地面预注浆钻孔结构的优化设计

陈振国

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

注浆法是利用压力将具有胶结性能的浆液通过钻孔注入岩土体或建筑物中，使其物理力学性能得到改善的一种方法。我国的注浆技术研究起步较晚，20世纪50年代以前所做工作很少，50年代之后开始逐步掌握注浆技术。近年来，注浆法在土木工程各个领域都得到了长足发展和广泛应用［1-2］。在井巷工程中，注浆法已成为封堵地下涌水、加固井巷软弱围岩、充填地下大体积空洞的主要手段［3］。

按照注浆与井巷工程掘砌施工时间的先后顺序分为预注浆（包括地面预注浆、工作面预注浆）和井巷后注浆（包括壁后注浆、壁间注浆和裸体井巷注浆等）［4］。1958年，我国在峰峰矿区薛村煤矿的主、副井筒第一次应用立井井筒地面预注浆技术，堵水率达96.3%［5］，而后井筒地面预注浆技术在华北、华东、东北、西北逐步推广开来［6-9］。云南昭通的铅锌矿、河北唐山的铁矿等非煤矿山也利用地面预注浆技术，取得了理想的治水效果［10-11］。以往地面预注浆技术主要用于辅助立井井筒的建设，而因其在工期、质量、施工作业条件等方面的优势，近年来越来越多的巷道、硐室、煤矿工作面等也采用地面预注浆技术［12-16］。

大贾庄铁矿主井溜破系统分为主溜井、上部矿仓、破碎硐室和下部矿仓。根据大贾庄铁矿主井溜破系统岩土工程勘察报告，预计溜破系统开挖时的涌水量为187 m3/h，直接开挖及工作面注浆难度较大且工程质量难以保证，所以采用地面预注浆工法对含水层进行治理。本研究针对溜破系统拟建区域地质条件的特点，对注浆钻孔结构进行优化设计。

1 溜破系统拟建区域工程地质条件

根据钻探揭露，溜破系统拟建区自上而下主要岩土层分布：上部第四系全新统（Q4）冲洪积成因的粉质黏土、粗砂、卵石、圆砾，中部上更新统（Q3）冲洪积成因的粉质黏土、卵石、圆砾、砾砂，下部中更新统（Q2）冲洪积成因的粉质黏土、中砂、粗砂、粉质黏土夹黏土及残积成因的砂质黏性土，底部上太古界滦县司家营组（Ar2S）混合岩、混合花岗岩、黑云变粒岩、伟晶岩脉。溜破系统拟建区域岩层分布见表1所示。

2 注浆钻孔总体设计

溜破系统地面预注浆工程根据受注岩体的空间区域特点，设计了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3类注浆孔，注浆钻孔的注浆起止深度及钻孔个数如表2所示。3类注浆钻孔各分两序进行施工。注浆钻孔在地面大致均匀布置，Ⅰ、Ⅱ类孔分别为6个和12个直孔，Ⅲ类孔的一序为5个直孔，二序的5个注浆孔是分别从一序孔的375 m深度分叉形成。

3 钻孔结构设计

3.1 钻孔结构初步设计

在立井井筒特殊凿井的施工方案中，第四系和基岩风化带采用冻结法施工，下部基岩采用地面预注浆法施工，一般地面预注浆钻孔的套管直接下至注浆起始深度。Ⅱ、Ⅲ类钻孔的初步设计如图1（a）和图2（a）所示（Ⅰ类钻孔与Ⅱ类钻孔的设计相似）。注浆起始深度以上的孔径为215.9 mm，下放ϕ168.3 mm套管。本工程使用的四方方钻杆尺寸为133.35 mm，下部公接头的外径DL为177.80 mm，全长12.20 m，所以在钻孔顶部设计约20 mϕ219.1 mm×8 mm套管。使用的钻杆为73.0 mm和88.9 mm钻杆，所以设计注浆段的孔径全部为133.4 mm。

3.2 钻孔结构初步设计问题分析

溜破系统2个勘察孔在表土段揭露了多段的不稳定土层见表3所示。且风化层和基岩层钻进过程中极易发生钻井泥浆漏失的情况，一旦钻井液漏失，提钻不及时，上部砂卵砾石层坍塌必然发生埋钻事故。所以钻孔结构的A方案不可行，需要在钻孔穿过表土段和基岩风化带后（190 m）及时下入护壁套管。

