“鱼刺型”钻孔改性黏土帷幕注浆工艺试验研究

韩贵雷

（华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄，050021）

矿山帷幕注浆技术能够有效解决保护区域地下水环境与安全开采矿产资源之间的矛盾，其应用越来越广泛，已经成为国内矿山主要的水患治理手段。伴随着国内矿产资源深度开发的黄金十年，采用帷幕注浆技术成功治理矿山地下水患的矿山实例越来越多，传统的矿山帷幕技术发展日趋成熟［1-2］。2015年出版的《矿山帷幕注浆规范》（DZ/T 0285—2015）更是对传统矿山帷幕注浆技术的进一步总结和提高，其主要应用条件：采用8～12 m钻孔孔距地表施工、单液水泥浆注浆的低压力（孔内控制压力2倍静水压力）帷幕注浆工程，其主要施工设备多采用XY-4系列钻机［3-6］。但是，目前矿山资源开采强度进一步加大，开采难度进一步提高，出现了深埋矿体和井巷工程内施工等特殊条件下帷幕注浆工程，此种条件下的帷幕注浆工程技术要求更高，施工难度更大。

云南某水患矿山帷幕注浆试验工程是具有上述特殊条件的典型帷幕注浆工程，华北有色工程勘察院有限公司依托该项目开展了“鱼刺型”钻孔改性黏土帷幕注浆工艺试验研究，该研究项目的成功实施成为了“深埋矿体井巷内施工”的首例改性黏土矿体帷幕注浆工程。其主要特点：深埋矿体巷道内施工环境下，采用大钻孔孔距以及改性黏土注浆材料，在高注浆压力条件下实现构造导水地质环境条件下渗流含水层注浆。该项目的研究成果不仅为该矿山水患治理提供了技术支撑，同时也为国内类似条件矿山帷幕注浆工程提供了借鉴。

1 工程背景

该水患矿山位于云南省东北部，属昭通市管辖，该矿为一储量大、品位高、水文地质条件复杂的大型金属矿，矿区以洛泽河为界分为河东与河西2个采区，未采矿体均处于最低侵蚀基准面之下。目前矿山采用强排水降压疏干方式确保生产安全。随着矿山开采中段延深，矿体围岩水头压力、矿坑涌水量明显增大，不仅恶化井下作业环境，而且易造成安全隐患。井下水患已成为制约矿床开发的主要因素及重大安全隐患。

1.1 矿区水患特征

受区域地层岩性、地质构造、地形、地貌及水文气象等诸多因素的综合制约，矿山井巷掘进及探矿孔施工过程中揭露的水患特点及其治理难点主要表现在以下几方面：

（1）矿区含水层透水性、富水性在垂向上表现为上强中弱下强，中部弱含水层（相对隔水层）厚度大，在揭露下层含水层时具有高承压特点。

（2）该矿区经受多期次构造运动影响，含水层具有节理发育、岩体破碎、透水性弱等特点，除局部发育较明显断裂破碎带导水以外，含水层渗流空间以低张开度裂隙为主。

（3）井巷施工揭露的含水层涌水多为孔隙—微细裂隙性渗漏，单点水量小，部分出水层段明显表现为孔隙性渗水特点，但出水点较多，加之局部构造破碎带涌水，总体水量较大。

（4）矿坑整体涌水量大，最深开采水平下，丰水期矿坑涌水量可达6万m3/d。

1.2 以往治水经历

为彻底解决矿山水患，矿山于2013年进行了帷幕注浆试验，根据相关技术要求，共计施工7个钻孔，工作量统计见表1。

上述资料表明：2013年注浆试验施工过程注浆孔单位注浆量0.37 m3/m，单位注灰量0.15 t/m。总体注浆量偏小。注浆量统计表表明：钻孔各孔序单位注浆量及单位注灰量未表现出明显的递减趋势，反映出浆液扩散半径较小，钻孔间浆液未有效搭接进而形成连续性堵水帷幕（根据行业经验，注浆效果较好的工程实例，各孔序单位注浆量及注灰量往往递减效果明显，一般Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔单位注浆量成2-n关系递减）［1、5-8］。

