礦山充填孔注漿工藝的研究和應(yīng)用

陳曉勇

（湖南省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，湖南 郴州 423000）

1 礦山充填系統(tǒng)研究和應(yīng)用背景

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科技水平日益提高，數(shù)據(jù)研究顯示，我國各類工業(yè)固體廢料累積儲存量近100 億t，其中金屬礦山存儲的尾礦最多，尾礦中還有多種有害物質(zhì)，會對大氣、水體造成不同程度的污染，破壞生態(tài)平衡，應(yīng)用充填采礦法在很大程度上解決了以上難題。近年來充填采礦法的許多復(fù)雜工藝也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動化，運(yùn)用更加方便，充填采礦法的應(yīng)用價值日益凸顯，也越來越受人們青睞。

充填鉆孔是充填采礦法中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，同時也是決定整個充填系統(tǒng)使用壽命的關(guān)鍵。通過對充填系統(tǒng)使用壽命的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響其壽命的因素之一就是充填直管的固井效果。在充填鉆孔施工過程中，為了在規(guī)定的時間段內(nèi)，達(dá)到充填直管固井的高標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要根據(jù)不同的施工區(qū)域?qū)ψ{固井工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇，以便高效、保質(zhì)保量地完成施工任務(wù)。

2 充填孔施工中注漿工藝種類的研究

在礦山充填孔施工過程中，每個礦山所鉆遇的地層以及富水情況都會有很大的差異。因此，我們在成孔下管后選擇注漿的方法就顯得尤為重要，注漿工藝的選擇決定了該充填孔注漿效果的好壞，同時也決定這充填孔日后的使用壽命，所以要選擇最合適的注漿方式。

2.1 地表淋濾注漿

該類型的注漿方式針對的地層比較簡單，礦方設(shè)計(jì)施工順序必須在充填孔的施工前聯(lián)系巷道施工之前的礦山施工工程。施工成孔后孔內(nèi)為干孔或者含水量很少，孔壁比較完整，下完充填直管后，孔內(nèi)環(huán)狀間隙較大，設(shè)計(jì)孔深在400 m左右最合適，這樣才能確保水泥漿液在自流的過程中能夠比較流暢的到達(dá)孔底，孔內(nèi)注漿度密實(shí)，直至孔口溢流出水泥漿液后才能確認(rèn)第一次注漿結(jié)束。8 h～12 h后再進(jìn)行孔口二次補(bǔ)注漿，然后，就可以宣布該孔注漿完成。

2.2 孔內(nèi)正循環(huán)注漿

一般采用正循環(huán)注漿都是地層富水的施工區(qū)域，而且施工順序是先進(jìn)行充填孔施工，后施工地下聯(lián)系巷道的施工工序。充填孔施工成孔后，孔內(nèi)全孔積水無法排出，如果采用地表淋濾注漿會嚴(yán)重影響充填管道的固結(jié)質(zhì)量，因此只能選擇孔內(nèi)正循環(huán)注漿的方式，使水泥漿液由孔底至下而上的注入，把孔內(nèi)清水通過泵入水泥漿置換出來，直到孔口溢流出純水泥漿后才能停止第一次注漿。8 h～12 h后，考慮到孔內(nèi)積水情況，應(yīng)調(diào)制較稠的水泥漿液采用孔口淋濾注的方式進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，當(dāng)孔口溢流出純水泥漿后停止注漿，并進(jìn)行充填直管孔口處的圓鋼盤的加筋處理。

孔內(nèi)正循環(huán)注漿主要有以下2種形式：1）跟管正循環(huán)注漿。跟管正循環(huán)注漿的方式是在充填直管焊接的過程中，需要把事先準(zhǔn)備好的注漿管分別焊接在充填直管的兩側(cè)如圖1所示。注漿管型號的選擇需要根據(jù)充填孔環(huán)狀間隙大小進(jìn)行選擇確定，為確保注漿過程中水泥漿的順暢到底，又不影響下管順利進(jìn)行，施工人員需要盡可能地選擇型號稍微偏大的注漿管進(jìn)行注漿。 2）逆止閥正循環(huán)注漿。逆止閥正循環(huán)注漿的方式是在下充填直管之前，將加工好的逆止閥牢固焊接在下入孔底的充填直管下端。充填直管全部下入孔內(nèi)后，完成注漿管路的連接，最后開泵注漿。

