“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗(yàn)研究

韓貴雷

（華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊，050021）

礦山帷幕注漿技術(shù)能夠有效解決保護(hù)區(qū)域地下水環(huán)境與安全開(kāi)采礦產(chǎn)資源之間的矛盾，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)礦山主要的水患治理手段。伴隨著國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源深度開(kāi)發(fā)的黃金十年，采用帷幕注漿技術(shù)成功治理礦山地下水患的礦山實(shí)例越來(lái)越多，傳統(tǒng)的礦山帷幕技術(shù)發(fā)展日趨成熟［1-2］。2015年出版的《礦山帷幕注漿規(guī)范》（DZ/T 0285—2015）更是對(duì)傳統(tǒng)礦山帷幕注漿技術(shù)的進(jìn)一步總結(jié)和提高，其主要應(yīng)用條件：采用8～12 m鉆孔孔距地表施工、單液水泥漿注漿的低壓力（孔內(nèi)控制壓力2倍靜水壓力）帷幕注漿工程，其主要施工設(shè)備多采用XY-4系列鉆機(jī)［3-6］。但是，目前礦山資源開(kāi)采強(qiáng)度進(jìn)一步加大，開(kāi)采難度進(jìn)一步提高，出現(xiàn)了深埋礦體和井巷工程內(nèi)施工等特殊條件下帷幕注漿工程，此種條件下的帷幕注漿工程技術(shù)要求更高，施工難度更大。

云南某水患礦山帷幕注漿試驗(yàn)工程是具有上述特殊條件的典型帷幕注漿工程，華北有色工程勘察院有限公司依托該項(xiàng)目開(kāi)展了“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗(yàn)研究，該研究項(xiàng)目的成功實(shí)施成為了“深埋礦體井巷內(nèi)施工”的首例改性黏土礦體帷幕注漿工程。其主要特點(diǎn)：深埋礦體巷道內(nèi)施工環(huán)境下，采用大鉆孔孔距以及改性黏土注漿材料，在高注漿壓力條件下實(shí)現(xiàn)構(gòu)造導(dǎo)水地質(zhì)環(huán)境條件下滲流含水層注漿。該項(xiàng)目的研究成果不僅為該礦山水患治理提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)類似條件礦山帷幕注漿工程提供了借鑒。

1 工程背景

該水患礦山位于云南省東北部，屬昭通市管轄，該礦為一儲(chǔ)量大、品位高、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的大型金屬礦，礦區(qū)以洛澤河為界分為河?xùn)|與河西2個(gè)采區(qū)，未采礦體均處于最低侵蝕基準(zhǔn)面之下。目前礦山采用強(qiáng)排水降壓疏干方式確保生產(chǎn)安全。隨著礦山開(kāi)采中段延深，礦體圍巖水頭壓力、礦坑涌水量明顯增大，不僅惡化井下作業(yè)環(huán)境，而且易造成安全隱患。井下水患已成為制約礦床開(kāi)發(fā)的主要因素及重大安全隱患。

1.1 礦區(qū)水患特征

受區(qū)域地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形、地貌及水文氣象等諸多因素的綜合制約，礦山井巷掘進(jìn)及探礦孔施工過(guò)程中揭露的水患特點(diǎn)及其治理難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）礦區(qū)含水層透水性、富水性在垂向上表現(xiàn)為上強(qiáng)中弱下強(qiáng)，中部弱含水層（相對(duì)隔水層）厚度大，在揭露下層含水層時(shí)具有高承壓特點(diǎn)。

（2）該礦區(qū)經(jīng)受多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，含水層具有節(jié)理發(fā)育、巖體破碎、透水性弱等特點(diǎn)，除局部發(fā)育較明顯斷裂破碎帶導(dǎo)水以外，含水層滲流空間以低張開(kāi)度裂隙為主。

（3）井巷施工揭露的含水層涌水多為孔隙—微細(xì)裂隙性滲漏，單點(diǎn)水量小，部分出水層段明顯表現(xiàn)為孔隙性滲水特點(diǎn)，但出水點(diǎn)較多，加之局部構(gòu)造破碎帶涌水，總體水量較大。

