充填孔反向注漿工藝的技術研究和應用實踐

王仔章 呂小師

摘要：充填采礦法是業(yè)內高效、無廢采礦的主要方法之一，可是，實際施工中，往往會因爆破掘進振動等的影響，巷道頂板在地表注漿過程中極容易出現(xiàn)漿液滲漏，導致注漿失效。隨著環(huán)境保護意識增強，為保證充填孔孔注漿效果，充填孔孔底反向注漿工藝取得了較好的效果。

Abstract： Filling mining method is one of the main methods for efficient and non-waste mining in the industry. However， in actual construction， it is often affected by blasting and vibration， and the roof of the roadway is prone to slurry leakage during surface grouting. Grouting is invalid. With the enhancement of environmental protection awareness， in order to ensure the grouting effect of filling holes， the reverse grouting process at the bottom of the filling holes has achieved good results.

關鍵詞：充填孔;反向注漿;止水管;注漿工藝

Key words： filling hole;reverse grouting;water stop;grouting process

中圖分類號：U416.1+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）17-0114-03

0? 引言

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷增強，礦山資源的合理開發(fā)利用、地表生態(tài)環(huán)境的保護措施日益成為礦山開采行業(yè)必須首先解決的技術問題。隨著科學技術的進步和發(fā)展，充填采礦法因其具有安全性強、回采率高，且對地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列與眾不同的優(yōu)點，成為了業(yè)內高效、無廢采礦的首選方法之一[1]。但是，爆破掘進施工后的硐室或巷道頂板通常參差不齊，如果只是直接在巷道內簡單做一個底部封堵，那么在從地表注漿的過程中，隨著注漿壓力的增大，止水管與硐室頂板之間由于密閉不夠嚴實，極容易出現(xiàn)滲漏，嚴重的會導致注漿失敗，如圖1所示。因此，為保證充填孔不被后期的巷道掘進爆破施工破壞，一種孔底反向注漿工藝的出現(xiàn)，在避免漏漿方面彰顯了其獨特的優(yōu)勢。本文以江西省某礦山充填系統(tǒng)工程中的充填孔反向注漿施工為例，介紹充填孔反向注漿工藝施工和關鍵技術。

1? 充填孔反向注漿施工工藝研究

1.1 充填孔布置原則和質量要求

充填孔的數(shù)量和位置，一般主要根據(jù)地面充填站的布置要求進行設計和布置。通常兩個孔為一組，即一套充填設備一次充填2個充填孔，兩孔間距約3～5m，相鄰兩組充填孔之間距離約為13～15m。充填孔為垂直鉆孔，充填孔下部有充填孔酮室，通過充填巷連接至采空區(qū)。

要保證充填孔的施工質量，必須做到以下幾點：一是鉆孔偏斜率不得超過1%;二是鉆孔孔口中心定位誤差不得超過100mm;三是巖芯采取率不得小于75%。

1.2 鉆進施工工藝

充填孔鉆進工藝，如圖2所示。

2? 充填孔反向注漿施工關鍵技術

2.1 定向鉆進技術要點

2.1.1 定向鉆進思路

在實際施工時，一般應根據(jù)鉆孔軌跡監(jiān)測結果對鉆進方向進行適當調整，以保證鉆孔位置準確。通常采用以下計算公式進行預測：

因鉆孔軌跡頂角增量為n°/100m，則：

偏斜率

根據(jù)上式計算分析結果，當n=1.50，L=100m時的偏斜率k=1.3%，需要將L取值小一點，再次計算，當取L=66m，計算得偏斜率k值為0.87%，小于終孔對偏斜率要保證不超過1%的要求。

因此，開孔后，正常鉆進達到66m左右深度時，必須進行一次鉆進糾斜，然后再正常鉆進。以后，只要鉆孔自然彎曲頂角偏斜至1時，均需將頂角糾正至00，這樣才能保證鉆孔方向正確。

2.1.2 成孔擴孔方案

一般的充填孔成孔方案主要有兩種：一是一徑到底的成孔方案，二是多級擴徑的成孔方案[2]。不論選擇哪種方案，都需要在施工前的設計方案時和施工中全面關注、著實解決鉆孔傾斜、漏漿跑漿等技術難題。因此，無論是從保護充填管免受爆破震動損壞方面考慮，還是從有利于提高鉆孔施工效率方面出發(fā)，先施工小直徑導孔，待與井下貫通后，最后再行擴孔成孔是較好的方法。

2.1.3 注漿固井方法

常用的注漿固井方法有環(huán)空注漿法和管內注漿法。大量的工程實踐證明，這兩種注漿固井方法都能達到設計要求的效果，但相對而言，管內注漿法充填密實度高一些，當然，此法對所需注漿系統(tǒng)的要求也相對高一些。