3.3 钻孔结构的优化设计

针对此问题，提出了如图1、图2所示的B、C、D 3种设计方案。3种设计方案的钻孔孔径和支护形式如表4所示。

虽然勘察孔在190～524 m段揭露多层破碎带，而注浆造孔过程中，钻孔孔壁相对稳定，没有发生塌孔或掉块的现象，所以方案B、D设计的裸孔段不会对造孔或注浆造成威胁。方案C中ϕ159 mm×6 mm套管与ϕ219.1 mm×6 mm套管重叠10～20 m。方案D中在注浆起始深度的上部甩下约20 mϕ159 mm×6 mm套管，并用水泥浆固管。

3.4 甩管、固管施工工艺

在方案C和方案D中均设计了甩管的施工工艺，如图3所示。工艺流程：ϕ88.9 mm钻杆通过螺丝头（带反丝公扣）和喇叭口（带反丝母扣）与套管反扣连接，将ϕ159 mm×6 mm套管下放至设计深度；通过钻杆压送单液水泥浆固管，浆液自套管内经套管壁外的环形空间没过螺丝头后，正向旋转钻具，螺丝头与喇叭口分开，最后将螺丝头和钻具提拉上来。所以自喇叭口至ϕ159 mm×6 mm套管底口，管壁内外都是水泥浆，约7～8 h后，下钻将套管内的水泥浆冲扫出来。

4 钻孔结构分析

4.1 3种设计方案的比较分析

钻孔的破岩量指钻进过程中破碎岩石的体积，可以表征钻头的消耗量和钻进工时的消耗量；ϕ159 mm×6 mm套管下放至预设深度后固管的水泥浆用量和套管用量是钻孔施工的主要成本分析指标。而止浆效果是钻孔结构设计的重要技术评价指标，分别以这4个指标对钻孔的3种结构设计进行分析，如表5、表6所示。

注：各项指标均为单孔的计算数值；水泥浆用量指ϕ159 mm×6 mm套管的固管水泥浆用量；C方案中取两种套管重叠16 m；D方案中取ϕ 159 mm×6 mm套管长20 m。

通过表5可以看出，方案C与方案D的止浆效果相当，而方案C的施工成本高；通过表6可以看出，方案B与方案C的止浆效果相当，而方案C的施工成本高，所以Ⅱ、Ⅲ类钻孔的方案C都不可取。

4.2 方案B与方案D的选择

方案D的特点是施工成本高，止浆效果好；方案B的特点是施工成本低，而止浆效果取决于地层条件。

Ⅱ类钻孔方案B，在注浆时需要在约520 m深度止浆，如图4（a）所示；其他5个钻孔也需要在相同的深度止浆，如图4（b）所示，而非注浆孔不能在190 m位置的套管内止浆，原因是一旦浆液串入图4（c）的钻孔内，浆液必然会进入190～524 m非注浆段岩层的裂隙中，造成浆液的浪费。所以方案B的适用条件是约520 m的岩层能够止浆。

根据大贾庄铁矿主井、1#副井地面预注浆的施工经验，一序孔施工过程中，岩石未曾受到外界环境影响，岩石硬度较高，止浆效果较好。黏土水泥浆或单液水泥浆中的水泥水化的过程中产生OH-，浆液呈碱性，在通过裂隙的扩散过程中对岩石造成一定程度的侵蚀，所以在二序、三序孔的施工过程中，止浆效果逐渐变差。

综上所述，大贾庄铁矿溜破系统地面预注浆工程，在一序孔施工过程中，宜选用方案B；在二序孔施工过程中宜选用方案D。

注：各项指标均为一个直孔加一个分枝孔的计算数值；水泥浆用量指ϕ159 mm×6 mm套管的固管水泥浆用量；C方案中取2种套管重叠16 m；D方案中取ϕ159 mm×6 mm套管长20 m。

5 结论

大贾庄铁矿溜破系统地面预注浆工程针对拟建区域地质条件的特点，和受注岩体的空间区域特点，对注浆钻孔结构进行了多方案的设计。通过各项技术经济指标的比较分析得出如下结论：在一序孔的施工过程中，因岩层止浆效果好，宜选用的方案是190 m深度以上采用ϕ168.3 mm×6 mm套管支护，190 m深度以下全部为ϕ133.4 mm裸孔；在二序孔的施工过程中，因岩层的止浆效果变差，宜选用的方案是190 m深度以上采用ϕ219.1 mm×6 mm套管支护，在注浆起始深度的上部甩下约20 mϕ159 mm×6 mm套管，2种套管之间设计ϕ190.5 mm裸孔段；设计注浆段的钻孔孔径均为ϕ133.4 mm。