综合上述数据资料，矿山第一次帷幕注浆试验未达到预期目的，鉴于此，需要重新开展治水研究工作，并先期开展试验工程。

2 试验设计施工参数

2.1 设计思路

根据矿区水文地质条件及矿山水患特征，结合矿山实施的第一次帷幕注浆试验经验教训及矿山实际情况，经分析认为：矿山整体防治水必须在成功试验的基础上开展，即矿山需要进行再次试验，再次试验需要在如下方面进行改进：

（1）矿山地层裂隙发育以高角度裂隙为主，见图2，针对该特点帷幕注浆试验钻探施工应提高地层高角度裂隙揭露概率，增大浆液扩散范围。

（2）针对矿山巷道施工环境，试验应能够增大钻孔孔距，减少巷道施工钻窝数量，提高巷道整体稳定性。

（3）针对巷道施工条件、浆液输送距离远等特点，需要试验研究新型注浆材料，用以提高浆液稳定性。

（4）针对地层透水性相对较弱特点，需要采用新型注浆材料，以提高浆液的扩散范围。

图1为矿区内地层倾角发育特征。

2.2 设计参数

2.2.1 试验段选择

根据以往帷幕轴线水文地质勘察成果资料，拟建帷幕线地层的透水性极不均一，透水率最大达到7～10 Lu，而在透水性弱的地段则小于1 Lu。帷幕注浆试验段选取原则：试验段地层透水性可反映整个帷幕线水文地质特点，根据不同透水性地层特点进行试验，为整体帷幕的注浆材料及工艺的选择和相关注浆参数的确定提供依据。依据以上原则，本帷幕试验段工程布置在DK05钻孔附近，试验段长60 m。图2为试验段地层条件。

2.2.2 钻孔布置

依据帷幕线一带地层裂隙发育特点，含水裂隙多以30°～60°的层面溶蚀裂隙以主，裂隙沿层面方向连通性较好，垂直于层面方向连通性稍差。为使浆液在垂直于层面方向增大扩散范围，且注浆孔间形成连续的帷幕体，注浆孔应尽可能多地穿过层面裂隙，以达到较好的堵水效果。认为采用“鱼刺”型分支孔可增大含水裂隙的揭露率。

“鱼刺”型注浆孔采用单排等距的方式布置在901 m巷道内，布置注浆试验孔3个，检查孔2个，主垂直孔距初步确定为30 m，分支孔分支角度30°，分支距离40 m，分支孔间距25～30 m。图3为“鱼刺型”钻孔布置形式。

2.2.3 其他技术参数

（1）根据水文地质条件，帷幕顶板设置在+850 m标高，帷幕底板进入隔水层10 m。

（2）注浆压力：2～3倍静水压力。

（3）注浆段高：主垂直孔30 m，分支孔一次成孔。

（4）帷幕体设计厚度10 m，透水性率不大于1 Lu。

2.3 试验施工情况

根据试验目的，本次试验主要是对注浆材料、钻探工艺进行了试验研究。

2.3.1 注浆材料研究

注浆材料研究步骤主要有：注浆材料调查、注浆原材料物理实验、注浆浆液基浆物理测试、注浆混合浆液适配实验、确定浆液配比单等过程。

根据试验要求，在矿区50 km范围内对潜在注浆材料进行广泛调查，主要包括煤泥、黏土、风化泥岩等材料。在广泛调查的基础上，对潜在注浆材料进行原材料物理测试，判定其是否能够满足配浆技术要求，表2为部分材料试验数据。试验结果表明，3种试验黏粒含量及塑性指数均满足配浆需求，可进行后期配浆试验。

在确定黏土原材料的基础上，对其混合浆液性能进行了多次试验，试验内容主要包括浆液凝结时间、流动性、结实率、塑性黏度、塑性强度等指标。试验基浆选取1.05、1.10、1.15 g/cm33个标准，水泥选定为50、75、100、125、150、175、200、250 kg/m3。由于本次试验以浆液扩散半径尽量大为原则，因此水玻璃一律均按水泥添加量的3%选择。部分试验测试结果见表3。