圖1 注漿管焊接

在注漿過程中有3 個特別注意事項(xiàng)：1）逆止閥加工焊接在充填管底部時一定得有保護(hù)裝置，以免在下管的時候，逆止閥被損壞。2）逆止閥上部與Φ60mm鉆桿的接口一定是反絲，便于注漿完成后鉆桿的安全脫扣操作。3）φ60mm鉆桿安全脫扣后及時用清水沖洗管內(nèi)殘留水泥漿，使鉆桿和充填管管內(nèi)保持干凈。

以上2種正循環(huán)注漿的方式在應(yīng)用的過程中，需要根據(jù)施工充填孔的具體情況進(jìn)行科學(xué)合理的選擇運(yùn)用，才能達(dá)到理想的效果。

跟管正循環(huán)注漿使用簡單方便，但是孔深控制在200 m左右最佳，在運(yùn)用的過程中有堵管和炸管的風(fēng)險(xiǎn)，因此不是常用的注漿方法。

逆止閥正循環(huán)注漿的方法是常用的一種注漿方式，它的優(yōu)勢凸顯，在實(shí)際施工的運(yùn)用中，一般孔深超過200 m后，孔壁不夠完整，在注漿的過程中需要加壓的注漿都會采用這種注漿方式。采用這種形式注漿，能夠確?？變?nèi)環(huán)狀間隙注漿密實(shí)，大大提高了注漿的質(zhì)量。因此這種注漿方式是值得提倡運(yùn)用的一種注漿方式之一。該方式所存在的缺點(diǎn)就是需要配備2套鉆桿，增加了運(yùn)輸成本和搬家的勞動強(qiáng)度，同時逆止閥及保護(hù)裝置的加工程序比較復(fù)雜，注漿管底部反絲對接時存在一定的脫扣風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 孔底反向注漿

當(dāng)?shù)V山充填孔施工設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行巷道掘徑后再進(jìn)行充填孔施工的項(xiàng)目中，就需要用到孔底反向注漿工藝。

孔底反向注漿工藝主要為后續(xù)的孔內(nèi)注漿固管奠定基礎(chǔ)。反向注漿的高低，取決于充填孔的深淺，為確保在充填孔注漿過程中不出現(xiàn)漏底的情況，我們盡量保證反向注漿的深度不低于2 m。

反向注漿工藝在具體施工中，是比前面幾種注漿方式更復(fù)雜的一道注漿方法，其要求巷道硐室頂板需要平整；遇到富水地層，在止水管的制作上工序就特別復(fù)雜；而且必須在巷道中施工，施工環(huán)境比較惡劣，施工設(shè)備搬運(yùn)困難。

3 注漿工藝在充填孔施工中的應(yīng)用

各種類型的注漿工藝在礦山充填孔中的合理選擇和運(yùn)用既能提高充填孔的施工質(zhì)量，同時也可以使施工效率事半功倍。

3.1 孔底反向注漿和地表淋濾注漿的結(jié)合運(yùn)用

在礦山充填系統(tǒng)充填孔施工中，礦方采購的充填直管是內(nèi)襯陶瓷的復(fù)合管，在進(jìn)行爆破的時候，充填直管有被破壞的可能性。因此在工程設(shè)計(jì)階段，會將聯(lián)系巷道和硐室放在前面施工，而后再將充填孔精準(zhǔn)打入硐室中，這種形式的施工順序，在進(jìn)行充填孔注漿的時候就需要選擇孔底反向注漿和地表淋濾注漿或者孔內(nèi)正循環(huán)注漿相結(jié)合的注漿工藝才能完成該道程序的施工[1]。

下面結(jié)合紹興銅都礦業(yè)有限公司充填系統(tǒng)工程施工，淺談多種注漿工藝如何在充填系統(tǒng)中合理結(jié)合運(yùn)用。

3.1.1 工程概況

紹興銅都礦業(yè)有限公司充填系統(tǒng)充填孔施工工程位于浙江紹興平水鎮(zhèn)原銅礦內(nèi)。由《紹興銅都礦業(yè)有限公司充填材料試驗(yàn)研究及充填系統(tǒng)研究開發(fā)工程巖土工程勘察報(bào)告》顯示，該場地地層巖性依次為素填土、含礫砂粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r及中等風(fēng)化凝灰?guī)r。

3.1.2 工作內(nèi)容及技術(shù)要求

3.1.2.1 工作內(nèi)容

根據(jù)充填孔施工設(shè)計(jì)，施工中完成充填鉆孔完井施工，井深420.30 m，一開下入Φ240 mm技術(shù)套管，二開下入Φ133 mm充填復(fù)合管，固井等內(nèi)容。

