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摘要：本文介绍了地面定向钻探技术在矿井的应用，并通过地面定向钻孔沿巷道穿断层探查，对探查范围内断层破碎带进行注浆综合治理实例分析，得到了地面定向钻探技术综合治理矿井大型断层过程中的一些常见问题及解决方法，证明了地面定向钻探技术综合治理矿井大型断层具有广泛的推广应用前景。
关键词：定向钻探；大型断层；高压注浆
1 地质概况
1.1治理区地质概况
袁店一井煤矿东翼大巷（东翼轨道大巷、东翼回风大巷、东翼运输大巷）位于矿井东部，由原东翼三条大巷生根至矿井边界附近，顺矿井边界穿aF1断层∠60～70°H=260～310m和五沟杨柳断层∠65～75°H=140～325m，5‰上山施工。大巷外段（方位N50°）施工层位位于32煤顶板约78～145m，里段（方位N114°）施工层位变化较大，aF1断层前位于32煤顶板约170m，aF1断层后位于32煤底板约125m，局部受断层影响将揭露32煤，穿五沟杨柳断层后层位位于10煤顶板约10m。东翼轨道大巷标高-740.5m～-723.6m，长约3377m，东翼回风大巷标高-740.5m～-710.6m，长约3481m，东翼运输大巷标高-740.5m～-722.2m，长约3446m。东翼大巷施工期间主要受煤层顶底板砂岩裂隙水和断层水影响。其中aF1和五沟杨柳断层为大型断层，落差较大，掘进施工期间影响较大。据2017-D5孔对aF1断层破碎带抽水试验资料：q=0.00016L/（s.m），k=0.000198m/d，富水性弱。103采区大巷穿aF1断层期间也无水文地质异常，由此说明aF1断层富水性弱、导水性差。
2 东翼大巷穿aF1断层综合治理方案
2.1 巷道穿aF1断层情况分析
aF1断层为正断层，倾角约60～70°，落差260～310m，断层面较为破碎。巷道穿断层时可能出现地应力大、顶板垮落、巷道支护困难、水害隐患等工程及水文地质问题。需对aF1断层进行综合工程治理。以保障后期巷道的安全掘进。东翼回风、皮带、轨道大巷设计穿过aF1断层，自断层上盘向断层下盘掘进，平面位置见图2-。目前，东翼回风巷已经掘进至H18点前32.5m，预计距离aF1断层面约113m。
三条巷道空间位置布置及施工现状，见图2-、图2-。简述如下：
回风大巷：该巷道在断层影响范围内是平巷，底板标高为-723.51m～-721.95m，坡度为5‰。掘进至距离断层113m处，已停止掘进；
皮带大巷：该巷道在断层影响范围内为下山，下坡15°施工150m后变平按5‰下坡施工，底板标高在-735m～-695m之间，现未掘进至断层区域；
轨道大巷：该巷道在断层影响范围内是平巷，底板标高为-736.19m～-735.363m，坡度为5‰，巷道施工至距断层面150m停止掘进。
2.2 治理方案
根据井下巷道情况及地面钻机施工能力，合理设计技术方案，施工地面定向顺层钻孔精确进入巷道位置沿巷道中心钻进，超前探查治理区段潜在水害威胁，并进行高压注浆加固，通过分段“探注结合”施工，有效加固治理区段的断层裂隙。通过高压注浆将周围构造裂隙充填压密，对断层带围岩进行注浆改性，为巷道穿越断层带支护创造条件，从而达到超前掩护巷道掘进的目标。
2.2.1 治理范围
东翼三条巷道平行布置，间距为40m，回风巷道已掘进至距离断层面约120m。断层治理需进行高压注浆，必须保证60m的注浆安全距离。因此，断层上盘回风、皮带巷查治范围自巷道停掘位置延伸60m起，距离断层面约60m；因断层位置可能不准，下盘控制距离约100～120m。总治理区段160～180m。
2.2.2 查治方案
1、巷道查治
设计1组地面水平孔3个支孔分别分序次控制三条巷道治理区段。钻孔水平段自断层下盘进入预设位置，沿巷道中心线向巷道停掘位置方向分段钻进查治。单孔注浆查治范围预计10～20m范围。
2、检验加固