浆液的初凝时间是影响浆液在地层中扩散的重要指标，试验中测试混合浆液的塑性强度值来评定其初凝时间，图4为浆液塑性强度的增长规律，图中可以看出浆液塑性强度的增长大体可以分为2个阶段:在第一阶段为塑强增长缓慢阶段，第二阶段为塑强增长速度加快阶段。在第一阶段浆液仍处于液态状况，还保持良好的触变特征；第二阶段浆液开始凝胶，浆液的塑性强度急剧增高，浆液与裂隙面的黏着网络基本形成，并具备了相当的黏着强度。

注浆材料研究方面经过注浆材料调查、注浆原材料物理实验、混合浆液适配实验及初步工业试验最终确定了适合本工程的浆液配比，配比单见表3。

2.3.2 钻探工艺研究

根据本工程特点，设计需要采用“鱼刺”型注浆钻孔，为满足工程需要，现场开展了“鱼刺”型钻孔钻探工艺研究。针对分支孔施工，设计了专门的施工器具，包括柔性钻杆、螺杆钻具、导向套及内含柔性钻杆、造斜钻头与稳斜钻头、测斜仪器及导斜器6个部分，鉴于篇幅限制仅以柔性钻杆给予说明，图5为柔性钻杆形态。

柔性钻杆是造斜段钻进工器具的主要组成部分，其作用是传递扭矩、传递钻压。柔性钻杆在抗拉强度和中空冲洗液通道等方面虽然与普通钻杆一致，但由于分支孔造斜段曲率半径仅为小于5 m的弯曲孔段，普通钻杆不能穿过弯曲孔段，因此需要柔性钻杆具有自身能够进行任意径向方向的自由弯曲，用于抵抗弯曲孔段对钻杆回转时形成的强烈挠曲运动导致的疲劳损坏的性质。

由于要求柔性钻杆自身具有在不受径向外力的作用下能够形成规定曲率的弯曲状态的特性，首先需要对柔性钻杆的曲率半径进行计算：

式中，R为钻杆曲率半径，m；L为柔性钻杆单节长度，m；θ为单节弯曲度数，（°）。

由上式可知，柔性钻杆的曲率半径（弯曲强度）由柔性钻杆的单节长度和单节弯曲度数2个参数确定。

钻探施工方面，“鱼刺形”空间结构钻孔施工。根据分支孔与主孔施工的上下顺序可分为下行式分支孔施工和上行式分支孔施工2种施工方法。图8为下行式分支施工工序，上行式分支孔施工工序不作详细介绍。

3 试验成果评价

本工程累计完成主孔钻探2 400 m（主孔3个，检查孔2个），分支孔43个，分支孔钻探1 500 m，所有分支孔曲率半径均小于5 m，分支角度大于30°，方位角偏差小于±10°。表4为分支孔测试结果。

在完成上述钻探工作的基础上完成改性黏土浆注浆660 m3，为设计注浆量1.5倍，浆液扩散范围达到设计要求。另外，由于该试验段长度只有60 m，该试验段的堵水帷幕不足以引起矿坑水的变化，因此，实施过程中采用了资料分析、检查孔施工、物探测试等手段用于评价该试验段的堵水效果。检查孔施工过程中压水段最大值为0.75 Lu，其中96.4%分布在0.5 Lu以下，所有压水段均小于1 Lu，表明试验段帷幕体的连续性良好。资料分析采用了叠加效应的分析方法，叠加效应是指通过前序孔的注浆影响到了后序孔的注浆量（或地层透水性），注浆量（或地层透水性）一般呈现出后序孔小于前序孔的趋势［9-10］。该试验段注浆量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔叠加效应非常明显，同时与行业内成功案例的叠加效应具有一致性，具体数据见表5，工程注浆效果比较理想。

备注：造斜点埋深280 m，设计方位角90°，反扭角29°。

4 结论

（1）云南某水患矿山通过实施“鱼刺型”钻探工艺和改性黏土浆注浆工艺研究取得理想堵水效果，注浆量达到设计注浆量1.5倍，符合行业内堵水率要求。

（2）“鱼刺型”分支孔曲率半径均小于5 m，分支角度大于30°，方位角偏差小于±10°试验获得成功，在揭露地层直至裂隙、扩大钻孔和钻窝间距方面具有明显优势和重要作用。

（3）改性黏土浆新型注浆材料可以明显提高浆液稳定性，针对透水性相对较弱地层和长距离输送施工条件，可以明显提高浆液的扩散范围。