙主要為：40°～60°、335°～350°二組，二者均為較發(fā)育。

(2)研究區(qū)水文地質(zhì)概況

礦區(qū)內(nèi)的含水層主要有第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層兩大類。

①第四系孔隙含水層：第四系巖相沉積表現(xiàn)為自下而上顆粒由粗變細，下部卵石層為該區(qū)主要含水層（相對承壓），屬于強富水性含水層；中部為粘質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土層，為弱富水性含水層；上部為黏土，極微透水。

②基巖裂隙含水層：按地層、巖性主要可分為3個含水層，分別發(fā)育于白堊系下統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng)和三疊系中統(tǒng)之中，均屬于弱富水性含水層。其中白堊系下統(tǒng)含水層主要分布在凝灰?guī)r及安山巖中；侏羅系上統(tǒng)含水層主要分布在龍王山組碎裂凝灰?guī)r裂隙中；三疊系中統(tǒng)含水層主要分布在周沖組角礫巖及碎裂角礫巖裂隙中。

(3)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)概況調(diào)查顯示，研究區(qū)礦體直接、間接頂?shù)装宕蟛糠譃楦邘X土化、蒙脫石化閃長玢巖，巖層穩(wěn)固性差，結(jié)構(gòu)松散，巖體強度低，且深部巖體裂隙、節(jié)理較多，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石完整性較差。前期-350m巷道掘進過程中揭露圍巖較為破碎。

整個礦區(qū)主要的充水含水層位為第四系卵石層，含水豐富?；鶐r段侏羅系龍王山組和三疊系周沖組地層裂隙較為發(fā)育，但富水性弱。

2.治理方案設計

(1)治理思路及方案

針對-350m巷道的安全高效掘進問題，提出采用地面定向順層鉆進技術(shù)對掘進巷道進行地面超前探查注漿掩護治理的方案。綜合考慮井上下位置關(guān)系，選擇合適的地面開孔位置，施工定向順層鉆孔，沿-350m巷道方位對治理區(qū)域內(nèi)的破碎巖體及含水裂隙進行探查并高壓注漿，充填加固破碎巖體，提高-350m巷道圍巖強度，封堵潛在導水裂隙，消除各種水源對-350m巷道掘進的影響，確保該巷道的安全高效掘進。

(2)鉆探工程設計

本次共設計1個地面順層定向孔組（D4孔），通過施工定向鉆孔，逐步偏斜至-350m巷道掘進方位和標高，沿治理段周邊范圍內(nèi)鉆進注漿施工。鉆孔采取三開結(jié)構(gòu)布置，一開直孔段下入套管至孔底，水泥固井隔離第四系表土地層；二開定向造斜段，定向?qū)敝?350m巷道頂板之上約8m處；三開注漿治理段，施工分支孔沿巷道鉆進，探查揭露巷道破碎圍巖及含水裂隙，并高壓注漿。具體治理工程可劃分為兩個階段實施，首先實施D4主孔探查試驗工程，然后根據(jù)前期工程實際情況合理布置后期補充加密工程。

①前期探查試驗工程。充分考慮工程施工范圍內(nèi)及周邊地質(zhì)勘探成果，優(yōu)先施工D4主孔作為試驗工程，從二開套管口進行定向施工，沿-350m巷道方位至掩護段結(jié)束，完鉆點落于-350m巷道底板。通過D4主孔試驗工程的實施，進一步了解治理區(qū)域內(nèi)地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，結(jié)合注漿效果，選擇性布置補充加密鉆孔。D4主孔設計軌跡平面位置圖如圖1所示，設計軌跡剖面示意圖如圖2所示。

圖1 D4主孔設計軌跡平面位置圖

圖2 D4主孔設計軌跡剖面示意圖

②后期補充加密工程。以前期D4主孔施工過程中揭露的地層發(fā)育特征、鉆探漏失量及注漿效果等實際情況為依據(jù)，在-350m巷道中心方位兩側(cè)合理布置鉆孔，補充各分支孔平面上的間距≯5m，垂直向上覆蓋-350m巷道頂板至底板，一方面進一步加固礦巖接觸帶等治理薄弱區(qū)域，使?jié){體充分充填-350m巷道周圍的破碎圍巖及導水裂隙；另一方面對治理區(qū)域注漿效果進行檢查加固，確保巷道安全掘進。

(3)注漿工程設計

注漿工程的主要目的是通過注漿加固鉆孔揭露的-350m巷道沿途破碎圍巖及含水裂隙，改善-350m巷道周圍的工程地質(zhì)條件，保證巷道的安全掘進。本次注漿工程采用孔口封閉靜壓注漿法進行注漿，注漿材料為普通硅酸鹽P.O42.5水泥。全井鉆進過程中均應做好簡易水文觀測記錄工作，鉆孔在三開段鉆進過程中發(fā)生鉆井液漏失，當漏失量小于10m3/h時，調(diào)配鉆井液配比強制鉆進；漏失量大于10m3/h時，向前鉆進5～10m的起鉆進行水位測量，通過多次觀測盡可能消除鉆具體積等因素的影響以獲得穩(wěn)定水位，綜合分析鉆孔軌跡附近區(qū)域富水性特征及漿液可注性。

注漿壓力的大小和漿液配比參數(shù)直接影響到漿液的擴散距離與注漿效果，為使水泥漿液得到有效灌注，避免出現(xiàn)漏注、遠距離擴散造成漿液浪費，高壓注漿形成新的導水裂隙通道等情況，本次工程設計水泥漿液比重一般為1.2～1.6，注漿地面孔口終壓為4～6MPa（據(jù)實際情況調(diào)整）。當注漿壓力達到壓力標準后，逐次換檔降低泵量，直至泵量達到40～60L/min，并持續(xù)維持30min以上時，認為該受注層段注漿已達到壓力結(jié)束標準。

