某金屬礦破碎帶地層地面預(yù)注漿技術(shù)研究*

董慶歡

（1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司；2.天地科技股份有限公司）

以某金屬礦為背景，對(duì)勘查報(bào)告進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基巖裂隙含水層的厚度較大，井筒穿越必然會(huì)面臨地下水侵入的危險(xiǎn)，所以在開挖井筒前要做好設(shè)計(jì)工作。對(duì)副井和主井基巖含水層治理時(shí)，采用地面預(yù)注漿技術(shù)。由于某金屬礦地質(zhì)條件復(fù)雜，破碎帶地層破碎嚴(yán)重，裂隙密集發(fā)育及溝通交錯(cuò)，注漿施工工藝需要較高的技術(shù)要求。通過對(duì)破碎帶地層的分析和注漿壓力、注漿時(shí)間的控制，便于更好地完成注漿工作，并進(jìn)行壓水試驗(yàn)檢測(cè)，確定出最終剩余涌水量。

1 地質(zhì)條件分析

根據(jù)井檢孔鉆探揭露，擬建副井處場(chǎng)地自上而下巖土層分布主要是第四系巖土層、巖土層、風(fēng)化層和基巖層。

礦區(qū)西部發(fā)育有大斷裂，勘察孔位于向斜構(gòu)造帶東側(cè)。為了確定巖體的主要構(gòu)造，進(jìn)行鉆孔操作，經(jīng)過勘查后確定其結(jié)構(gòu)面屬于破碎帶，同時(shí)對(duì)其規(guī)模做出界定，屬于較小—中等狀態(tài)，壓扭性構(gòu)造所占比重較大［1］，主要分布在副井436～440 m、463～472 m和主井668～703 m。

2 施工設(shè)計(jì)

2.1 施工方案設(shè)計(jì)

對(duì)副井和主井井筒施工采用全直孔注漿的方式，井筒注漿孔的總數(shù)量均為12個(gè)，布孔方式采用雙圈布孔法，內(nèi)圈和外圈各為6 個(gè)（圖1）。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，在施工作業(yè)時(shí)分別有4 臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)操作，其中2臺(tái)負(fù)責(zé)施工內(nèi)圈，另2臺(tái)負(fù)責(zé)施工外圈，按照3個(gè)序次進(jìn)行施工［2］。

2.2 注漿段高與壓力

以含水層的位置、厚度為重要指標(biāo)，結(jié)合注漿泵的性能、巖層巖性、裂隙發(fā)育特點(diǎn)等劃分注漿段高度，同時(shí)還要遵循針對(duì)性、特殊性、一致性的原則，并以目前所掌握的地質(zhì)資料為依據(jù)，完成不同注漿段高的劃分工作［3］。不論是巖帽段還是其他注漿段的注漿終壓，顯然都大于靜水壓力，分別超過了1.5～2.5 倍、2.0～2.5 倍。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，二序孔施工過程中將全孔注漿段終壓調(diào)整到靜水壓力的2.5～3倍。

3 注漿施工情況分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別對(duì)副井的W5 第6 段（430～455m）和N3 第7 段（455～473m）注漿情況進(jìn)行分析；對(duì)主井的Z10第11段（668～703m）和Z12第11段（668～703m）進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，通過P-t曲線圖對(duì)注漿的結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

3.1 副井施工情況

3.1.1 副井鉆探施工

副井地面預(yù)注漿工程分3 個(gè)次序進(jìn)行，第1 序注漿孔最先揭露地層，最能真實(shí)反映副井整體地質(zhì)情況，鉆進(jìn)過程出現(xiàn)孔口不返泥漿的現(xiàn)象。第2序、第3序注漿孔造孔已形成了一定的帷幕，其位置在井筒整體地層，能夠發(fā)揮出一定的堵水作用，避免出現(xiàn)大的鉆井泥漿漏失的情況。在室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)巖石硬度較高，注漿造孔施工過程中鉆進(jìn)效率較低，平均僅10 m/d。按照施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)注漿孔終孔偏斜率保證低于5‰。施工時(shí)為了解決斜度較大的問題，分別采用加密測(cè)斜法與及時(shí)定向糾偏法。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，鉆孔在注漿圈徑上的分布并無異常，基本都處于均勻狀態(tài)，落點(diǎn)雖然所處的深度不同，但總體是均布的，能夠達(dá)到注漿所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［4］。