（4）礦坑整體涌水量大，最深開(kāi)采水平下，豐水期礦坑涌水量可達(dá)6萬(wàn)m3/d。

1.2 以往治水經(jīng)歷

為徹底解決礦山水患，礦山于2013年進(jìn)行了帷幕注漿試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，共計(jì)施工7個(gè)鉆孔，工作量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

上述資料表明：2013年注漿試驗(yàn)施工過(guò)程注漿孔單位注漿量0.37 m3/m，單位注灰量0.15 t/m?？傮w注漿量偏小。注漿量統(tǒng)計(jì)表表明：鉆孔各孔序單位注漿量及單位注灰量未表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢(shì)，反映出漿液擴(kuò)散半徑較小，鉆孔間漿液未有效搭接進(jìn)而形成連續(xù)性堵水帷幕（根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，注漿效果較好的工程實(shí)例，各孔序單位注漿量及注灰量往往遞減效果明顯，一般Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔單位注漿量成2-n關(guān)系遞減）［1、5-8］。

綜合上述數(shù)據(jù)資料，礦山第一次帷幕注漿試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期目的，鑒于此，需要重新開(kāi)展治水研究工作，并先期開(kāi)展試驗(yàn)工程。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)施工參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件及礦山水患特征，結(jié)合礦山實(shí)施的第一次帷幕注漿試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及礦山實(shí)際情況，經(jīng)分析認(rèn)為：礦山整體防治水必須在成功試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展，即礦山需要進(jìn)行再次試驗(yàn)，再次試驗(yàn)需要在如下方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）礦山地層裂隙發(fā)育以高角度裂隙為主，見(jiàn)圖2，針對(duì)該特點(diǎn)帷幕注漿試驗(yàn)鉆探施工應(yīng)提高地層高角度裂隙揭露概率，增大漿液擴(kuò)散范圍。

（2）針對(duì)礦山巷道施工環(huán)境，試驗(yàn)應(yīng)能夠增大鉆孔孔距，減少巷道施工鉆窩數(shù)量，提高巷道整體穩(wěn)定性。

（3）針對(duì)巷道施工條件、漿液輸送距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，需要試驗(yàn)研究新型注漿材料，用以提高漿液穩(wěn)定性。

（4）針對(duì)地層透水性相對(duì)較弱特點(diǎn)，需要采用新型注漿材料，以提高漿液的擴(kuò)散范圍。

圖1為礦區(qū)內(nèi)地層傾角發(fā)育特征。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 試驗(yàn)段選擇

根據(jù)以往帷幕軸線水文地質(zhì)勘察成果資料，擬建帷幕線地層的透水性極不均一，透水率最大達(dá)到7～10 Lu，而在透水性弱的地段則小于1 Lu。帷幕注漿試驗(yàn)段選取原則：試驗(yàn)段地層透水性可反映整個(gè)帷幕線水文地質(zhì)特點(diǎn)，根據(jù)不同透水性地層特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，為整體帷幕的注漿材料及工藝的選擇和相關(guān)注漿參數(shù)的確定提供依據(jù)。依據(jù)以上原則，本帷幕試驗(yàn)段工程布置在DK05鉆孔附近，試驗(yàn)段長(zhǎng)60 m。圖2為試驗(yàn)段地層條件。

2.2.2 鉆孔布置

依據(jù)帷幕線一帶地層裂隙發(fā)育特點(diǎn)，含水裂隙多以30°～60°的層面溶蝕裂隙以主，裂隙沿層面方向連通性較好，垂直于層面方向連通性稍差。為使?jié){液在垂直于層面方向增大擴(kuò)散范圍，且注漿孔間形成連續(xù)的帷幕體，注漿孔應(yīng)盡可能多地穿過(guò)層面裂隙，以達(dá)到較好的堵水效果。認(rèn)為采用“魚刺”型分支孔可增大含水裂隙的揭露率。

“魚刺”型注漿孔采用單排等距的方式布置在901 m巷道內(nèi)，布置注漿試驗(yàn)孔3個(gè)，檢查孔2個(gè)，主垂直孔距初步確定為30 m，分支孔分支角度30°，分支距離40 m，分支孔間距25～30 m。圖3為“魚刺型”鉆孔布置形式。