3.1.2.2 技術(shù)要求

孔斜要求1%，該井井底位移不超過4 m（提供井底坐標(biāo)）；依據(jù)礦方提供的鉆孔坐標(biāo)，一開采用Φ260 mm口徑鉆具鉆進(jìn)至基巖以下4 m左右（根據(jù)實(shí)際鉆孔地層調(diào)整），并下入Φ240 mm套管至一開井底、固井、水泥漿返至地面；根據(jù)地層情況，二開采用Φ219.5 mm口徑的鉆具鉆進(jìn)至井深420.30 m，下入Φ133 mm充填復(fù)合直管，選用G級800中抗油井水泥或42.5級水泥漿固井，水泥漿返至地面。

3.1.3 注漿方式的選擇及運(yùn)用

該項(xiàng)目經(jīng)歷了30 d左右的時間，準(zhǔn)確的將充填孔與硐室對接。下入充填復(fù)合管后進(jìn)行注漿固管施工。該項(xiàng)目是先地下施工后地上施工的順序，天然底已經(jīng)被貫通,如圖2（a）所示。充填孔成孔后進(jìn)行注漿的時候首先得筑人工底，在進(jìn)行人工底設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，需要根據(jù)施工地層的富水情況來制作止水管。該項(xiàng)目地下水較豐富，在制作止水管時得先進(jìn)行水量估測，然后再制作帶多個排水口的止水管。

止水管的制作和安裝：聯(lián)絡(luò)巷與鉆孔貫通后，陶瓷復(fù)合管底部套入Φ200mm×6mm套管，長度1.7 m，底部封口（留出排水孔），該套管頂端環(huán)狀鋼板與鉆孔巖石之間放入防漏材料（止水棉紗），并固定于巷道內(nèi)。Φ200 mm套管側(cè)面焊接一根6分0.3 m的注漿管（帶閥門），3根不同方向的6分0.2 m的排水管（帶閥門），Φ200 mm套管內(nèi)焊接2套長度3.8 m（截成2 m及1.38 m2段）的6分排水管（帶閥門）、與6分接頭連接（2米管留在鉆孔內(nèi)，1.8 m管在套管內(nèi)），方便安裝。止水棉紗和排水管安裝完成后，采用30 t～50 t千斤頂，用短接調(diào)整高度將Φ200 mm套管頂入鉆孔中，安裝牢固,如圖2（b）所示。

圖2 孔底貫通和安裝好的止水管

隨后進(jìn)行孔底反向注漿。孔底注漿約150 kg水泥，水泥漿比例（1∶0.6）配制成水泥漿應(yīng)加入水玻璃，加量為5%。結(jié)合施工環(huán)境的實(shí)際情況，選擇GSL200型的注漿泵進(jìn)行反向注漿，該灌漿泵重量輕、輪式設(shè)計(jì)、移動方便，滿足施工要求。制漿槽在巷道里面可以選擇礦車代替。雙漿液攪拌均勻，流動性好即可，反向注漿約2 m高。注漿前所有的閥門都處于開啟狀態(tài)，注漿時應(yīng)先關(guān)閉閥門1，待閥門3流出相應(yīng)水泥漿后將其關(guān)閉繼續(xù)注漿，直到閥門4和閥門5流出水泥漿液后，才停止注漿。并及時疏通閥門4和閥門5這兩條排水管道。閥門4、5處于開啟狀態(tài)，以便順暢排除孔內(nèi)地下水,如圖2（b）所示。孔底反向注漿3天后，地面才能開始注漿固井。

該項(xiàng)目終孔口徑219.5 mm，充填管的外徑133 mm，環(huán)狀間隙43 mm，而且鉆孔的上部比較完整，孔壁光滑。因此地面注漿可以直接采用地表淋濾注漿的方式進(jìn)行固管。在地表淋濾注漿前關(guān)閉閥門4和閥門5 。地表淋濾時注漿直到孔口溢流出純水泥漿液后即可暫停注漿。8 h～12 h后，再進(jìn)行地表淋濾補(bǔ)注漿就完成了該充填孔的所有注漿固管任務(wù)。

地表淋濾注漿施工工序簡單且易操作，但是如果注漿液調(diào)配的流動性不夠好，漿液的凝固時間把握不準(zhǔn)，就容易出現(xiàn)孔內(nèi)注漿不密實(shí)的狀況。水泥漿調(diào)配同時把握這兩點(diǎn)還是相對較難，尤其是孔深的時候更加突出。因此，為了確保充填孔的質(zhì)量，地表淋濾注漿一般常用于補(bǔ)注漿的時候，慣用的地表注漿方式還是孔內(nèi)正循環(huán)注漿。

