组合钻孔在帷幕注浆中的应用_赵晓明.pdf

组合钻孔在帷幕注浆中的应用赵晓明1,2,郑佳晨1,2,章爱卫1,2(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 2 4;2.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 0 5 0 0 2 4)摘 要:深埋矿体和复杂地质条件给钻探施工带来了极大的困难,是帷幕注浆面临的重大难题之一。依托于某矿北部帷幕注浆试验工程,成功将直孔+S型分支孔+“鱼刺”型分支孔相结合的组合钻孔应用到帷幕注浆中,有效地提高了钻孔对高角度裂隙的切割概率,保障了幕体的防渗性能,增加了帷幕注浆浆液扩散范围,提高了矿山帷幕注浆工程施工的安全度。同时,根据实际钻探施工情况,及时进行信息化施工调整,对钻孔组合布置、设计参数及施工工艺进行优化改进,保证工程质量的前提下,降低了施工难度,减少了钻窝的施工数量,有效降低了矿山投资。研究成果不仅为整个帷幕工程提供了技术支撑,还为国内类似条件矿山帷幕注浆工程提供了借鉴。关键词:帷幕注浆;组合钻孔;复杂地质条件;单位透水率;单位注浆量0 引言矿山帷幕注浆技术是一种大水矿山地下水治理的有效技术手段。近年来,帷幕注浆技术发展迅速,理论与技术不断精进,帷幕注浆技术成功治理矿山地下水患的实例越来越多。但随着矿产资源的不断开采,浅部易开采的矿体越来越少,矿产资源开采难度逐步提高,开始出现深埋矿体、地层高角度裂隙发育和井巷工程内施工等特殊条件下帷幕注浆工程,传统矿山止水帷幕钻探施工工艺不能解决上述技术难题1。在传统帷幕注浆技术的基础上,“鱼刺”型分支孔24和S型分支孔57的出现,有效地提高了地层高角度裂隙的揭露率,保证了浆液的扩散半径;增大了井巷内帷幕钻孔间距,保证了钻窝整体安全性。但是在岩溶裂隙发育、地层破碎带较多等地质条件复杂的情况下,“鱼刺”型分支孔施工难度大,成孔率低,对柔性钻杆的损耗大,严重影响钻探施工效率,并且增加了施工成本。通过本次研究,从钻孔组合形式的布置、钻孔设计参数及施工工艺进行改进优化,有效地降低了施工难度,提高了注浆效果,增加了工作效率,降低了帷幕投资成本。1 项目概况某矿北部帷幕注浆试验工程位于云南省昭通市高原峡谷地区,地质条件差。试验段揭露地层有二迭系栖霞茅口组(P1q+m)灰岩和二迭系上统峨眉山组(P2),矿区地层受多期构造运动影响下,断层非常发育,对矿区充水影响很大。经过长期水文地质勘察,北部帷幕轴线岩溶现象明显,岩心及井下电视显示溶孔较为发育,总体表现出浅部溶蚀作用强,深部溶蚀作用弱以及西部溶蚀作用强,往东溶蚀作用逐步减弱的特点,通过地下岩溶网络和构造裂隙将岩溶区连接为统一的含水体。由于原有的二迭系梁山组(P1l)和石炭系丰宁统万寿山组(C11)两个相对隔水层的隔水性能不佳,导致不同时代的地层岩溶体水力联系非常密切。结合北部帷幕勘察成果和相关水文地质研究,确定了矿体含水层的主要充水来源为北部栖霞茅口灰岩岩溶裂隙地下水,导水通道是本次勘察工程所揭露的西北、北部和东北3个主要导水通道,因此采用帷幕注浆的方式解决矿山水害问题。本试验段采取直孔+S型分支孔+“鱼刺”型分支孔相结合的组合钻孔形式沿帷幕线布置,垂直孔和S型分支孔间距为1 0m,“鱼刺”型分支孔垂向间距为2 5 3 0m不等。由于矿区北部地层岩溶裂隙发育,地层破碎带较多,为钻探施工带来了极大的困难。钻孔施工过程中,易发生塌孔、埋钻、卡钻、断钻事故,导致“鱼刺”型分支孔施工难度大,对柔性钻杆的损害大,严重影响钻探施工效率,并且钻探成本剧增。为解决I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.035以上问题,特对其进行试验研究。2 试验过程2.1 钻孔设计参数及布置本试验段钻孔采取直孔+S型分支孔+“鱼刺”型分支孔相结合的形式。钻孔孔距1 0m,设计垂直注浆孔5个,B S K 1、B S K 5、B S K 9为序孔,B S K 3、B S K 7为序孔。S型分支孔5个:B S K 2、B S K 4、B S K 6、B S K 8、B S K 1 0,均为序孔。