2.2 鉆孔垂直度控制要點

鉆孔垂直度的控制主要從以下幾個方面注意：一是把好開孔關，二是把好鉆具級配關，三是把好鉆進關，四是把好鉆孔軌跡監(jiān)控關。因此，在充填孔鉆孔時必須做好測斜、防斜與糾斜工作，以保證充填孔施工的順利進行[3]。但是，實際施工過程中，往往會因地層巖石堅硬程度不同，糾斜、穩(wěn)斜措施均需要區(qū)別對待，比如，在糾斜時要保證鉆孔頂角穩(wěn)定，方位變化不得超限，方能滿足設計要求。

2.3 止水管的制作及安裝

2.3.1 止水管的設計

充填孔反向注漿施工時，必須考慮孔內地下水的豐富與否。當?shù)叵滤回S富時，可以直接筑底，再進行地表淋濾注漿的方法進行固井，但是，當孔內地下水很豐富時，常規(guī)方法就不好用了。孔內正循環(huán)注漿方式是長期研究實踐中摸索出來的一種注漿方式，在應對豐富的地下水方面取得了良好的效果。其關鍵技術是止水管的設計和施工，如圖3所示，通常在進行止水管圖紙設計的時候，一定要根據(jù)孔內含水量來確定排水管的數(shù)量，以確保止水管安裝上去后，排水通暢及時。

2.3.2 止水管的安裝

理論研究發(fā)現(xiàn)，硐室規(guī)格多為3m2見方，因此，止水管主要通過其伸出硐室頂板的充填直管的長度來決定最終長短。根據(jù)以往經驗，按照伸出1.5m計算，如用φ273×6mm的無縫鋼管，止水管長度為1.8m，這樣止水管重量約為100kg左右。在巷道里面把這個重量的止水管頂進充填孔底部，單靠人力是無法解決的，必須借助起重設備，但是，在這樣的環(huán)境下用起重設備是不太現(xiàn)實的。那么，針對客觀有限的施工條件，設計采用千斤頂、錨桿、短接作為輔助工具，先進行試驗安裝，再確定安裝方法。

由于硐室和巷道頂板爆破掘進后參差不齊，給底部密閉工作帶來一定的難度，因此，止水管安裝后，在與充填孔底部對接的位置還必須進行密閉，那么，密閉材料的選擇就顯得尤為重要。那么，密閉時的堵水材料該怎么選擇，在不同的地層中使用時哪種材料更適合，要結合實際的施工情況經實驗進行合理選材。

2.3.3 止水管的調試

如圖3所示，止水管安裝完畢后，排水管閥門1、閥門2處于開啟狀態(tài)，注漿時應關閉閥門1，待閥門2流出相應濃度的水泥漿液后才能停止注漿，并及時疏通該排水管。閥門2處于開啟狀態(tài)，以排除孔內地下水。

2.4 反向注漿要點

由于是地下工程，對其封孔質量無法檢測，因此在反向注漿時，首先要注意泥漿封孔質量，其次，對充填管選材要求必須合格[4]。

3? 充填孔反向注漿在江西某礦的施工應用實踐

3.1 工程概況

本次充填孔反向注漿項目，施工區(qū)域出露地層為寒武系中下統(tǒng)淺變質巖系，巖性主要以石英細砂巖為主，并互相構成夾層、互層形式。石英細砂巖，巖石為灰～深灰色，礦物成份主要為石英，次為長石和巖屑，少量黑云母、絹云母，微量綠簾石、白云母、磷灰石、屑石、電氣石及鐵質物等。粒徑0.1～0.5mm，巖石呈變余砂狀結構、變余巖屑砂狀結構、細粒結構，塊狀構造。

3.2 工作內容

該充填孔設計孔深為240m。鉆孔時一開以？準311mm開孔，入基巖16m后下？準273的套管固井，二開以？準216mm鉆進，至巷道底板位置，即離地面深度約240m處終孔，然后下入？準121mm的充填直管。

3.3 技術要求

該充填孔要求斜率不超過1%，孔底位移不超過2.4m。設計荒孔直徑大于充填直管，厚度約90～150mm，以保證反向注漿時有足夠的注漿厚度。因此，必須采用水泥高壓固井，這了保證固井效果，需要選擇凝結硬化迅速的水泥，并產生一定的早期機械強度，方可取得良好的固井作用。

3.4 鉆進方法

本次施工場地表層為粉質粘土，采用回轉式泥漿沖洗液鉆進或沖擊回轉鉆進至中風化巖層，下入一開套管。空氣潛孔錘開孔用導向扶正鉆進，加入鉆鋌后用鉆鋌重量的40%以內控制鉆進，鉆鋌重量超過7000kg后轉入正常鉆進。鉆具下入孔內啟動空壓機后稱重，把鉆壓儀清零，緩慢轉動鉆具加壓，鉆壓到鉆鋌質量的1/3，潛孔錘正常工作后即可進行正常鉆進[5]。鉆進過程中，必要時可調整規(guī)程參數(shù)，防止發(fā)生埋鉆和其他事故。