3.1.2 注漿施工情況

在注漿施工最初階段，金屬礦層有許多微裂隙，且存在裂隙貫通性的問題，難以保證注漿工作正常進(jìn)行。在注漿工程中漿液注入量很難把握［5］，在副井鉆一序孔的部分層段中時(shí)有出現(xiàn)漏漿問題；注漿施工中竄漿頻繁，多次發(fā)生本孔注漿，本孔返漿或與其他孔竄漿等現(xiàn)象。副井地面預(yù)注漿工程12個(gè)注漿孔共注漿256次，其中單液水泥漿和黏土水泥漿的注入量分別達(dá)到1 160.5 m3、27 441 m3。漿液總注入量已確定為28 601.5 m3，原設(shè)計(jì)注漿量為18 540 m3，前都超過后者10 061.5 m3，達(dá)到了設(shè)計(jì)總量的154%。

3.1.3 副井破碎帶地層注漿量分析

副井破碎帶地層巖石破碎十分嚴(yán)重，從節(jié)理來看處于裂隙發(fā)育狀態(tài)，擠壓揉皺情況較為突出，導(dǎo)致實(shí)際注入量嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)注入量［6］。全孔R(shí)QD 值在0～50%的工程地質(zhì)不良層位基本都處在破碎帶中，造成了注漿壓力增大。在注漿過程中出現(xiàn)本孔返漿并與其他孔串漿的現(xiàn)象，為保證注漿質(zhì)量而且避免漿液的浪費(fèi)，采用了多次注漿的方式，控制注漿質(zhì)量［7-8］。副井430～455m 和455～473 m 破碎帶注漿實(shí)際注入量分別超出設(shè)計(jì)注入量194%和293%。

3.2 主井工業(yè)性試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)過程

在主井600 m 以深的深井地層中，對(duì)注漿過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，繪制P-t曲線，若注漿P-t曲線符合深井裂隙注漿規(guī)律，則保持注漿；若發(fā)現(xiàn)已經(jīng)注入一定的注漿量，P-t曲線出現(xiàn)異常情況，則立即調(diào)整，按照多次復(fù)注的思路，進(jìn)行復(fù)注施工。在以上思路的基礎(chǔ)上，選取10、12號(hào)孔的深部層位，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，具體P-t曲線如圖2和圖3所示。

由10 號(hào)孔668～703 m 首次注漿的P-t曲線圖可以看到，在注漿初期出現(xiàn)了平緩升壓的趨勢(shì)，開始注漿200 min后，壓力在14～15 MPa 波動(dòng)，表現(xiàn)出未升壓型曲線的趨勢(shì)，由于曲線類型表現(xiàn)不能達(dá)到最佳的注漿效果，注漿102 m3以后停止了第1 次注漿。第2 次注漿的P-t曲線雖然壓力波動(dòng)范圍更大一些，但整體仍屬于未升壓型曲線，注漿90 m3以后停止注漿。第3 次注漿的P-t曲線呈現(xiàn)出波動(dòng)升壓的趨勢(shì)，并且順利升至注漿終壓，達(dá)到了注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

由12 號(hào)孔668～703 m 注漿過程P-t曲線圖來看，首次注漿因現(xiàn)場(chǎng)操作失誤而提前結(jié)束試驗(yàn)，第2次注漿體現(xiàn)出了持續(xù)升壓的態(tài)勢(shì)，但由于在350 min左右出現(xiàn)了較大幅度的降壓現(xiàn)象，所以結(jié)束了第2次注漿。第3次注漿則明顯地出現(xiàn)了波動(dòng)升壓的趨勢(shì)，達(dá)到了注漿終壓。