“鱼刺”型分支孔3 1个,序孔内的“鱼刺”型分支孔为序孔,序孔内“鱼刺”型分支孔为序孔;检查孔2个。“鱼刺”型分支孔设计参数为:每个主孔布置6个分支孔,首孔分支点位置为帷幕上限以下3 0m,顶角3 0,分支孔垂向间距2 5 3 0m不等,末孔位置为帷幕上限以下1 7 5m,采用两侧分支形式布孔;孔深为2 5m和3 0m两种类型。S型分支孔分支参数:分支点位置为帷幕上限以下1 0 0m,进入靶域深度为帷幕上限以下3 0 0m,单侧分支形式如图1所示。图1 试验段钻孔布置孔径:钻孔开孔孔径不小于 1 5 0mm,直孔和S型分支孔的终孔孔径不小于 1 3 0mm,“鱼刺”型分支孔的终孔孔径不小于 1 1 0mm。钻孔垂直度:直孔和S型分支孔偏斜率不小于实际孔深的0.8%;“鱼刺”型分支孔角度为3 0 1 0;分支方位不得偏离帷幕线 1 0。2.2 钻探施工质量控制(1)孔深。针对设计注浆孔孔径要求,钻孔孔深均超过6 0 0m,同时根据南部试验场定向分支孔取得的成果,选取钻进能力均达到1 0 0 0m以上的水源系列钻机和排量在6 0 0L/m i n以上的泥浆泵进行注浆孔施工,施工钻孔满足设计要求。(2)钻探过程中易发生掉钻、卡钻等现象,因此,钻机采用厚壁钻杆,钻杆口径在 8 9mm以上。(3)注浆孔开孔口径为 2 4 5mm,钻进1 0m后下 放 2 1 9 mm地 质 套 管 进 行 护 壁;换 径 1 3 0mm至终孔;为增加裂隙的揭露机率,分支孔终孔孔径为 1 2 2mm。(4)垂直度和偏斜角度。设备安装时对其进行水平校核,保障设备水平;开孔前对主动钻杆进行垂直度校正,确保开孔垂直度。钻进过程中,增加钻铤的数量,确保钻孔垂直度。经常对主动钻杆进行检查,发现弯曲立即进行更换。主孔垂直度和分支孔方位定向采用光纤陀螺测斜仪进行跟踪测斜和定向,频率为5 0m/次。主孔发现有超偏趋势,采用螺杆钻具进行定向纠斜。分支孔的偏斜度检测采用L H E 1 6 0 1 A型多点测斜仪。造斜钻进完成后进行测斜,如满足设计要求,继续稳斜钻进;不满足要求,则采用改变钻进参数的方式或封孔后重新开孔的方式进行纠正重新定向。终孔后进行一次测斜。3 工程效果分析为更好地验证组合钻孔的帷幕注浆施工效果,现对注浆成果进行分析。3.1 叠加效应分析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。全孔叠加效应分析见表1。表1 全孔叠加效应分析孔序平均单位注浆量/(m3/m)平均单位透水率/L u1 8.5 54.9 51 0.5 61.9 66.8 81.4 3 从表1可以看出,序孔平均单位注浆量达到1 8.5 5m3/m,平均单位透水率为4.9 5L u,表明场区地层透水性较强,注浆量较大;而经过序孔注浆,序孔的平均单位注浆量仅为1 0.5 6m3/m,只有94赵晓明,等:组合钻孔在帷幕注浆中的应用序孔 的5 6.9%,平 均 单 位 透 水 率 为序 孔 的3 9.6%;而经过、序孔注浆,序孔的平均单位注浆量为6.8 8m3/m,占序孔的3 7.1%,平均单位透水率为序孔的2 8.9%。、序孔注浆叠加效应非常明显,工程注浆效果比较理想,判断注浆钻孔孔距布置合理。3.2 频率曲线分析法分析3.2.1 单位注浆量频率曲线分析以北部帷幕注浆试验工程中各序孔注浆情况为基础,绘制各序孔注浆段的单位注浆量频率曲线见图2,区间分布见表2。由于B S K 1 0为试验段最东侧钻孔,没有分布在序孔、之间,因此数据从序孔中剔除。表2 各序孔注浆段不同单位注浆量区间分布统计孔序 1m3/m1 3m3/m3 1 0m3/m 1 0m3/m段数 比例/%段数 比例/%段数 比例/%段数 比例/%1 92 5.0 079.2 11 62 1.0 53 44 4.7 41 02 1.2 81 42 9.7 91 22 5.5 31 12 3.4 02 64 0.6 21 92 9.6 91 01 5.6 391 4.0 6图2 不同单位注浆量频率曲线由图2和表2可以看出,试验工程中序孔中6 5.7 9%的注浆段单位注浆量大于3m3/m,7 5.0 0%的注浆段单位注浆量大于1 m3/m;序 孔 中5 1.0 7%的注浆段单位注浆量小于3m3/m;序孔7 0.3 1%注浆段单位注浆量小于3m3/m。