中关铁矿帷幕注浆工程科技应用成果

石亮亮，蒋鹏飞，韩贵雷

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：中关矿区地层复杂，钻探中经常遇到孔内事故以及钻孔偏斜等情况。针对这些问题，结合钻探施工中的处理措施，提出灌浆处理法以及需要注意的问题。该方法提高了施工进度，同时也能节约人力、物力，达到缩短处理时间的良好效果。

关键词：钻探施工　灌浆处理　具体措施

1.引言

中关铁矿帷幕注浆工程采用钻探的方式，揭露地层中的大裂隙、溶洞；同时用帷幕注浆技术对大裂隙、溶洞进行填充，使其达到一定的扩散半径。整个帷幕形成一个地下隔水“幕墙”，把矿区内外的奥陶系石灰岩含水层隔断，从而使大水矿藏得以开采。钻探工作是帷幕注浆工作的前提，实际工作中遇到的问题比一般地质勘探工作要复杂，在保障钻探进度的情况下，提高处理钻探事故的效率，才能保证整体工程顺利完成。本文介绍了处理钻探中几种特殊情况的方法，为同类工程积累了经验。

2.工程概况

河北钢铁集团矿业公司沙河中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，南北长2　000m，宽800m左右，矿床平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～700m，总储量9　345万t。帷幕注浆钻孔需穿越第四系、石炭—二叠系、中奥陶系、燕山期闪长岩，其中包括蚀变灰岩带、断层带、破碎带等地质情况及水文情况复杂的关键地层，钻孔钻进及注浆施工难度大。

帷幕注浆工程由华北有色工程勘察院承担，注浆帷幕线设计南北长1　140m，东西最大宽度890m，平面上形成环形全封闭的帷幕，全长3　397m，由270个注浆孔、20个观测孔、34个检查孔、36个加密孔共360个钻孔构成，其中最深孔810m，总进尺201　906延米。

3.影响钻探施工的因素

影响中关铁矿帷幕注浆工程钻探施工的因素很多，归纳起来主要有钻孔偏斜、复杂地层、钻探事故及注浆事故等。

3.1　钻孔偏斜

钻孔发生偏斜是钻探工程中常见的情况，对帷幕注浆工程的影响主要表现在以下两方面。

1）孔斜使钻孔地质资料准确性差

（1）一但钻孔发生偏斜，使所要了解的地质资料不准确，对岩层或构造带的空间位置、厚度、结构的分析有直接影响。

（2）钻孔偏斜后，钻头在孔内的回转不稳定，致使采取到的岩心很细，甚至保存不住岩心，严重地影响岩心的采取率。

2）孔斜对灌浆质量的影响

钻孔发生偏斜的情况时，进行注浆工作，浆液充填的有效范围彼此衔接不起来，破坏了连续帷幕的整体性，使注浆质量受到影响。

中关铁矿帷幕注浆工程中，钻孔的最大偏距要求不能超过钻孔设计深度的6‰。钻探任务大，钻孔偏距要求高，一旦钻孔偏斜过大不符合设计要求，就需要纠正。

3.2　复杂地层

本区存在一层或多层泥质灰岩及蚀变破碎带，见图1。

图1　破碎岩芯

蚀变破碎带强度低，且遇水崩解、泥化，同时帷幕注浆工程中要求用清水钻进，无法使用泥浆进行护壁。清水比重小，无法对井壁提供足够的支撑力。加之蚀变破碎带的水敏特性，地层产生缩径、掉块等现象，诱发事故。在蚀变破碎带中钻进，存在很大的安全隐患，需要对地层及时进行处理。

3.3　钻孔事故

人为操作、地层掉块缩径、钻孔偏斜、地质套管下放、注浆因素，以及钻杆的磨损等众多原因，都可能导致断钻、卡钻、埋钻的孔内事故。

在处理各类因素引起的井故时，通常使用反丝钻杆反取井内事故钻具的方法处理。但是很多情况下，不能把井内事故钻具全部处理上来，下部事故无法处理，需要进行造斜。

3.4　注浆事故

（1）绕塞返浆。绕浆是帷幕注浆过程中经常发生的事故之一，主要是由于注浆段与止浆塞以上的孔段之间有裂隙相通，或者是止浆塞安放位置凹凸不均，堵塞不严密，止浆塞压胀程度不够，压塞不紧密等，水泥浆液沉淀在塞子上部，使塞子无法起拔，造成事故。