2.2.3 其他技術(shù)參數(shù)

（1）根據(jù)水文地質(zhì)條件，帷幕頂板設(shè)置在+850 m標(biāo)高，帷幕底板進(jìn)入隔水層10 m。

（2）注漿壓力：2～3倍靜水壓力。

（3）注漿段高：主垂直孔30 m，分支孔一次成孔。

（4）帷幕體設(shè)計(jì)厚度10 m，透水性率不大于1 Lu。

2.3 試驗(yàn)施工情況

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，本次試?yàn)主要是對(duì)注漿材料、鉆探工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.3.1 注漿材料研究

注漿材料研究步驟主要有：注漿材料調(diào)查、注漿原材料物理實(shí)驗(yàn)、注漿漿液基漿物理測(cè)試、注漿混合漿液適配實(shí)驗(yàn)、確定漿液配比單等過(guò)程。

根據(jù)試驗(yàn)要求，在礦區(qū)50 km范圍內(nèi)對(duì)潛在注漿材料進(jìn)行廣泛調(diào)查，主要包括煤泥、黏土、風(fēng)化泥巖等材料。在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)潛在注漿材料進(jìn)行原材料物理測(cè)試，判定其是否能夠滿足配漿技術(shù)要求，表2為部分材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，3種試驗(yàn)黏粒含量及塑性指數(shù)均滿足配漿需求，可進(jìn)行后期配漿試驗(yàn)。

在確定黏土原材料的基礎(chǔ)上，對(duì)其混合漿液性能進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括漿液凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、結(jié)實(shí)率、塑性黏度、塑性強(qiáng)度等指標(biāo)。試驗(yàn)基漿選取1.05、1.10、1.15 g/cm33個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，水泥選定為50、75、100、125、150、175、200、250 kg/m3。由于本次試驗(yàn)以漿液擴(kuò)散半徑盡量大為原則，因此水玻璃一律均按水泥添加量的3%選擇。部分試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

漿液的初凝時(shí)間是影響漿液在地層中擴(kuò)散的重要指標(biāo)，試驗(yàn)中測(cè)試混合漿液的塑性強(qiáng)度值來(lái)評(píng)定其初凝時(shí)間，圖4為漿液塑性強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律，圖中可以看出漿液塑性強(qiáng)度的增長(zhǎng)大體可以分為2個(gè)階段:在第一階段為塑強(qiáng)增長(zhǎng)緩慢階段，第二階段為塑強(qiáng)增長(zhǎng)速度加快階段。在第一階段漿液仍處于液態(tài)狀況，還保持良好的觸變特征；第二階段漿液開(kāi)始凝膠，漿液的塑性強(qiáng)度急劇增高，漿液與裂隙面的黏著網(wǎng)絡(luò)基本形成，并具備了相當(dāng)?shù)酿ぶ鴱?qiáng)度。

注漿材料研究方面經(jīng)過(guò)注漿材料調(diào)查、注漿原材料物理實(shí)驗(yàn)、混合漿液適配實(shí)驗(yàn)及初步工業(yè)試驗(yàn)最終確定了適合本工程的漿液配比，配比單見(jiàn)表3。

2.3.2 鉆探工藝研究

根據(jù)本工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)需要采用“魚刺”型注漿鉆孔，為滿足工程需要，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了“魚刺”型鉆孔鉆探工藝研究。針對(duì)分支孔施工，設(shè)計(jì)了專門的施工器具，包括柔性鉆桿、螺桿鉆具、導(dǎo)向套及內(nèi)含柔性鉆桿、造斜鉆頭與穩(wěn)斜鉆頭、測(cè)斜儀器及導(dǎo)斜器6個(gè)部分，鑒于篇幅限制僅以柔性鉆桿給予說(shuō)明，圖5為柔性鉆桿形態(tài)。