根据巷道查治施工情况，检验治理效果。若巷道查治孔注浆量小、浆液扩散距离较小，需设计3个机动分支孔对巷道顶部距巷道中心线10m处进行注浆加固。检查孔孔轨迹与3个巷道孔平行，即将3个巷道分支孔向上平移10m，对巷道顶板进行综合治理；若巷道治理孔注浆量大、浆液扩散距离大，調整机动孔位置，减少检查孔数量。
3 综合治理工程设计
3.1 钻探工程设计
3.1.1钻孔布置
设计S1孔组顺巷道水平孔组3个巷道治理支孔。分别为S1-1（回风巷）、S1-2（皮带巷）、S1-3（轨道巷）。另机动孔位于巷道上方，根据治理情况而定，暂编号为S1-1-1（回风巷）、S1-2-1（皮带巷）、S1-3-1（轨道巷）。钻孔轨迹平面布置下见图3-。
3.2 注浆工程设计
3.2.1 注浆方法
采用孔口密闭止浆、静压分序分段下行式注浆法。要求从治理段按单位注浆段长依次分段钻进、注浆，上一段未达到注浆结束标准，不得进行下一段施工。注浆单位段必须根据具体情况临时调整。只要未达到注浆结束标准，每次注浆前后均须压水，若压不进水，则下钻具进行透、扫钻孔至孔底，以便下次再注。
3.2.2 注浆材料
水泥采用P.O.42.5普通/复合硅酸盐早强水泥，其质量应符合国家GB175-92标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其SO4-2含量应<1%，PH应>4。预计注浆量：5000吨。
3.2.3 施工工艺
注浆使用具有国内先进水平自动化程度高、劳动强度低、污染小的搅拌系统，可连续制浆和注浆。采用中低流量高压聚能泵（20～120L/min，耐压20～30MPa）注入孔内，整个系统由供电、供水、供储灰、制浆、注浆、输浆、止浆等7个部分，注浆以水泥单液浆为主。 4 工程实施情况
根据断层注浆量较小的情况，本工程共实施1个钻孔单元，累计施工4个钻孔，3个分支孔和1个验证钻孔，机动孔未施工。
4.1钻探工程
工程历时3个月共完成4个分支孔，累计钻探进尺2421m，其中，一开进尺295.66m，下入244.5mm×8.94mm套管295.3m；二开进尺516.34m，下入177.8mm×8.05mm套管811.8m；三开进尺1609m，沿巷道治理区段钻进段长587m其中S1-1孔钻进段长157m，S1-2孔钻进段长156m，S1-3孔钻进段长174m，S1-1-1孔钻进段长100m。
4.2 注浆工程
4个分支孔采取分段注浆，累计沿巷道治理区段钻进段长587m，累计注水泥1858t。其中S1-1注水泥838 t，S1-2注水泥306 t，S1-3注水泥699 t S1-1-1注水泥15t。
5 治理效果
1、本工程是淮北矿业集团首次试验性地采用地面水平定向孔高壓注浆技术解决超前掩护巷道过大型断层的问题，推广价值高，安全效益显著。
2、根据钻探录井记录及简易水文观测结果，表明治理区域裂隙发育程度地，无水源补给通道，消除了潜在水害威胁。
3、通过地面高压注浆，三条大巷穿断层破碎带围岩得到了充分充填加固，为巷道穿越断层的支护创造了有利条件。
6 结束语
综合治理工程基本达到预期效果，但工程实施过程中仍有些问题需要解决。
1、S1钻孔单元注浆期间，S1-3孔第二段、S1-3孔第三段和S1-2孔第一段钻进过程中，都出现不同程度的孔内返水情况，总返出水量约276m3，最大单位时间返出量达到10m3/h。主要是由于高压注浆浆液压力沿地层原生裂隙及构造裂隙发育方向扩散；另由于局部构造作用，成为力的卸载通道，在岩石力学薄弱区域形成卸载点，在后续施工治理东翼皮带大巷的S1-2孔钻探工程时，孔内出现大量返水情况，表明两侧先行施工的S1-1孔以及S1-3孔高压注浆产生的压力传导至中间的东翼皮带大巷周围，在S1-2孔钻探施工过程中再次揭露该处地层裂隙，使得应力释放，水泥浆液析出水分从孔口返出。注浆水在井下巷道施工过程中存在次生水害影响，因此必须在巷道恢复掘进施工前采用物探超前探测和钻探验证相结合的方法循环探查验证，掩护巷道施工安全。
2、根据井下巷道实揭情况，局部见注浆水泥痕迹，但未见到钻孔及验证钻孔，说明定向钻孔的施工精度仍存在较大误差。建议对定向设备仪器定期检校以及对当地的磁偏角的校正。