3.2 孔內(nèi)正循環(huán)注漿和地表淋濾注漿的綜合運(yùn)用

孔內(nèi)正循環(huán)注漿和地表淋濾注漿的運(yùn)用，是在實(shí)際施工中常用一種固井方式。其不受深淺孔和孔內(nèi)是否含水等因素的影響，且固井質(zhì)量和效率都很高。

現(xiàn)結(jié)合紫金礦業(yè)義興寨礦區(qū)充填孔的施工，分析孔內(nèi)正循環(huán)注漿為主，地表淋濾為輔的注漿方式的運(yùn)用。

3.2.1 工程概況

山西紫金礦業(yè)義興寨礦區(qū)充填系統(tǒng)充填孔施工項(xiàng)目，設(shè)計(jì)充填孔2個，單孔孔深241.59 m，兩孔間距2 m。開孔直徑Φ260 mm，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度6 m（具體根據(jù)實(shí)際地層進(jìn)行調(diào)整），下Φ240×6 mm的孔口管；終孔直徑Φ219.5 mm鉆進(jìn)至標(biāo)高為1 073.91 m處，然后下Φ133 mm×12 mm充填直管，并用G級中抗油井水泥或42.5號水泥進(jìn)行固井。

3.2.2 注漿工藝的選擇和運(yùn)用

該項(xiàng)目實(shí)際完孔深度分別為423.0 m和425.5 m，該項(xiàng)目是先進(jìn)行充填孔施工，后進(jìn)行聯(lián)系巷道掘徑的。因此，反向注漿不需要考慮。根據(jù)該礦地質(zhì)情況分析，地層中富水情況不明顯，本來可以采用簡單的地表淋濾注漿方式注漿固井，但考慮到該項(xiàng)目施工的2個充填孔間距太短，如果第一個孔在固井的時候出現(xiàn)架橋或者不飽滿的情況下，在施工第二個孔的時候會嚴(yán)重影響第一個孔的固井質(zhì)量和后續(xù)的使用壽命。因此，最后決定選擇了逆止閥孔內(nèi)正循環(huán)注漿和孔口淋濾補(bǔ)注漿的方式固井。

完鉆后，下管前將加工好的逆止閥（圖3（a））加裝保護(hù)裝置（圖3（b））焊接于最下端的充填管上面。逆止閥上端的連接絲扣一定是反絲。將充填直管下入孔內(nèi)后，接著把Φ60 mm鉆桿下入管內(nèi)，與管內(nèi)逆止閥上部的反絲連接口準(zhǔn)確對接，為了安全起見，進(jìn)行底部接口連接時避免Φ60 mm鉆桿上部脫扣，操作應(yīng)非常緩慢小心，只要判斷絲扣咬住即可停止繼續(xù)擰扣。然后進(jìn)行充填管上部的密閉焊接。將注漿泵的出漿管口連接在Φ60 mm鉆桿上部，注漿管路的連接完成。

圖3 逆止閥和逆止閥保護(hù)裝置

注漿水泥選用了PO 42.5號水泥，水灰比為1∶0.6的標(biāo)準(zhǔn)配置注漿液。水泥漿液配置到位，在注漿前用清水洗孔后開始注漿。直到漿液從充填孔口溢流出來后，即可停止注漿。脫開注漿管與Φ60 mm鉆桿的連接處，切開充填直管的密閉口，合上立軸，輕輕旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)讓Φ60 mm鉆桿與底部的反絲連接口成功脫扣。接著Φ60 mm鉆桿連接清水泵，開泵清洗鉆桿和充填管內(nèi)的殘留水泥漿液，當(dāng)充填直管管口溢出的水比較清后，即可停泵起鉆。

完成了第一次注漿8 h～12 h后，在孔口進(jìn)行地表淋濾補(bǔ)注漿。補(bǔ)注完成后即全部完成了該項(xiàng)目的固井施工任務(wù)[2]。

3 結(jié)語

隨著國家對礦山安全生產(chǎn)越來越重視，廢料尾砂充填及充填采礦勢在必行，因此，充填孔成孔質(zhì)量要求就越來越高，不但要有先進(jìn)的施工設(shè)備還必須要有先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝方法。針對該類鉆孔的特點(diǎn)，各種注漿工藝的科學(xué)結(jié)合運(yùn)用在這里的應(yīng)用尤為重要，既可以提高固管的質(zhì)量，又可以縮短固管的時間。

在今后各大礦山的充填孔，甚至是投料孔和通風(fēng)口的施工中，尤其是含水量較大的施工區(qū)域，孔底反向注漿這道工序是提高固井質(zhì)量不可或缺的一道工序，勢必成為各大礦山企業(yè)追捧的一種筑底工藝。