地面預注漿鉆孔結構的優化設計

陳振國

（1.天地科技建井研究院，北京100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京100013）

注漿法是利用壓力將具有膠結性能的漿液通過鉆孔注入巖土體或建筑物中，使其物理力學性能得到改善的一種方法。我國的注漿技術研究起步較晚，20世紀50年代以前所做工作很少，50年代之后開始逐步掌握注漿技術。近年來，注漿法在土木工程各個領域都得到了長足發展和廣泛應用［1-2］。在井巷工程中，注漿法已成為封堵地下涌水、加固井巷軟弱圍巖、充填地下大體積空洞的主要手段［3］。

按照注漿與井巷工程掘砌施工時間的先后順序分為預注漿（包括地面預注漿、工作面預注漿）和井巷后注漿（包括壁后注漿、壁間注漿和裸體井巷注漿等）［4］。1958年，我國在峰峰礦區薛村煤礦的主、副井筒第一次應用立井井筒地面預注漿技術，堵水率達96.3%［5］，而后井筒地面預注漿技術在華北、華東、東北、西北逐步推廣開來［6-9］。云南昭通的鉛鋅礦、河北唐山的鐵礦等非煤礦山也利用地面預注漿技術，取得了理想的治水效果［10-11］。以往地面預注漿技術主要用于輔助立井井筒的建設，而因其在工期、質量、施工作業條件等方面的優勢，近年來越來越多的巷道、硐室、煤礦工作面等也采用地面預注漿技術［12-16］。

大賈莊鐵礦主井溜破系統分為主溜井、上部礦倉、破碎硐室和下部礦倉。根據大賈莊鐵礦主井溜破系統巖土工程勘察報告，預計溜破系統開挖時的涌水量為187 m3/h，直接開挖及工作面注漿難度較大且工程質量難以保證，所以采用地面預注漿工法對含水層進行治理。本研究針對溜破系統擬建區域地質條件的特點，對注漿鉆孔結構進行優化設計。

1 溜破系統擬建區域工程地質條件

根據鉆探揭露，溜破系統擬建區自上而下主要巖土層分布：上部第四系全新統（Q4）沖洪積成因的粉質黏土、粗砂、卵石、圓礫，中部上更新統（Q3）沖洪積成因的粉質黏土、卵石、圓礫、礫砂，下部中更新統（Q2）沖洪積成因的粉質黏土、中砂、粗砂、粉質黏土夾黏土及殘積成因的砂質黏性土，底部上太古界灤縣司家營組（Ar2S）混合巖、混合花崗巖、黑云變粒巖、偉晶巖脈。溜破系統擬建區域巖層分布見表1所示。

2 注漿鉆孔總體設計

溜破系統地面預注漿工程根據受注巖體的空間區域特點，設計了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3類注漿孔，注漿鉆孔的注漿起止深度及鉆孔個數如表2所示。3類注漿鉆孔各分兩序進行施工。注漿鉆孔在地面大致均勻布置，Ⅰ、Ⅱ類孔分別為6個和12個直孔，Ⅲ類孔的一序為5個直孔，二序的5個注漿孔是分別從一序孔的375 m深度分叉形成。

3 鉆孔結構設計

3.1 鉆孔結構初步設計

在立井井筒特殊鑿井的施工方案中，第四系和基巖風化帶采用凍結法施工，下部基巖采用地面預注漿法施工，一般地面預注漿鉆孔的套管直接下至注漿起始深度。Ⅱ、Ⅲ類鉆孔的初步設計如圖1（a）和圖2（a）所示（Ⅰ類鉆孔與Ⅱ類鉆孔的設計相似）。注漿起始深度以上的孔徑為215.9 mm，下放?168.3 mm套管。本工程使用的四方方鉆桿尺寸為133.35 mm，下部公接頭的外徑DL為177.80 mm，全長12.20 m，所以在鉆孔頂部設計約20 m?219.1 mm×8 mm套管。使用的鉆桿為73.0 mm和88.9 mm鉆桿，所以設計注漿段的孔徑全部為133.4 mm。

3.2 鉆孔結構初步設計問題分析

溜破系統2個勘察孔在表土段揭露了多段的不穩定土層見表3所示。且風化層和基巖層鉆進過程中極易發生鉆井泥漿漏失的情況，一旦鉆井液漏失，提鉆不及時，上部砂卵礫石層坍塌必然發生埋鉆事故。所以鉆孔結構的A方案不可行，需要在鉆孔穿過表土段和基巖風化帶后（190 m）及時下入護壁套管。