柔性鉆桿是造斜段鉆進(jìn)工器具的主要組成部分，其作用是傳遞扭矩、傳遞鉆壓。柔性鉆桿在抗拉強(qiáng)度和中空沖洗液通道等方面雖然與普通鉆桿一致，但由于分支孔造斜段曲率半徑僅為小于5 m的彎曲孔段，普通鉆桿不能穿過(guò)彎曲孔段，因此需要柔性鉆桿具有自身能夠進(jìn)行任意徑向方向的自由彎曲，用于抵抗彎曲孔段對(duì)鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)形成的強(qiáng)烈撓曲運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的疲勞損壞的性質(zhì)。

由于要求柔性鉆桿自身具有在不受徑向外力的作用下能夠形成規(guī)定曲率的彎曲狀態(tài)的特性，首先需要對(duì)柔性鉆桿的曲率半徑進(jìn)行計(jì)算：

式中，R為鉆桿曲率半徑，m；L為柔性鉆桿單節(jié)長(zhǎng)度，m；θ為單節(jié)彎曲度數(shù)，（°）。

由上式可知，柔性鉆桿的曲率半徑（彎曲強(qiáng)度）由柔性鉆桿的單節(jié)長(zhǎng)度和單節(jié)彎曲度數(shù)2個(gè)參數(shù)確定。

鉆探施工方面，“魚刺形”空間結(jié)構(gòu)鉆孔施工。根據(jù)分支孔與主孔施工的上下順序可分為下行式分支孔施工和上行式分支孔施工2種施工方法。圖8為下行式分支施工工序，上行式分支孔施工工序不作詳細(xì)介紹。

3 試驗(yàn)成果評(píng)價(jià)

本工程累計(jì)完成主孔鉆探2 400 m（主孔3個(gè)，檢查孔2個(gè)），分支孔43個(gè)，分支孔鉆探1 500 m，所有分支孔曲率半徑均小于5 m，分支角度大于30°，方位角偏差小于±10°。表4為分支孔測(cè)試結(jié)果。

在完成上述鉆探工作的基礎(chǔ)上完成改性黏土漿注漿660 m3，為設(shè)計(jì)注漿量1.5倍，漿液擴(kuò)散范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外，由于該試驗(yàn)段長(zhǎng)度只有60 m，該試驗(yàn)段的堵水帷幕不足以引起礦坑水的變化，因此，實(shí)施過(guò)程中采用了資料分析、檢查孔施工、物探測(cè)試等手段用于評(píng)價(jià)該試驗(yàn)段的堵水效果。檢查孔施工過(guò)程中壓水段最大值為0.75 Lu，其中96.4%分布在0.5 Lu以下，所有壓水段均小于1 Lu，表明試驗(yàn)段帷幕體的連續(xù)性良好。資料分析采用了疊加效應(yīng)的分析方法，疊加效應(yīng)是指通過(guò)前序孔的注漿影響到了后序孔的注漿量（或地層透水性），注漿量（或地層透水性）一般呈現(xiàn)出后序孔小于前序孔的趨勢(shì)［9-10］。該試驗(yàn)段注漿量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔疊加效應(yīng)非常明顯，同時(shí)與行業(yè)內(nèi)成功案例的疊加效應(yīng)具有一致性，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，工程注漿效果比較理想。

備注：造斜點(diǎn)埋深280 m，設(shè)計(jì)方位角90°，反扭角29°。

4 結(jié)論

（1）云南某水患礦山通過(guò)實(shí)施“魚刺型”鉆探工藝和改性黏土漿注漿工藝研究取得理想堵水效果，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量1.5倍，符合行業(yè)內(nèi)堵水率要求。

（2）“魚刺型”分支孔曲率半徑均小于5 m，分支角度大于30°，方位角偏差小于±10°試驗(yàn)獲得成功，在揭露地層直至裂隙、擴(kuò)大鉆孔和鉆窩間距方面具有明顯優(yōu)勢(shì)和重要作用。

（3）改性黏土漿新型注漿材料可以明顯提高漿液穩(wěn)定性，針對(duì)透水性相對(duì)較弱地層和長(zhǎng)距離輸送施工條件，可以明顯提高漿液的擴(kuò)散范圍。