（2）串浆。串浆在帷幕注浆过程中也时有发生。相邻施工钻孔被串浆，返出冲洗液中会有水泥，如果串浆不能被及时发现，会造成钻孔事故。

注浆事故发生后，要及时进行处理，否则时间长了，水泥达到凝固，给下一步处理带来困难，需要造斜。

3.5　针对性处理方法

上述四种情况在中关铁矿帷幕注浆工程钻探工作中经常遇到，通常采用的方法是灌浆处理。

（1）处理蚀变破碎地层。用高压喷头将蚀变破碎带冲出一个较大的空膛后用水泥灌注，等水泥凝固后重新扫孔，空膛内的水泥能够对蚀变灰岩起到良好的支撑作用。

（2）处理事故以及纠斜。直接采用泥浆泵将配制好的水泥浆液通过钻杆压入孔内需要灌注的孔段，受孔深的限制小。

灌浆（多采用水灰比为0.6∶1的水泥浆液）后待水泥达到一定强度，再利用钻孔纠斜设备（图2）进行造斜。方法见图3。

图2　灌水泥浆现场

图3　灌浆示意

4.灌注水泥的原理

怎样灌注水泥浆，并且使回填的水泥能够在短时间内达到一定的强度，达到项目部优质、高效、安全的宗旨，成为我们必须面对的问题。

灌注水泥浆液一般分为以下几个步骤：选择合适水泥；加入适量的外掺剂；配置合适浓度的水泥浆液；计算好替水量以及灌注的方法。

4.1　水泥种类的选择(www.xing528.com)

常用的有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐型水泥等。一般多使用P.O 425号普通硅酸盐水泥制浆。

4.2　水泥常用外掺剂的使用

灌注水泥浆液所需要的候凝时间越短，对整体工程越有利，因此常常加入促凝早强剂，促进水泥凝结，加速水泥浆的硬化过程并提高水泥的早期强度。

中关铁矿帷幕注浆工程中常用的促凝早强剂有氯化钙、氯化钠、三乙醇胺及水玻璃溶液。

（1）氯化钙（CaCl2）：是普遍采用的一种促凝早强剂，对水泥既有早强作用，又能改善水泥浆的流动性。加量一般为水泥重量的1%～3%。

（2）氯化钠（NaCl）：俗称食盐，其使用效果比氯化钙要差，但也常用。其加量一般为水泥重量的1%～3%。

（3）三乙醇胺：它是一种无色或淡黄色油状液体，呈碱性，溶于水。加量一般为水泥质量的0.03%～0.05%。

（4）水玻璃：在水泥浆液中加2%～3%的水玻璃，凝结时间可缩短30%～40%，而当加量少于2%时则有延长初凝时间的作用，要求加入时要计算好使用量。

工厂生产的水玻璃浓度为50～56波美度（°Be′），而一般注浆则多采用35～40波美度（°Be′），故使用时需加水稀释。稀释时，需要加入的水量可用下式进行计算：

式中：V原为稀释前的水玻璃体积；d原为稀释前水玻璃的密度；V水为需要加入的水量；V新为稀释后新的水玻璃的体积；d新为稀释后新的水玻璃的密度。

此外，还要知道水玻璃的波美度（°Be′）与密度d间的关系，两者的换算式为：

中关铁矿帷幕注浆工程中，经过多个钻孔试验，确定有四种配方既能缩短水泥凝固时间，也能保证其强度。配方中试剂及配比见表1。

表1　灌浆量及外掺剂使用

4.3　配制水泥浆的有关计算

（1）水泥浆量计算，公式如下。

式中：V为水泥浆体积，L；K为附加系数（包括地面损耗、钻孔超径、渗透和漏失、孔内稀释等），一般取1.2～1.4；D为钻孔直径，mm；h为灌浆孔段长度，m。

（2）干水泥用量和用水量计算，公式如下。

式中：Q为配制V升水泥浆所需干水泥量，kg；V为水泥浆的体积，L；g为配制1L水泥浆干水

4.4　水泥结石的强度

中关铁矿帷幕注浆工程中，多个钻孔采用灌浆处理事故。利用表1中所述外掺剂加量使用，得到的水泥结石能达到预期强度。见表2。

表2　水泥结石试验结果

注：试验数据由中关铁矿帷幕注浆工程实验室现场试验所得。

5.灌浆时注意事项

为了使灌注水泥浆液在短时间内达到工程目的，要注意以下事项。

（1）灌注前，如孔内岩粉较多，应扫孔到底，使孔内畅通，才能灌浆；对泥浆泵、钻具、胶管等系统地检查，确保泥浆泵工作正常、管路畅通无阻。钻杆不能下到井底，否则会憋泵，钻杆离井底0.2～0.3m。

（2）灌注时，水泥浆液不能断供，水泥浆全部浆量应一次灌完。适当开车慢转以防止卡钻，也有利于沉渣与水泥。应有人专门看管泥浆泵莲蓬头以防止堵塞，水泥浆全部吸完后立即进行替浆作业并清洗管路和泥浆泵。

（3）灌浆工作完成后，为保持孔内压力平衡，防止造成真空抽吸作用，提钻时速度要慢，还应回灌冲洗液。

6.结论

通过对中关铁矿帷幕注浆工程钻探过程中孔内事故、钻孔纠斜以及地层的详细分析与研究，最终确定了灌浆处理钻探事故的措施，同时得到以下结论。

（1）灌浆处理的优势，在于灌浆后形成的水泥结石和钻孔孔壁形成稳定的胶结物，在下部钻探过程中没有安全隐患。

（2）在处理钻探事故时，能达到节省人力、物力以及缩短处理时间的目的。

参考文献：

韩贵雷，等.中关铁矿深孔帷幕注浆过程井故分析及防治.华北有色工程勘察院，2008.

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游红江.帷幕灌浆孔孔斜原因与处理［J］.河北勘察，2009，3.

（本论文发表于《现代矿业》2010年9月）