“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗研究

韓貴雷

（華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊，050021）

礦山帷幕注漿技術能夠有效解決保護區域地下水環境與安全開采礦產資源之間的矛盾，其應用越來越廣泛，已經成為國內礦山主要的水患治理手段。伴隨著國內礦產資源深度開發的黃金十年，采用帷幕注漿技術成功治理礦山地下水患的礦山實例越來越多，傳統的礦山帷幕技術發展日趨成熟［1-2］。2015年出版的《礦山帷幕注漿規范》（DZ/T 0285—2015）更是對傳統礦山帷幕注漿技術的進一步總結和提高，其主要應用條件：采用8～12 m鉆孔孔距地表施工、單液水泥漿注漿的低壓力（孔內控制壓力2倍靜水壓力）帷幕注漿工程，其主要施工設備多采用XY-4系列鉆機［3-6］。但是，目前礦山資源開采強度進一步加大，開采難度進一步提高，出現了深埋礦體和井巷工程內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要求更高，施工難度更大。

云南某水患礦山帷幕注漿試驗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目開展了“魚刺型”鉆孔改性黏土帷幕注漿工藝試驗研究，該研究項目的成功實施成為了“深埋礦體井巷內施工”的首例改性黏土礦體帷幕注漿工程。其主要特點：深埋礦體巷道內施工環境下，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現構造導水地質環境條件下滲流含水層注漿。該項目的研究成果不僅為該礦山水患治理提供了技術支撐，同時也為國內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，該礦為一儲量大、品位高、水文地質條件復雜的大型金屬礦，礦區以洛澤河為界分為河東與河西2個采區，未采礦體均處于最低侵蝕基準面之下。目前礦山采用強排水降壓疏干方式確保生產安全。隨著礦山開采中段延深，礦體圍巖水頭壓力、礦坑涌水量明顯增大，不僅惡化井下作業環境，而且易造成安全隱患。井下水患已成為制約礦床開發的主要因素及重大安全隱患。

1.1 礦區水患特征

受區域地層巖性、地質構造、地形、地貌及水文氣象等諸多因素的綜合制約，礦山井巷掘進及探礦孔施工過程中揭露的水患特點及其治理難點主要表現在以下幾方面：

（1）礦區含水層透水性、富水性在垂向上表現為上強中弱下強，中部弱含水層（相對隔水層）厚度大，在揭露下層含水層時具有高承壓特點。

（2）該礦區經受多期次構造運動影響，含水層具有節理發育、巖體破碎、透水性弱等特點，除局部發育較明顯斷裂破碎帶導水以外，含水層滲流空間以低張開度裂隙為主。

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

（4）礦坑整體涌水量大，最深開采水平下，豐水期礦坑涌水量可達6萬m3/d。

1.2 以往治水經歷

為徹底解決礦山水患，礦山于2013年進行了帷幕注漿試驗，根據相關技術要求，共計施工7個鉆孔，工作量統計見表1。

上述資料表明：2013年注漿試驗施工過程注漿孔單位注漿量0.37 m3/m，單位注灰量0.15 t/m。總體注漿量偏小。注漿量統計表表明：鉆孔各孔序單位注漿量及單位注灰量未表現出明顯的遞減趨勢，反映出漿液擴散半徑較小，鉆孔間漿液未有效搭接進而形成連續性堵水帷幕（根據行業經驗，注漿效果較好的工程實例，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關系遞減）［1、5-8］。

綜合上述數據資料，礦山第一次帷幕注漿試驗未達到預期目的，鑒于此，需要重新開展治水研究工作，并先期開展試驗工程。

2 試驗設計施工參數

2.1 設計思路

根據礦區水文地質條件及礦山水患特征，結合礦山實施的第一次帷幕注漿試驗經驗教訓及礦山實際情況，經分析認為：礦山整體防治水必須在成功試驗的基礎上開展，即礦山需要進行再次試驗，再次試驗需要在如下方面進行改進：

（1）礦山地層裂隙發育以高角度裂隙為主，見圖2，針對該特點帷幕注漿試驗鉆探施工應提高地層高角度裂隙揭露概率，增大漿液擴散范圍。

（2）針對礦山巷道施工環境，試驗應能夠增大鉆孔孔距，減少巷道施工鉆窩數量，提高巷道整體穩定性。

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

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

圖1為礦區內地層傾角發育特征。

2.2 設計參數

2.2.1 試驗段選擇

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

2.2.2 鉆孔布置

依據帷幕線一帶地層裂隙發育特點，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。為使漿液在垂直于層面方向增大擴散范圍，且注漿孔間形成連續的帷幕體，注漿孔應盡可能多地穿過層面裂隙，以達到較好的堵水效果。認為采用“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，布置注漿試驗孔3個，檢查孔2個，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 其他技術參數

