礦山充填孔注漿工藝的研究和應用

陳曉勇

（湖南省煤田地質局第五勘探隊，湖南 郴州 423000）

1 礦山充填系統研究和應用背景

近年來，我國經濟發展迅速，科技水平日益提高，數據研究顯示，我國各類工業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，會對大氣、水體造成不同程度的污染，破壞生態平衡，應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雜工藝也實現了機械化和自動化，運用更加方便，充填采礦法的應用價值日益凸顯，也越來越受人們青睞。

充填鉆孔是充填采礦法中最為關鍵的一個環節，同時也是決定整個充填系統使用壽命的關鍵。通過對充填系統使用壽命的調查發現，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，為了在規定的時間段內，達到充填直管固井的高標準要求，就需要根據不同的施工區域對注漿固井工藝進行優化選擇，以便高效、保質保量地完成施工任務。

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，礦方設計施工順序必須在充填孔的施工前聯系巷道施工之前的礦山施工工程。施工成孔后孔內為干孔或者含水量很少，孔壁比較完整，下完充填直管后，孔內環狀間隙較大，設計孔深在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孔底，孔內注漿度密實，直至孔口溢流出水泥漿液后才能確認第一次注漿結束。8 h～12 h后再進行孔口二次補注漿，然后，就可以宣布該孔注漿完成。

2.2 孔內正循環注漿

一般采用正循環注漿都是地層富水的施工區域，而且施工順序是先進行充填孔施工，后施工地下聯系巷道的施工工序。充填孔施工成孔后，孔內全孔積水無法排出，如果采用地表淋濾注漿會嚴重影響充填管道的固結質量，因此只能選擇孔內正循環注漿的方式，使水泥漿液由孔底至下而上的注入，把孔內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，考慮到孔內積水情況，應調制較稠的水泥漿液采用孔口淋濾注的方式進行二次補注漿，當孔口溢流出純水泥漿后停止注漿，并進行充填直管孔口處的圓鋼盤的加筋處理。

孔內正循環注漿主要有以下2種形式：1）跟管正循環注漿。跟管正循環注漿的方式是在充填直管焊接的過程中，需要把事先準備好的注漿管分別焊接在充填直管的兩側如圖1所示。注漿管型號的選擇需要根據充填孔環狀間隙大小進行選擇確定，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行，施工人員需要盡可能地選擇型號稍微偏大的注漿管進行注漿。 2）逆止閥正循環注漿。逆止閥正循環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：1）逆止閥加工焊接在充填管底部時一定得有保護裝置，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殘留水泥漿，使鉆桿和充填管管內保持干凈。

以上2種正循環注漿的方式在應用的過程中，需要根據施工充填孔的具體情況進行科學合理的選擇運用，才能達到理想的效果。

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

逆止閥正循環注漿的方法是常用的一種注漿方式，它的優勢凸顯，在實際施工的運用中，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，能夠確保孔內環狀間隙注漿密實，大大提高了注漿的質量。因此這種注漿方式是值得提倡運用的一種注漿方式之一。該方式所存在的缺點就是需要配備2套鉆桿，增加了運輸成本和搬家的勞動強度，同時逆止閥及保護裝置的加工程序比較復雜，注漿管底部反絲對接時存在一定的脫扣風險。

2.3 孔底反向注漿

當礦山充填孔施工設計中，先進行巷道掘徑后再進行充填孔施工的項目中，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的孔內注漿固管奠定基礎。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雜；而且必須在巷道中施工，施工環境比較惡劣，施工設備搬運困難。

3 注漿工藝在充填孔施工中的應用

各種類型的注漿工藝在礦山充填孔中的合理選擇和運用既能提高充填孔的施工質量，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合運用

在礦山充填系統充填孔施工中，礦方采購的充填直管是內襯陶瓷的復合管，在進行爆破的時候，充填直管有被破壞的可能性。因此在工程設計階段，會將聯系巷道和硐室放在前面施工，而后再將充填孔精準打入硐室中，這種形式的施工順序，在進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正循環注漿相結合的注漿工藝才能完成該道程序的施工[1]。