3.3 鉆孔結構的優化設計

針對此問題，提出了如圖1、圖2所示的B、C、D 3種設計方案。3種設計方案的鉆孔孔徑和支護形式如表4所示。

雖然勘察孔在190～524 m段揭露多層破碎帶，而注漿造孔過程中，鉆孔孔壁相對穩定，沒有發生塌孔或掉塊的現象，所以方案B、D設計的裸孔段不會對造孔或注漿造成威脅。方案C中?159 mm×6 mm套管與?219.1 mm×6 mm套管重疊10～20 m。方案D中在注漿起始深度的上部甩下約20 m?159 mm×6 mm套管，并用水泥漿固管。

3.4 甩管、固管施工工藝

在方案C和方案D中均設計了甩管的施工工藝，如圖3所示。工藝流程：?88.9 mm鉆桿通過螺絲頭（帶反絲公扣）和喇叭口（帶反絲母扣）與套管反扣連接，將?159 mm×6 mm套管下放至設計深度；通過鉆桿壓送單液水泥漿固管，漿液自套管內經套管壁外的環形空間沒過螺絲頭后，正向旋轉鉆具，螺絲頭與喇叭口分開，最后將螺絲頭和鉆具提拉上來。所以自喇叭口至?159 mm×6 mm套管底口，管壁內外都是水泥漿，約7～8 h后，下鉆將套管內的水泥漿沖掃出來。

4 鉆孔結構分析

4.1 3種設計方案的比較分析

鉆孔的破巖量指鉆進過程中破碎巖石的體積，可以表征鉆頭的消耗量和鉆進工時的消耗量；?159 mm×6 mm套管下放至預設深度后固管的水泥漿用量和套管用量是鉆孔施工的主要成本分析指標。而止漿效果是鉆孔結構設計的重要技術評價指標，分別以這4個指標對鉆孔的3種結構設計進行分析，如表5、表6所示。

注：各項指標均為單孔的計算數值；水泥漿用量指?159 mm×6 mm套管的固管水泥漿用量；C方案中取兩種套管重疊16 m；D方案中取? 159 mm×6 mm套管長20 m。

通過表5可以看出，方案C與方案D的止漿效果相當，而方案C的施工成本高；通過表6可以看出，方案B與方案C的止漿效果相當，而方案C的施工成本高，所以Ⅱ、Ⅲ類鉆孔的方案C都不可取。

4.2 方案B與方案D的選擇

方案D的特點是施工成本高，止漿效果好；方案B的特點是施工成本低，而止漿效果取決于地層條件。

Ⅱ類鉆孔方案B，在注漿時需要在約520 m深度止漿，如圖4（a）所示；其他5個鉆孔也需要在相同的深度止漿，如圖4（b）所示，而非注漿孔不能在190 m位置的套管內止漿，原因是一旦漿液串入圖4（c）的鉆孔內，漿液必然會進入190～524 m非注漿段巖層的裂隙中，造成漿液的浪費。所以方案B的適用條件是約520 m的巖層能夠止漿。

根據大賈莊鐵礦主井、1#副井地面預注漿的施工經驗，一序孔施工過程中，巖石未曾受到外界環境影響，巖石硬度較高，止漿效果較好。黏土水泥漿或單液水泥漿中的水泥水化的過程中產生OH-，漿液呈堿性，在通過裂隙的擴散過程中對巖石造成一定程度的侵蝕，所以在二序、三序孔的施工過程中，止漿效果逐漸變差。

綜上所述，大賈莊鐵礦溜破系統地面預注漿工程，在一序孔施工過程中，宜選用方案B；在二序孔施工過程中宜選用方案D。

注：各項指標均為一個直孔加一個分枝孔的計算數值；水泥漿用量指?159 mm×6 mm套管的固管水泥漿用量；C方案中取2種套管重疊16 m；D方案中取?159 mm×6 mm套管長20 m。

5 結論

大賈莊鐵礦溜破系統地面預注漿工程針對擬建區域地質條件的特點，和受注巖體的空間區域特點，對注漿鉆孔結構進行了多方案的設計。通過各項技術經濟指標的比較分析得出如下結論：在一序孔的施工過程中，因巖層止漿效果好，宜選用的方案是190 m深度以上采用?168.3 mm×6 mm套管支護，190 m深度以下全部為?133.4 mm裸孔；在二序孔的施工過程中，因巖層的止漿效果變差，宜選用的方案是190 m深度以上采用?219.1 mm×6 mm套管支護，在注漿起始深度的上部甩下約20 m?159 mm×6 mm套管，2種套管之間設計?190.5 mm裸孔段；設計注漿段的鉆孔孔徑均為?133.4 mm。