結(jié)合10號(hào)孔、12號(hào)孔注漿過程來看，在前兩次注漿過程中，P-t曲線表現(xiàn)均不理想，因此，結(jié)合黏土水泥漿深井裂隙注漿模擬試驗(yàn)中總結(jié)出的規(guī)律，多次復(fù)注往往在節(jié)省漿液量的基礎(chǔ)上，達(dá)到較好的注漿效果，所以選擇在100 m3左右的注漿量時(shí)停止注漿，在后面的復(fù)注中，P-t曲線出現(xiàn)了較好的趨勢(shì)，達(dá)到注漿終壓并保持穩(wěn)定。因此，當(dāng)注漿過程中，P-t曲線初始表現(xiàn)不佳時(shí)，通過多次復(fù)注往往能夠取得較好的注漿效果。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)主井深部地層注漿后的取心及力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，可以看出在高靜水壓力和高注漿壓力環(huán)境下形成的黏土水泥漿試塊，其抗壓強(qiáng)度要比在試驗(yàn)室中配制的大，可見深部裂隙環(huán)境下的黏土水泥漿能達(dá)到更好的固結(jié)程度和注漿效果。

通過在鐵礦主井600 m 以深地層的工業(yè)性試驗(yàn)研究中得出的以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）平緩升壓型、直接升壓型和波動(dòng)升壓型P-t曲線是注漿效果較好的曲線形式，平緩型曲線往往不能達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓。

（2）當(dāng)初次注漿P-t曲線形式不佳時(shí)，采用多次復(fù)注的形式進(jìn)行注漿，往往能夠在節(jié)省漿液的情況下達(dá)到較好的注漿效果。

3.3 注漿效果

檢驗(yàn)時(shí)采用壓水試驗(yàn)的方式，在地質(zhì)報(bào)告中經(jīng)過計(jì)算所獲取的井筒涌水量為312.92 m3/h，注漿后實(shí)測(cè)井筒涌水量3.37 m3/h，試驗(yàn)結(jié)果能夠在一定程度上反映出井筒掘砌至注漿段注漿施工情況，井下查看黏土水泥漿通過破碎帶裂隙注漿效果顯著。

4 結(jié)論

（1）在進(jìn)行煤礦井筒建設(shè)時(shí)，地面預(yù)注漿施工工藝應(yīng)用廣泛，本次研究把這種方法應(yīng)用于某金屬礦立井井筒，將金屬礦地層與煤礦地層注漿的真實(shí)情況展示出來，指出異同之處，為地面預(yù)注漿技術(shù)應(yīng)用于金屬礦山領(lǐng)域提供了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)，參考價(jià)值較大，能夠促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化。

（2）在設(shè)計(jì)地面預(yù)注漿時(shí)，要充分考慮金屬礦地層的特點(diǎn)，應(yīng)遵循多布孔、小段高、高壓力原理，可以使注漿堵水具有更高的可靠性。

（3）造孔施工工藝復(fù)雜，漏漿難以避免，注漿升壓緩慢較為常見，加之破碎帶屬于特殊地層，為了使設(shè)計(jì)終壓的目標(biāo)能夠順利完成，要重復(fù)注漿，鉆探是一項(xiàng)難度較大的工作，在進(jìn)行注漿施工時(shí)不論是研究還是控制都要加大力度。

（4）破碎帶地層巖石破碎的情況十分嚴(yán)重，節(jié)理處于裂隙發(fā)育狀態(tài)，擠壓揉皺情況較為嚴(yán)重，在施工時(shí)要以破碎帶作為重點(diǎn)和難點(diǎn)，采用壓水試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行初步檢測(cè)，對(duì)地面進(jìn)行預(yù)注漿，可以降低涌水量的數(shù)值，最后實(shí)測(cè)井筒涌水量3.37 m3/h，符合驗(yàn)收要求。