并且,随着孔序的增加,注浆量大的段次呈逐渐降低的趋势;而注浆量小的段次呈逐渐上升的趋势。3.2.2 单位透水率频率曲线分析绘制各序孔注浆段的单位透水率频率曲线,区间分布见表3。表3 各序孔注浆前不同单位透水率区间分布统计孔序 1L u1 2L u2 5L u 5L u段数 比例/%段数 比例/%段数 比例/%段数 比例/%2 43 1.5 82 22 8.9 52 12 7.6 391 1.8 423.7 73 26 0.3 81 93 5.8 500.0 0 1 11 3.7 56 68 2.5 033.7 500.0 0 由表3可以看出,毛坪铅锌矿北部帷幕注浆试验工程中序孔中有6 0.5 3%的注浆段单位透水率小于2.0L u;序孔中9 6.2 3%的注浆段单位透水率大于1.0L u,且在1.02.0L u的注浆段为6 0.3 8%;序孔注浆段平均透水率小于2L u的达到9 6.2 5%。3.2.3 频率曲线分析结果综合单位注浆量和注浆前单位透水率频率曲线区间分布情况见表4。表4 综合区间分布情况%孔序单位注浆量注浆前单位透水率 3m3/m 2L u3 4.2 16 5.7 96 0.5 33 9.4 75 1.0 74 8.9 36 4.1 53 5.8 57 0.3 22 8.6 89 6.2 53.7 5 由表4可以看出,通过、序注浆,施工场区范围内强富水带含水层的单位注浆量及单位透水率频率均按注浆次序呈现较明显的减少,表明注浆效果良好,该试验钻孔孔距合理、浆液扩散范围达到设计要求,各项注浆参数选择合理。3.3 单位注浆量权重分布分析从图3中可看出,整个试验段内序孔、序孔注浆量比较大,并且呈互补状态;序孔B S K 2、B S K 4、B S K 6、B S K 8、B S K 1 0的单位注浆量与两侧的、序孔相比较,明显减少。说明受地层裂隙发育不均一等因素影响,序孔注浆后局部位置仍存在隐患,但通过、序孔注浆的进一步补强,试验段内地层绝大部分裂隙得到封堵,地层透水性减弱,吸浆量明显减少,由此说明各序孔之间存在着明显的互补关系。同时,检查孔对各段检查其单位透水率均小于1L u。由此判断,浆液的扩散范围满足设计要求,幕体连续性较好。05采矿技术2 0 2 3,2 3(2)图3 各序孔注浆段平均单位注浆量权重3.4 帷幕体底部绕渗分析北部帷幕注浆试验工程帷幕下限以F 1断层为界,断层上盘帷幕下限进入二迭系峨眉山组玄武岩3 0m,且玄武岩单位透水率小于1L u;断层下盘帷幕下限为穿过F 1断层进入标高3 1 1.3m以下的弱透水层,且孔深最后3 0m单位透水率小于1L u。所有注浆孔最后一段施工状况见表5。表5 最后一段施工状况注浆孔 单位透水率/L u段长/m备注B S K 10.6 34 1.8 5B S K 20.8 42 6.4 9B S K 30.8 53 0.3 8进入玄武岩深度3 1.4 5B S K 40.9 12 1.0 6进入玄武岩深度3 4.5 3B S K 50.2 63 5.2 1进入玄武岩深度3 3.7 6B S K 60.5 13 8.0 8进入玄武岩深度3 8.0 8B S K 70.9 54 6.4 8进入玄武岩深度3 5.6 5B S K 80.8 72 1.5 8进入玄武岩深度3 1.5 8B S K 90.3 32 3.5 0进入玄武岩深度3 2.6 4B S K 1 00.8 92 2.3 8进入玄武岩深度3 1.8 7 由表5可知,最后单位透水率均小于1.0L u,由此可以判断幕底产生绕渗的可能性进一步减小。3.5 帷幕厚度分析帷幕的扩散范围直接关系到帷幕的整体搭接效果,良好的扩散范围可确保帷幕整体正常搭接,确保帷幕堵水效果8。本工程注浆过程中发生多次串浆现象(见表6),串浆孔的最小间距为1 0m,最大间距为4 0m,说明试验段范围内岩溶裂隙发育,有助于浆液的扩散,帷幕扩散范围满足设计要求。