中关铁矿帷幕注浆成果概述

石亮亮1，王利飞2

（1.华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021；2.中佳勘察有限公司河北石家庄050021）

摘要：邯邢地区蚀变灰岩为埋深较深的软弱岩类，钻探、注浆施工难度较大。文章以中关铁矿帷幕注浆工程为背景，对蚀变灰岩的特性以及对钻探、注浆的影响作了深入研究，获得的经验可供同类工程借鉴。

关键词：帷幕　蚀变灰岩　钻探和注浆

1.引言

帷幕注浆施工时钻探揭露矿区地层情况较为复杂。钻探施工难度最大的孔段是中奥陶系灰岩地层发育的蚀变破碎带。蚀变灰岩形成的蚀变带深度从十几米到几十米，宽度不一，范围覆盖整个矿区。由于蚀变灰岩孔段是事故多发孔段，很大程度影响了钻探施工的效率和整个工程的进度，了解它的形成机理，熟悉它的工程特性，对指导蚀变灰岩孔段的钻探、注浆工作有很大帮助，同时可以保证高质量、高效率完成项目施工。

2.工程背景及矿区地质情况

2.1　工程背景

河北钢铁集团矿业公司沙河中关铁矿位于沙河市白塔镇中关村附近，中关铁矿埋深大，储量大，总储量有9　345万t，矿区水文地质情况复杂。为解决铁矿原料紧缺问题，河北钢铁集团拟开采中关铁矿，并决定采用帷幕注浆的治水方案。

为保证大水矿山得以顺利开采，华北有色工程勘察院承担了帷幕注浆工程。帷幕注浆工程于2008年5月正式开工至2010年12月结束施工，完成帷幕施工方案设计的注浆孔、观测孔、检查孔、加密孔（四类）共360个钻孔，其中最深孔810m，总钻探进尺达20万延米。

2.2　矿区地质情况

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。奥陶系蚀变灰岩是工程中少见的软弱岩类，钻孔钻进及注浆施工难度大。我们把中关矿区帷幕施工中涉及到的地层分布情况大致分为如下几部分。

（1）第四系：表层有10.00m左右的砂砾石层，中部以杂色黏土为主，夹杂着粉细砂层；下部以含黏土碎石层为主。厚度35.00～120.00m，平均厚度72.12m，层底平均标高＋159.72m。

（2）石炭—二叠系：岩性主要为砂、页岩，厚度变化较大，局部缺失，最大厚度70.0m，平均厚度24.20m，层底平均标高＋135.52m。

（3）中奥陶系：岩性以石灰岩、结晶灰岩和大理岩为主，厚度224.10～589.00m，平均厚度416.17m，层底平均标高－280.65m。

（4）燕山期闪长岩：技术要求的终孔底板。岩心形态为块状，质硬性脆，所含主要矿物成分有角闪石、正长石等。

矿区主要含水层为奥陶系中统石灰岩，石灰岩裂隙岩溶发育，大量钻孔资料证明，钻孔平均裂隙率在7‰左右，岩溶发育也极不均一，溶洞从几厘米到几米。

3.浅析蚀变围岩的成因

中关铁矿矿体位于邯郸—邢台矽卡岩式铁矿成矿带，铁矿体空间上主要赋存于燕山期闪长—二长岩与中奥陶统各组碳酸盐岩的接触带，少量产于碳酸盐岩内及侵入岩体内部。中关矿区矽卡岩矿床近矿围岩具有不同程度的蚀变，且蚀变程度与矿床规模大致成正比关系。经过分析、研究，我们认为中关矿区内蚀变岩本身岩体结构较为均一化，但其周围岩体由于热液上升时的冲击、挤压作用，岩体结构较破碎。

不同阶段的蚀变作用在时间上有先后，在空间上往往相互叠加，但是蚀变分带特征十分明显。综合帷幕注浆工程各钻孔的蚀变带分布情况，本区可以划分出3个蚀变带。

（1）大理岩或结晶碳酸盐岩带：围岩为碳酸盐岩受侵入热体变质重结晶作用形成的蚀变带，宽度不一，从十几米到几十米。

（2）磁铁矿带：顶部常直接与大理岩接触，界限分明，有的区段矿体与大理岩之间夹有透闪石、透辉石等矽卡岩。

（3）矽卡岩带：矽卡岩由透辉石、石榴子石、金云母等矿物组成。其中常包有残留的碳酸盐岩，且矽卡岩常与矿体相间出现，界限较为清晰。

我们分析了K177—K201钻孔地层后发现蚀变围岩的分布符合上述规律，具体情况可参见图1。

图1　K177—K201孔段地层剖面

1—第四系地层；2—石炭—二叠系地层；3—中奥陶系石灰岩地层；4—蚀变破碎带；5—矽卡岩；6—磁铁矿带；7—闪长岩

不同阶段的蚀变作用温度也不相同。通常蚀变温度由早期到晚期逐渐降低。温度的高低直接决定了蚀变的程度，结合本矿区钻孔资料，我们认为大理岩或结晶碳酸盐岩蚀变带钠长石化、矽卡岩化（即蚀变作用）程度充分，并把奥陶系蚀变岩定名为蚀变灰岩。(www.xing528.com)