3、实际注浆量与设计注量相差较大，注浆设计时要根据大型断层的导富水性以及断层断开的煤系地层的岩层情况合理设计浆液比重和注浆压力。
（作者单位：淮北矿业股份有限公司袁店一井煤矿）
关键词：定向钻探；大型断层；高压注浆
1 地质概况
1.1治理区地质概况
袁店一井煤矿东翼大巷（东翼轨道大巷、东翼回风大巷、东翼运输大巷）位于矿井东部，由原东翼三条大巷生根至矿井边界附近，顺矿井边界穿aF1断层∠60～70°H=260～310m和五沟杨柳断层∠65～75°H=140～325m，5‰上山施工。大巷外段（方位N50°）施工层位位于32煤顶板约78～145m，里段（方位N114°）施工层位变化较大，aF1断层前位于32煤顶板约170m，aF1断层后位于32煤底板约125m，局部受断层影响将揭露32煤，穿五沟杨柳断层后层位位于10煤顶板约10m。东翼轨道大巷标高-740.5m～-723.6m，长约3377m，东翼回风大巷标高-740.5m～-710.6m，长约3481m，东翼运输大巷标高-740.5m～-722.2m，长约3446m。东翼大巷施工期间主要受煤层顶底板砂岩裂隙水和断层水影响。其中aF1和五沟杨柳断层为大型断层，落差较大，掘进施工期间影响较大。据2017-D5孔对aF1断层破碎带抽水试验资料：q=0.00016L/（s.m），k=0.000198m/d，富水性弱。103采区大巷穿aF1断层期间也无水文地质异常，由此说明aF1断层富水性弱、导水性差。
2 东翼大巷穿aF1断层综合治理方案
2.1 巷道穿aF1断层情况分析
aF1断层为正断层，倾角约60～70°，落差260～310m，断层面较为破碎。巷道穿断层时可能出现地应力大、顶板垮落、巷道支护困难、水害隐患等工程及水文地质问题。需对aF1断层进行综合工程治理。以保障后期巷道的安全掘进。东翼回风、皮带、轨道大巷设计穿过aF1断层，自断层上盘向断层下盘掘进，平面位置见图2-。目前，东翼回风巷已经掘进至H18点前32.5m，预计距离aF1断层面约113m。
三条巷道空间位置布置及施工现状，见图2-、图2-。简述如下：
回风大巷：该巷道在断层影响范围内是平巷，底板标高为-723.51m～-721.95m，坡度为5‰。掘进至距离断层113m处，已停止掘进；
皮带大巷：该巷道在断层影响范围内为下山，下坡15°施工150m后变平按5‰下坡施工，底板标高在-735m～-695m之间，现未掘进至断层区域；
轨道大巷：该巷道在断层影响范围内是平巷，底板标高为-736.19m～-735.363m，坡度为5‰，巷道施工至距断层面150m停止掘进。
2.2 治理方案
根据井下巷道情况及地面钻机施工能力，合理设计技术方案，施工地面定向顺层钻孔精确进入巷道位置沿巷道中心钻进，超前探查治理区段潜在水害威胁，并进行高压注浆加固，通过分段“探注结合”施工，有效加固治理区段的断层裂隙。通过高压注浆将周围构造裂隙充填压密，对断层带围岩进行注浆改性，为巷道穿越断层带支护创造条件，从而达到超前掩护巷道掘进的目标。
2.2.1 治理范围
东翼三条巷道平行布置，间距为40m，回风巷道已掘进至距离断层面约120m。断层治理需进行高压注浆，必须保证60m的注浆安全距离。因此，断层上盘回风、皮带巷查治范围自巷道停掘位置延伸60m起，距离断层面约60m；因断层位置可能不准，下盘控制距离约100～120m。总治理区段160～180m。
2.2.2 查治方案
1、巷道查治
设计1组地面水平孔3个支孔分别分序次控制三条巷道治理区段。钻孔水平段自断层下盘进入预设位置，沿巷道中心线向巷道停掘位置方向分段钻进查治。单孔注浆查治范围预计10～20m范围。
2、检验加固
根据巷道查治施工情况，检验治理效果。若巷道查治孔注浆量小、浆液扩散距离较小，需设计3个机动分支孔对巷道顶部距巷道中心线10m处进行注浆加固。检查孔孔轨迹与3个巷道孔平行，即将3个巷道分支孔向上平移10m，对巷道顶板进行综合治理；若巷道治理孔注浆量大、浆液扩散距离大，調整机动孔位置，减少检查孔数量。