3.探查治理工程實施及效果分析

(1)探查治理工程實施

工程共施工1個地面定向孔組（D4），累計鉆探進尺1115.74m，注水泥干粉13226.41t，注黃沙181.8t。其中三開注漿治理段共施工鉆探進尺475.54m，注水泥干粉10714.49t，注黃沙160.8t。

前期探查試驗工程。D4主孔一、二開段鉆探進尺640.2m，鉆井液漏失嚴重，注水泥干粉2511.92t，注黃沙21t；三開注漿治理段鉆探進尺120.16m，注水泥干粉4144.49t，注黃沙160.8t。整個主孔施工過程中，鉆井液漏失量極為嚴重，結(jié)合壓水試驗結(jié)果，部分漏失段漏失量大于100m3/h，直接選用水泥漿液灌注效果較差，且容易造成大量漿液的浪費，因此使用骨料灌注系統(tǒng)先對孔內(nèi)灌注細沙充填裂隙，通過前期骨料灌注，初步減小裂隙空間，然后開始使用水泥漿液充填骨料堆積體之間未填滿的空間及巖體裂隙空間，并逐步升壓加固，使?jié){液進一步向更細小裂隙擴散壓實，提升巖體整體強度。

后期補充加密工程。根據(jù)前期D4主孔的施工記錄，該分支孔鉆探施工過程中短距離內(nèi)鉆井液多次出現(xiàn)大量漏失的情況，注漿效果不理想，分析認為單個分支孔難以實現(xiàn)加固-350m巷道附近區(qū)域內(nèi)破碎巖體的目標，故布置施工補充加密鉆孔D4-1～D4-5分支孔，該5個分支孔累計鉆探進尺355.38m，注水泥干粉6570t。

(2)探查治理效果分析

①鉆探施工。D4主孔沿-350m巷道設計的中心方位進行施工，D4-1、D4-5和D4-2、D4-3共4個分支孔分別沿-350m巷道兩側(cè)施工，D4-4分支孔在-350m巷道平面寬度范圍內(nèi)沿設計方位鉆進，進一步加強、檢查驗證注漿治理效果。D4孔組從二開造斜段至各個分支的施工過程中，鉆井液漏失嚴重，多次發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，分析認為研究區(qū)地層松軟、破碎嚴重，裂隙極度發(fā)育。

②注漿施工。D4主孔三開段為該區(qū)域的首個治理鉆孔，鉆井液漏失次數(shù)高達9次，且基本全漏失返。各注漿段之間相距較近，漿液擴散效果差，難以升壓（僅在最后兩個回次注漿起壓），單位進尺注漿量約34.49t/m，遠高于5個補充加密分支孔單位進尺注漿量（約18.49t/m）。分析認為-350m巷道區(qū)域原生地層破碎嚴重，裂隙發(fā)育，單個鉆孔注漿無法達到理想加固目標，但經(jīng)過D4主孔的鉆探注漿施工，使附近區(qū)域內(nèi)地層條件得到整體加固與改善，封堵了較大的裂隙通道。

后期補充加密鉆孔施工過程中，鉆井液漏失現(xiàn)象及注漿量明顯減少，注漿壓力能夠穩(wěn)步提升，D4-2～D4-5分支孔壓力全部大于4MPa。為確保區(qū)域內(nèi)破碎圍巖及裂隙得到有效填充與加固，現(xiàn)場合理提升注漿壓力，最終檢查加固的D4-4分支孔終孔壓力達6.5MPa，且該分支孔單位進尺注漿量約11.94t/m，遠小于初期D4主孔注漿量。

③井下驗證區(qū)注漿分析

地面工程結(jié)束后，-350m井下施工驗證3孔，距離地面鉆孔軌跡2～8.7m，相比于礦區(qū)內(nèi)未經(jīng)地面定向鉆注漿治理的井下涌水量大幅度減小，地面鉆孔注漿加固取得顯著效果，目前-350m巷道已安全完成掘進任務。

4.結(jié)語

（1）根據(jù)鉆探注漿結(jié)果分析，該鐵礦-350m巷道待掘進段圍巖破碎嚴重、裂隙極度發(fā)育，但在地面治理完成后續(xù)巷道掘進過程中水患威脅得到極大降低，未出現(xiàn)大型突水和冒落事故。表明本次治理效果良好，在金屬礦山利用地面定向順層鉆進超前探查高壓注漿技術(shù)有效對破碎圍巖及含水裂隙充填加固，實現(xiàn)了增強巷道圍巖穩(wěn)定性和降低水害威脅的目標，達到掩護巷道掘進的目的。

（2）金屬礦床受自身成因的影響有其獨有的特殊性，礦體的厚度、傾角、方位、礦體空間形態(tài)均不穩(wěn)定，同一礦體內(nèi)也會出現(xiàn)極大變化，地質(zhì)條件、導水裂隙發(fā)育規(guī)律復雜，給防治水工作帶來極大困難。本次研究結(jié)合工程實踐，針對安徽某鐵礦巷道圍巖破碎、裂隙極度發(fā)育條件下掘進問題，引用地面定向順層鉆進超前探查高壓注漿技術(shù)有效解決礦井實際問題，保障了該鐵礦-350m巷道的安全高效掘進，為礦山取得了較大的經(jīng)濟效益、社會效益。