4.蚀变灰岩的成分及特性

4.1　蚀变灰岩成分

（1）物理性质。颜色较杂，一般呈灰绿色、灰白色，岩芯硬度极低，岩心多呈块状，少数呈碎屑状，手可掰碎；胶结物为钙质，含少量黄铁矿颗粒和石灰岩碎块。

（2）化学成分。我们把蚀变程度较为充分的孔段进行取芯后分析，得到蚀变灰岩的化学成分，见表1。蚀变灰岩的物理性质和化学成分决定了它在本工程中的几个特性。

表1　蚀变灰岩化学成分W（B）（单位：%）

4.2　中关铁矿帷幕注浆工程蚀变灰岩的几个特性

（1）蚀变破碎带的水敏性。蚀变作用以降低岩石的黏聚力为主，水对蚀变灰岩的作用也是以降低黏聚力为主，随蚀变程度的增加，水的弱化作用增强。按照技术要求，帷幕注浆工程中要用清水钻进，清水比重小，无法对井壁提供足够的支撑力。使用泥浆以及其他形式的冲洗液进行护壁，会在一定程度上添堵岩石裂隙，影响注浆效果，因此不能使用。

（2）蚀变破碎带的可钻性。根据中关铁矿的钻探技术要求，钻探时采用金刚石钻进、Φ75mm绳索取芯的工艺，同时钻进过程中冲洗液使用清水。

蚀变灰岩强度、变形特性分别受蚀变程度及岩石性质共同影响，表现为：随蚀变程度的增强，抗压强度、抗剪强度及模量值降低；钻遇蚀变破碎带时，钻孔反水呈灰色—灰黑色，钻探进尺较快。加之其水敏特性，钻探过程中多诱发井故。

（3）蚀变破碎带的可注性。根据工程需要，要对地层经行压水、注浆工作，封堵地层裂隙，以达到堵水的目的。现将有代表性的孔段（K177—K201段）蚀变围岩段注浆情况统计如表2。从表中可以发现，在7个注浆孔共7段压水试验中，吕荣值均小于1Lu；从注浆实际效果看，7个注浆段单位注灰量都较小，说明蚀变围岩的透水性非常弱。

表2　K177—K201孔段注浆信息

5.蚀变灰岩段的钻探、注浆工作

为了避免在钻探或者注浆施工时出现井故，根据蚀变灰岩的特性，特提出如下几点建议。

5.1　钻探工艺

蚀变灰岩的物理力学性质较差，钻探施工中，在冲洗液的冲刷作用下，蚀变灰岩易发生坍塌掉块、缩径，经常造成井内事故，影响施工进度。因此需要对蚀变层进行处理，通常采用以下两种方法。

（1）浓水泥浆液灌注（针对蚀变层厚度小的蚀变层）。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）套管护壁（针对蚀变层厚度大的蚀变层）。根据岩芯情况合理安排注浆段长，当进入蚀变灰岩的顶板时，停止钻探施工，进行此段的注浆，然后在钻进中快速穿过蚀变灰岩层，完成压水试验、注浆后，下入井壁管进行护壁。

5.2　压水注浆工作

蚀变灰岩透水性弱，吃浆量小（表2）。压水实验采用微压；注浆时采用低压、稀水泥浆液，稳定一段时间，不破坏井壁的结构。如果蚀变程度严重，压水注浆工作完成后地层产生掉块、坍塌，可以采用浓水泥浆液灌注法进行处理。

6.结论

中关铁矿矿区蚀变层施工难度较大，容易诱发井故。通过对蚀变灰岩特性的研究，有效地提高了该孔段的钻探、注浆施工效率，取得一定的经济效益。

参考文献：

石亮亮，蒋鹏飞，韩贵雷.灌浆在处理钻探事故中的应用［J］.现代矿业，2010.9.

杨根兰.蚀变岩特性及工程响应研究［D］.成都理工大学，2007.9.

郑建民，毛景文，李广栋，等.冀南邯郸—邢台地区矽卡岩铁矿的地质特征及成矿模式［J］.地质通报，2007.2.

（本论文发表于《现代矿业》2011年8月）