3 综合治理工程设计
3.1 钻探工程设计
3.1.1钻孔布置
设计S1孔组顺巷道水平孔组3个巷道治理支孔。分别为S1-1（回风巷）、S1-2（皮带巷）、S1-3（轨道巷）。另机动孔位于巷道上方，根据治理情况而定，暂编号为S1-1-1（回风巷）、S1-2-1（皮带巷）、S1-3-1（轨道巷）。钻孔轨迹平面布置下见图3-。
3.2 注浆工程设计
3.2.1 注浆方法
采用孔口密闭止浆、静压分序分段下行式注浆法。要求从治理段按单位注浆段长依次分段钻进、注浆，上一段未达到注浆结束标准，不得进行下一段施工。注浆单位段必须根据具体情况临时调整。只要未达到注浆结束标准，每次注浆前后均须压水，若压不进水，则下钻具进行透、扫钻孔至孔底，以便下次再注。
3.2.2 注浆材料
水泥采用P.O.42.5普通/复合硅酸盐早强水泥，其质量应符合国家GB175-92标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其SO4-2含量应<1%，PH应>4。预计注浆量：5000吨。
3.2.3 施工工艺
注浆使用具有国内先进水平自动化程度高、劳动强度低、污染小的搅拌系统，可连续制浆和注浆。采用中低流量高压聚能泵（20～120L/min，耐压20～30MPa）注入孔内，整个系统由供电、供水、供储灰、制浆、注浆、输浆、止浆等7个部分，注浆以水泥单液浆为主。 4 工程实施情况
根据断层注浆量较小的情况，本工程共实施1个钻孔单元，累计施工4个钻孔，3个分支孔和1个验证钻孔，机动孔未施工。
4.1钻探工程
工程历时3个月共完成4个分支孔，累计钻探进尺2421m，其中，一开进尺295.66m，下入244.5mm×8.94mm套管295.3m；二开进尺516.34m，下入177.8mm×8.05mm套管811.8m；三开进尺1609m，沿巷道治理区段钻进段长587m其中S1-1孔钻进段长157m，S1-2孔钻进段长156m，S1-3孔钻进段长174m，S1-1-1孔钻进段长100m。
4.2 注浆工程
4个分支孔采取分段注浆，累计沿巷道治理区段钻进段长587m，累计注水泥1858t。其中S1-1注水泥838 t，S1-2注水泥306 t，S1-3注水泥699 t S1-1-1注水泥15t。
5 治理效果
1、本工程是淮北矿业集团首次试验性地采用地面水平定向孔高壓注浆技术解决超前掩护巷道过大型断层的问题，推广价值高，安全效益显著。
2、根据钻探录井记录及简易水文观测结果，表明治理区域裂隙发育程度地，无水源补给通道，消除了潜在水害威胁。
3、通过地面高压注浆，三条大巷穿断层破碎带围岩得到了充分充填加固，为巷道穿越断层的支护创造了有利条件。
6 结束语
综合治理工程基本达到预期效果，但工程实施过程中仍有些问题需要解决。
1、S1钻孔单元注浆期间，S1-3孔第二段、S1-3孔第三段和S1-2孔第一段钻进过程中，都出现不同程度的孔内返水情况，总返出水量约276m3，最大单位时间返出量达到10m3/h。主要是由于高压注浆浆液压力沿地层原生裂隙及构造裂隙发育方向扩散；另由于局部构造作用，成为力的卸载通道，在岩石力学薄弱区域形成卸载点，在后续施工治理东翼皮带大巷的S1-2孔钻探工程时，孔内出现大量返水情况，表明两侧先行施工的S1-1孔以及S1-3孔高压注浆产生的压力传导至中间的东翼皮带大巷周围，在S1-2孔钻探施工过程中再次揭露该处地层裂隙，使得应力释放，水泥浆液析出水分从孔口返出。注浆水在井下巷道施工过程中存在次生水害影响，因此必须在巷道恢复掘进施工前采用物探超前探测和钻探验证相结合的方法循环探查验证，掩护巷道施工安全。
2、根据井下巷道实揭情况，局部见注浆水泥痕迹，但未见到钻孔及验证钻孔，说明定向钻孔的施工精度仍存在较大误差。建议对定向设备仪器定期检校以及对当地的磁偏角的校正。
3、实际注浆量与设计注量相差较大，注浆设计时要根据大型断层的导富水性以及断层断开的煤系地层的岩层情况合理设计浆液比重和注浆压力。
（作者单位：淮北矿业股份有限公司袁店一井煤矿）