止?jié){塞深孔注漿法在近海高涌水豎井中的應(yīng)用

徐 葉

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 煙臺 261400)

深立井穿過的地層存在溶洞、較大裂隙、斷層破碎帶以及細微裂隙、孔隙的幾率較大,因而揭露上述地層構(gòu)造時,涌水量較大,一旦遇到突發(fā)性涌水,涌水量大于水泵排水能力時,就會造成淹井事故的發(fā)生[1-4]。對于深立井,應(yīng)采取預(yù)注漿方式,以保障井筒安全快速掘進[5-9]。三山島金礦北風(fēng)井距離海岸線不足1 km,自地表延伸至-600 m中段(井底為-630 m),受近海復(fù)雜水文地質(zhì)條件影響,存在揭露突水風(fēng)險,鑿井難度較大。北風(fēng)井井筒在施工至-507 m 后,單孔含水壓力迅速增大,可達5 MPa(見圖1)。在探水至井深528 m處時,涌水量達到38 m3/h,加上井壁原有淋水18 m3/h,共計井筒涌水量達56 m3/h,到達排水極限點,對鑿井施工造成極大困難。在探水注漿時底板圍巖破碎,裂隙較多,若采用傳統(tǒng)注漿方法,巖帽四處冒漿,無法注入深部出水點。澆筑止?jié){墊工期養(yǎng)護時間長且成本較大,而現(xiàn)場井筒內(nèi)裂隙構(gòu)造多為水平方向,故采用“止?jié){塞深孔分段注漿法”堵水方案[10-12],并同步進行井壁壁后注漿,減少井壁淋水量。

圖1 井筒高壓涌水

1 止?jié){塞深孔分段注漿法施工方案

1.1 總體注漿方案

本方案在井筒壁后注漿控制涌淋水的同時,結(jié)合淺孔注漿,以深孔分段注漿為主要預(yù)注漿方式。以基礎(chǔ)注漿孔作為帷幕,通過止?jié){塞進行注漿深孔分段,采用深段大帷幕的注漿方式進行多次復(fù)注。

先在工作面施工探水孔5個,離井幫1 500 mm,向外傾角約14°,深度50 m,確定涌水區(qū)域位置,超出限定水量則進行注漿。注漿孔最初設(shè)計9個,見表1。作為基礎(chǔ)注漿孔。根據(jù)注漿及涌水情況又在相同圈徑上增加補充注漿孔6個,距井幫500 mm,向外傾角約28°,深度55 m。注漿前,在注漿孔圈徑內(nèi)側(cè)設(shè)計觀察孔9個,距井幫800 mm,向外傾角約20°,深度55 m,用以監(jiān)測注漿進程和效果。在注漿孔和觀察孔圈徑之間設(shè)計6個檢查孔,垂直90°,深度50 m,鉆孔布置見圖2。

圖2 工作面深孔注漿鉆孔布置

表1 基礎(chǔ)注漿深孔設(shè)計參數(shù)

根據(jù)井筒出水特征,注漿漿液以單液漿為主,雙液為輔的原則[13-17],遵循“單液稀漿—單液稠漿—雙液漿—封孔”的原則[18]進行注漿。

井下深孔注漿時,依照深孔各分段出水情況,進行分段注漿,一般每50 m 深孔分3～4段。井壁注漿根據(jù)打孔深度及涌水量確定孔內(nèi)分段次數(shù)。

1.2 止?jié){塞選用及配套機具加工方案

止?jié){塞在注漿工程中可以實現(xiàn)分段注漿、防止鉆孔返漿、合理使用注漿壓力、控制注漿范圍、確保注漿質(zhì)量等作用[19-20]。其工作原理為在軸向壓縮等的外力作用下,使封隔件(一般為膠筒)產(chǎn)生徑向膨脹,與鉆孔或套管內(nèi)壁擠緊,從而封隔注漿段漿液,實現(xiàn)壓力控制[21]。

針對不同應(yīng)用位置采用三種不同規(guī)格的止?jié){塞:井壁采用?42 mm×400 mm;深孔采用?75 mm×1 200 mm;淺孔采用?70 mm×550 mm。連接管用?34 mm×8 mm 無縫鋼管,套管采用?47 mm×8 mm、無縫鋼管加工制作。

由于水的壓力較大,采用一吋厚壁不銹鋼球閥,每一節(jié)連接?34mm×8 mm,無縫鋼管,兩米一根,兩端外車絲,采用?47mm×8 mm 無縫管加工管箍,內(nèi)車絲,連接管及止?jié){塞。當(dāng)止?jié){塞下到15 m 外,連接鋼管重量大時,可在柱管上焊螺帽,螺帽位于柱管上部600 mm 左右位置,穿入鋼筋或鋼絲繩,防止鋼管和止?jié){塞掉落。注漿前檢查注漿泵及管路是否連接好,確認無誤后進行注漿。

止?jié){塞長度有400 mm 和800 mm 兩種規(guī)格。400 mm 止?jié){塞用于涌水量較小的上層裂縫,適用于雙液漿注漿;800 mm 止?jié){塞適用于涌水量較大、靜水壓力較高的下向探水單液漿注漿。各止?jié){塞及配件如圖3和圖4所示。

圖3 止?jié){塞配件

圖4 各類止?jié){塞

2 注漿施工

2.1 注漿施工順序

(1)先進行探水。施工探水孔,確定涌水區(qū)域位置,如探測水量超出限定值,則需要注漿。在注漿前施工觀察孔,用以確定注漿進程和效果,并用閥門封閉。

(2)9個基礎(chǔ)注漿孔分兩組交替施工,先封堵大的裂隙,后封堵細小裂隙。

(3)檢查孔中東側(cè)三孔為初檢孔,主要檢查涌水量和地層的巖性;西側(cè)三孔作為終檢孔,檢查工作面預(yù)注漿的質(zhì)量。

2.2 注漿壓力

注漿壓力是驅(qū)動漿液在裂隙中流動、擴散、充塞、壓實的動力,是控制漿液擴散距離的重要因素之一。注漿終壓一般取地下涌水段平均靜水壓力(5 MPa)的2～2.5倍,即取10～12.5 MPa。

2.3 漿液注入量

各標(biāo)高單液漿及雙液漿注漿量折合成使用42.5R 水泥、水玻璃量用量如表2所示。

表2 各標(biāo)高注漿材料使用量

2.4 應(yīng)用效果分析

(1)注漿前后涌水量見表3所示。井筒內(nèi)平均涌水量由注漿前24.55 m3/h降至注漿后3.3 m3/h,治理有效率達到86.4%,可滿足正常下掘條件。

表3 注漿前后涌水量對比

(2)止?jié){塞可反復(fù)使用,節(jié)省工期和材料成本。對于破碎巖帽,可極大節(jié)省加固巖帽或澆筑止?jié){墊的費用,并免去澆筑止?jié){墊的養(yǎng)護期,減少多次復(fù)孔造成的工期消耗。對于50 m 深孔分段注漿,可節(jié)省巖帽加固、止?jié){墊澆筑、復(fù)孔等工序費用約50萬元,并節(jié)省10 d左右工期。

3 結(jié) 論

(1)止?jié){塞深孔分段注漿法在近海高涌水大直徑豎井工程中具有良好的應(yīng)用效果,可有效控制注漿邊界條件,降低了海水及第四系孔隙水潰入的風(fēng)險。

(2)采用止?jié){塞深孔分段注漿法,對施工過程中涌淋水進行控制,縮短了基建工期,節(jié)省大量成本,對近海復(fù)雜水文地質(zhì)條件下快速鑿井工程控制涌水的方法具有借鑒意義。