表6 钻孔串浆统计注浆孔注浆段位标高/m被串浆孔 串浆位置标高/m孔距/mB S K 1 2 8 4 7.1 3 8 2 0.4 1B S K 5 38 0 74 0B S K 9 3 8 1 8.7 4 7 8 7.6 6B S K 5 38 0 74 0B S K 26 5 7.8 1 6 0 7.8 1B S K 32 5 7.71 0B S K 65 2 8.1 1 5 7 9.4 8B S K 74 2 4.3 81 0B S K 63 2 9.4 6 3 7 8.0 9B S K 33 6 5.83 0B S K 82 9 9.0 0 3 4 9.0 0B S K 73 3 8.01 0 本次研究设置检查孔B J 1来检测浆液的搭接程度,以验证幕体的厚度。主要检验方式为分段透水率和岩心浆液结石的分布。检查孔B J 1孔深为7 1 2.7 9m,完成压水试验1 5段次(见表7),单位透水率均小于1L u,合格率为1 0 0%9 5%(矿山帷幕表7 B J 1压水试验成果段次顶板标高/m底板标高/m单位透水率/L u19 0 8.2 48 5 8.2 40.3 228 5 8.2 48 0 8.2 50.3 138 0 8.2 57 5 8.4 00.3 347 5 8.4 07 0 8.6 00.3 457 0 8.6 06 5 8.6 10.6 266 5 8.6 16 0 8.6 20.5 776 0 8.6 25 5 9.4 40.4 685 5 9.4 45 2 7.2 40.4 795 2 7.2 44 7 7.4 40.1 41 04 7 7.4 44 3 5.4 70.1 51 14 3 5.4 73 9 2.5 90.1 11 23 9 2.5 93 4 3.7 40.0 81 33 4 3.7 42 9 4.2 50.0 81 42 9 4.2 52 4 5.4 00.5 81 52 4 5.4 01 9 5.4 50.5 915赵晓明,等:组合钻孔在帷幕注浆中的应用注浆规范(D Z/T0 2 8 5-2 0 1 5)规范值),表明经过、序注浆孔的注浆施工,帷幕地层裂隙绝大部分被浆液封堵,帷幕厚度满足设计要求。检查孔B J 1岩心编录发现浆液结石2 5处,分别呈溶洞状和裂隙状充填,分布范围涵盖了大部分钻孔范围,宽度最大为0.4 2m。同样表明帷幕厚度满足设计要求。综上所述,试验段注浆过程中,浆液的扩散半径均超过设计值,帷幕的幕体厚度满足设计要求。4 结论组合钻孔结构(直孔+S型分支孔+“鱼刺”型分支孔)可满足矿上现有条件下帷幕注浆的需求,有效地增加了矿山帷幕注浆工程施工的安全度,提高了钻孔对高角度裂隙的切割概率,增加帷幕注浆浆液扩散范围,保障了幕体的防渗性能。组合钻孔结构可推广至空间受限矿山或区域的帷幕注浆或防治水领域,以解决巷道帷幕注浆安全问题,具有较好的推广意义。参考文献:1 王杰,杜嘉鸿,陈守庸.注浆技术的发展与展望J.沈阳建筑工程学院学报,1 9 9 7(0 1):6 0-6 5.2韩贵雷.“鱼刺”型钻孔改性黏土帷幕注浆工艺试验研究J.金属矿山.2 0 1 8.9:6 9-7 3.3赵晓明,毕海涛.鱼刺型分支孔稳斜钻进试验研究J.采矿技术,2 0 2 1,2 1(0 6):4 0-4 4.4章爱卫,刘大金,毕海涛,等.小曲率半径分支孔定向J.建井技术,2 0 2 0,4 1(0 2):2 9-3 3.5吴志臣,李云飞,王学军,等.多分支孔技术在浅层急倾斜煤层采空区注浆治理中的应用J.煤炭技术,2 0 1 9,3 8(0 7):1 3 6-1 3 8.6阎德保,万教育,王新,等.塔河油田“S”型定向井工艺及复杂分析J.钻采工艺,2 0 1 0,3 3(0 6):1 2 0-1 2 3.7李俊胜,王辉东,姜朝民.“S”型定向井钻具组合受力分析J.西部探矿工程,2 0 1 8,3 0(0 2):3 8-4 0.8刘鹏飞,梁树文,郑亮亮.帷幕注浆加固法在高含水率黄土隧道中的应用J.地下空间与工程学报,2 0 1 8,1 4(0 4):1 1 3 7-1 1 4 4.(收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 9)作者简介:赵晓明(1 9 7 9),男,河北石家庄人,高级工程师,主要从事矿山防治水工作,E-m a i l:7 0 7 4 7 3 6 7 2 q q.c o m。25采矿技术2 0 2 3,2 3(2)