（1）根據水文地質條件，帷幕頂板設置在+850 m標高，帷幕底板進入隔水層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）帷幕體設計厚度10 m，透水性率不大于1 Lu。

2.3 試驗施工情況

根據試驗目的，本次試驗主要是對注漿材料、鉆探工藝進行了試驗研究。

2.3.1 注漿材料研究

注漿材料研究步驟主要有：注漿材料調查、注漿原材料物理實驗、注漿漿液基漿物理測試、注漿混合漿液適配實驗、確定漿液配比單等過程。

根據試驗要求，在礦區50 km范圍內對潛在注漿材料進行廣泛調查，主要包括煤泥、黏土、風化泥巖等材料。在廣泛調查的基礎上，對潛在注漿材料進行原材料物理測試，判定其是否能夠滿足配漿技術要求，表2為部分材料試驗數據。試驗結果表明，3種試驗黏粒含量及塑性指數均滿足配漿需求，可進行后期配漿試驗。

在確定黏土原材料的基礎上，對其混合漿液性能進行了多次試驗，試驗內容主要包括漿液凝結時間、流動性、結實率、塑性黏度、塑性強度等指標。試驗基漿選取1.05、1.10、1.15 g/cm33個標準，水泥選定為50、75、100、125、150、175、200、250 kg/m3。由于本次試驗以漿液擴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。部分試驗測試結果見表3。

漿液的初凝時間是影響漿液在地層中擴散的重要指標，試驗中測試混合漿液的塑性強度值來評定其初凝時間，圖4為漿液塑性強度的增長規律，圖中可以看出漿液塑性強度的增長大體可以分為2個階段:在第一階段為塑強增長緩慢階段，第二階段為塑強增長速度加快階段。在第一階段漿液仍處于液態狀況，還保持良好的觸變特征；第二階段漿液開始凝膠，漿液的塑性強度急劇增高，漿液與裂隙面的黏著網絡基本形成，并具備了相當的黏著強度。

注漿材料研究方面經過注漿材料調查、注漿原材料物理實驗、混合漿液適配實驗及初步工業試驗最終確定了適合本工程的漿液配比，配比單見表3。

2.3.2 鉆探工藝研究

根據本工程特點，設計需要采用“魚刺”型注漿鉆孔，為滿足工程需要，現場開展了“魚刺”型鉆孔鉆探工藝研究。針對分支孔施工，設計了專門的施工器具，包括柔性鉆桿、螺桿鉆具、導向套及內含柔性鉆桿、造斜鉆頭與穩斜鉆頭、測斜儀器及導斜器6個部分，鑒于篇幅限制僅以柔性鉆桿給予說明，圖5為柔性鉆桿形態。

柔性鉆桿是造斜段鉆進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，普通鉆桿不能穿過彎曲孔段，因此需要柔性鉆桿具有自身能夠進行任意徑向方向的自由彎曲，用于抵抗彎曲孔段對鉆桿回轉時形成的強烈撓曲運動導致的疲勞損壞的性質。

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定曲率的彎曲狀態的特性，首先需要對柔性鉆桿的曲率半徑進行計算：

式中，R為鉆桿曲率半徑，m；L為柔性鉆桿單節長度，m；θ為單節彎曲度數，（°）。

由上式可知，柔性鉆桿的曲率半徑（彎曲強度）由柔性鉆桿的單節長度和單節彎曲度數2個參數確定。

鉆探施工方面，“魚刺形”空間結構鉆孔施工。根據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介紹。

3 試驗成果評價

本工程累計完成主孔鉆探2 400 m（主孔3個，檢查孔2個），分支孔43個，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為分支孔測試結果。

在完成上述鉆探工作的基礎上完成改性黏土漿注漿660 m3，為設計注漿量1.5倍，漿液擴散范圍達到設計要求。另外，由于該試驗段長度只有60 m，該試驗段的堵水帷幕不足以引起礦坑水的變化，因此，實施過程中采用了資料分析、檢查孔施工、物探測試等手段用于評價該試驗段的堵水效果。檢查孔施工過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，表明試驗段帷幕體的連續性良好。資料分析采用了疊加效應的分析方法，疊加效應是指通過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）一般呈現出后序孔小于前序孔的趨勢［9-10］。該試驗段注漿量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔疊加效應非常明顯，同時與行業內成功案例的疊加效應具有一致性，具體數據見表5，工程注漿效果比較理想。

備注：造斜點埋深280 m，設計方位角90°，反扭角29°。

4 結論

（1）云南某水患礦山通過實施“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，注漿量達到設計注漿量1.5倍，符合行業內堵水率要求。

（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°試驗獲得成功，在揭露地層直至裂隙、擴大鉆孔和鉆窩間距方面具有明顯優勢和重要作用。

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