3.5 反向注漿

準備工作中，首先根據(jù)反向注漿的高度和孔內間隙的大小，結合本次施工環(huán)境的實際情況，選用GSL200型的灌漿泵進行反向注漿，該灌漿泵重量輕、輪式設計、移動方便，滿足施工要求。然后，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的最佳雙漿液配方，準備時可制備3m2左右的漿液，實際注漿過程中必須根據(jù)實際的間隙體積去調整方量。在巷道里面用的地下制漿槽可以選擇礦車代替。雙漿液要求攪拌均勻，流動性好。

反向注漿時，注漿高度根據(jù)充填孔的實際深度進行調整。注漿時應關閉閥門1，待閥門2流出相應水泥漿后停止注漿，并及時疏通該排水管。閥門2處于開啟狀態(tài)，以排除孔內地下水。需要注意的是在注漿過程中一定保持連續(xù)性。要注意收集記錄數(shù)據(jù)，如記錄注漿時長、記錄漿液方量。要注意觀察止水管和孔底連接處是否有漿液滲出，如果有滲出，應觀察其滲出速度隨著時間的推移所發(fā)生的變化。同時，在注漿后至少觀察半小時以上的排水通暢情況，以防管道堵塞，導致排水障礙，其后果就會很嚴重。

3.6 表淋濾注漿固管

如果采用普通的漿液方式進行反向注漿，筑底后至少需等待24小時以后才可進行地面注漿，本工程中采用雙漿液向含水豐富的孔底反向注漿，通過化學添加劑加速漿液的凝固速度，從而達到了縮短進入地面注漿的停待時間，通過試驗，把地表淋濾注漿時間縮短到約6小時。

首先，在注漿時，安排2人以上專人在硐室中值守，等到排水管中流出注漿液后迅速關閉排水閥門，并記錄好時間，隨后留意觀察止水管和孔底的接頭處是否正常，要求對此段觀察時間進行詳細的書面記錄，以便分析參考。

其次，地面注漿用漿液要求一次制備完成，注漿速度按由慢到快的節(jié)奏進行。記錄員嚴格記錄注漿的起始時間。要求地表工作人員人員和硐室值守人員采用礦部電話進行密切聯(lián)系，以方便地表工作人員及時了解隨著注漿深度的增加孔底的情況是否正常，以便及時調整注漿速度。

再次，注漿完成后，漿液柱達到了相對的高度，同時也是注漿漿液對孔底部件等產生最大壓力的一個時間點，因此，要求硐室中必須采用半小時輪班制，繼續(xù)觀察孔底的情況，以檢驗反向注漿效果，以便應對各種突發(fā)情況[6]。

4? 結論

①采用充填孔反向注漿方法，礦石回采率可達90%以上，礦產資源可得到有效利用，同時可有效地防治礦區(qū)采空塌陷問題，有效地保護了地表生態(tài)環(huán)境，形成了“綠色”開采的礦山企業(yè)產業(yè)鏈。

②利用反向注漿筑底，不管充填孔有多深，加上止水管的安裝和制作，能確保地表淋濾注漿的過程中不會出現(xiàn)因底部滲漏導致注漿固管失敗，從而提高充填孔的固管質量和使用壽命。

③充填孔反向注漿施工時，注漿不受場地限制，可結合現(xiàn)場施工的條件，采用手工攪拌造漿，然后使用注漿泵按要求進行反向注漿即可，方便快捷。

④普通的漿液進行反向注漿時，筑底后至少需等待24小時以后才可進行地面注漿，本工程中采用了雙漿液向含水豐富的孔底反向注漿，通過化學添加劑加速漿液的凝固速度，把地表淋濾注漿時間縮短到了約6小時。

參考文獻：

[1]許青海，白寶云，范文濤，等.錫鐵山鉛鋅礦充填孔鉆探施工技術探索[J].探礦工程，2018，45（4）：50-53.

[2]定向鉆進及隨鉆測量技術在充填孔施工中的應用[J].探礦工程，2015，42（6）：11-16.

[3]張文生，朱恒銀.劉塘坊充填站充填鉆孔施工技術與體會[J].地質裝備，2016，17（3）：30-33.

[4]張建美，郭國戰(zhàn)，袁琳.水泥——化學復合材料反向灌漿法在某隧洞防滲堵漏中的應用[J].四川水泥，2017（11）：10.

[5]郝爽.白象山鐵礦充填鉆孔施工工藝[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017（11）：243-247.

[6]曾石灰，孔二偉，李金明.楊家灣鐵鋅礦充填孔鉆探施工技術[J].西部探礦工程，2016（1）：85-90.

課題項目：河南省軟科學（172400410188，環(huán)境約束下的河南省全要素能源效率研究）資助。

作者簡介：王仔章（1986-），女，湖北隨州人，碩士研究生，工程師，長期從事地質勘察、鉆井施工等技術領域的研究。