下面結合紹興銅都礦業有限公司充填系統工程施工，淺談多種注漿工藝如何在充填系統中合理結合運用。

3.1.1 工程概況

紹興銅都礦業有限公司充填系統充填孔施工工程位于浙江紹興平水鎮原銅礦內。由《紹興銅都礦業有限公司充填材料試驗研究及充填系統研究開發工程巖土工程勘察報告》顯示，該場地地層巖性依次為素填土、含礫砂粉質黏土、強風化凝灰巖及中等風化凝灰巖。

3.1.2 工作內容及技術要求

3.1.2.1 工作內容

根據充填孔施工設計，施工中完成充填鉆孔完井施工，井深420.30 m，一開下入Φ240 mm技術套管，二開下入Φ133 mm充填復合管，固井等內容。

3.1.2.2 技術要求

孔斜要求1%，該井井底位移不超過4 m（提供井底坐標）；依據礦方提供的鉆孔坐標，一開采用Φ260 mm口徑鉆具鉆進至基巖以下4 m左右（根據實際鉆孔地層調整），并下入Φ240 mm套管至一開井底、固井、水泥漿返至地面；根據地層情況，二開采用Φ219.5 mm口徑的鉆具鉆進至井深420.30 m，下入Φ133 mm充填復合直管，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用

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

止水管的制作和安裝：聯絡巷與鉆孔貫通后，陶瓷復合管底部套入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。Φ200 mm套管側面焊接一根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，1.8 m管在套管內），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）配制成水泥漿應加入水玻璃，加量為5%。結合施工環境的實際情況，選擇GSL200型的注漿泵進行反向注漿，該灌漿泵重量輕、輪式設計、移動方便，滿足施工要求。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，注漿時應先關閉閥門1，待閥門3流出相應水泥漿后將其關閉繼續注漿，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，以便順暢排除孔內地下水,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。

該項目終孔口徑219.5 mm，充填管的外徑133 mm，環狀間隙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行固管。在地表淋濾注漿前關閉閥門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，再進行地表淋濾補注漿就完成了該充填孔的所有注漿固管任務。

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

3.2 孔內正循環注漿和地表淋濾注漿的綜合運用

孔內正循環注漿和地表淋濾注漿的運用，是在實際施工中常用一種固井方式。其不受深淺孔和孔內是否含水等因素的影響，且固井質量和效率都很高。

現結合紫金礦業義興寨礦區充填孔的施工，分析孔內正循環注漿為主，地表淋濾為輔的注漿方式的運用。

3.2.1 工程概況

山西紫金礦業義興寨礦區充填系統充填孔施工項目，設計充填孔2個，單孔孔深241.59 m，兩孔間距2 m。開孔直徑Φ260 mm，設計鉆進深度6 m（具體根據實際地層進行調整），下Φ240×6 mm的孔口管；終孔直徑Φ219.5 mm鉆進至標高為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號水泥進行固井。

3.2.2 注漿工藝的選擇和運用

該項目實際完孔深度分別為423.0 m和425.5 m，該項目是先進行充填孔施工，后進行聯系巷道掘徑的。因此，反向注漿不需要考慮。根據該礦地質情況分析，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架橋或者不飽滿的情況下，在施工第二個孔的時候會嚴重影響第一個孔的固井質量和后續的使用壽命。因此，最后決定選擇了逆止閥孔內正循環注漿和孔口淋濾補注漿的方式固井。

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后，接著把Φ60 mm鉆桿下入管內，與管內逆止閥上部的反絲連接口準確對接，為了安全起見，進行底部接口連接時避免Φ60 mm鉆桿上部脫扣，操作應非常緩慢小心，只要判斷絲扣咬住即可停止繼續擰扣。然后進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裝置

注漿水泥選用了PO 42.5號水泥，水灰比為1∶0.6的標準配置注漿液。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，輕輕旋轉鉆機讓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的殘留水泥漿液，當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，在孔口進行地表淋濾補注漿。補注完成后即全部完成了該項目的固井施工任務[2]。

3 結語

隨著國家對礦山安全生產越來越重視，廢料尾砂充填及充填采礦勢在必行，因此，充填孔成孔質量要求就越來越高，不但要有先進的施工設備還必須要有先進的鉆進工藝方法。針對該類鉆孔的特點，各種注漿工藝的科學結合運用在這里的應用尤為重要，既可以提高固管的質量，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口的施工中，尤其是含水量較大的施工區域，孔底反向注漿這道工序是提高固井質量不可或缺的一道工序，勢必成為各大礦山企業追捧的一種筑底工藝。