中关铁矿帷幕注浆工程科技成果与防治措施

蒋鹏飞

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：在帷幕注浆施工过程中，在注浆对象复杂的地质、水文地质条件下，加之施工人员的技术水平、施工经验和责任心不足，操作工艺不当以及采用的设备不满足施工要求等因素的影响，极有可能发生绕浆固塞事故，事故的发生将给工程造成巨大的经济损失和工期的浪费。本文通过分析中关铁矿帷幕注浆工程中出现的绕浆事故，总结了其发生的原因，提出了事故的预防措施和处理方法。

关键词：帷幕注浆　绕浆固塞　事故预防

1.前言

在帷幕注浆施工过程中，进入注浆段内的水泥浆液，在压力作用下，绕过止浆塞渗流到钻孔上部，这种现象称为绕浆。如浆液继续抬升直至返出井口，称为井口返浆。

在采用下行式注浆施工中，绕浆的危害非常大，处理不好，将会使止浆塞和注浆管固结在孔内，从而无法继续进行下部的钻探和注浆工作，成为半截孔。

由于矿山治水时采用帷幕注浆方案一般注浆孔都比较深，一旦发生绕浆，又不能及时发现，浆液又发生胶凝甚至终凝，其处理是非常困难的，也是非常费时的，同时极易造成废孔。因此研究绕浆产生的原因并制定防治绕浆措施，是注浆施工过程中一项重要工作。

现根据中关铁矿帷幕注浆工程中发生的绕浆事故，分析其发生原因，制定防治措施，供同行参考。

2.中关铁矿矿区地质、水文地质条件

矿区位于丘陵区，地势起伏不平，西高东低，地面标高200.0～270.0m，高差70.0m，地表为第四系地层广泛覆盖。

2.1　矿区地质条件

矿区位于太行隆起东翼，武安凹陷北端，其出露的地层主要有如下几种。

（1）第四系：表层有10.0m左右的砂砾石层，中部以杂色黏土为主，夹杂着粉细砂层，下部以含黏土碎石为主。厚度35.00～120.00m，平均厚度72.00m。

（2）石炭—二叠系：岩性主要为砂岩、页岩，厚度变化较大，局部缺失，最大厚度70.0m，平均厚度24.2m。

（3）中奥陶系：岩性以石灰岩、结晶灰岩和大理岩为主，夹有泥质灰岩，厚度224.1～589.0m，平均厚度416.2m。

（4）燕山期闪长岩：是本区的基底，块状，主要矿物成分有角闪石、正长石等，最大揭露厚度60.5m。

2.2　矿区水文地质条件

矿区主要含水层为中奥统石灰岩，地下水位埋深150.0～230.0m，标高＋60.0m，地下水为潜水。石灰岩含水层平均厚度419.0m，含水层裂隙岩溶发育，裂隙成X形，轴面夹角较缓，连通性较好。

石灰岩含水层的富水性在水平上和垂向具有一定的分带现象，帷幕注浆施工对象处于矿区内的强富水区。

3.帷幕注浆设计和施工简介

中关铁矿是井下开采的大型矿山，预计－230m中段矿坑涌水量15万m3／d。为安全生产并保护环境水资源，计划采用帷幕注浆堵水方案堵截80%地下水进入矿坑。设计帷幕线长3397.0m，孔深370.0～810.0m，全封闭，单排孔，孔深要求进入闪长岩不少于10m。

由于中关铁矿帷幕注浆工程具有帷幕线长、孔深、技术要求高等特点，前期进行了帷幕注浆试验和局部帷幕注浆勘察工作，已完成30个注浆孔的施工。

施工钻机选用XY－4和XY－44两种，用金刚石钻头绳索取芯反循环钻进。开孔口径Φ130mm，第四系和石炭—二叠系地层均下入护壁管，石灰岩注浆段钻孔口径Φ75mm。

注浆止浆塞采用水压膨胀式和卡瓦拉力式两种，注浆方法采用下行式注浆，每30m为一注浆段。

注浆材料采用普通硅酸盐P.O 42.5水泥，浆液采用纯水泥浆，配合比使用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1共6个级别。

注浆压力和流量利用FEC－GJ3000全自动注浆记录仪观测；压力控制在3～7MPa，大于静水压力2～3倍。

4.帷幕注浆绕浆分析及防治措施

4.1　绕浆的产生及原因分析

在帷幕注浆试验和勘察施工过程中，发生了5次绕浆现象。详见表1。

表1　帷幕注浆试验和勘察施工过程中的绕浆统计

通过对这5次绕浆事故的总结分析，从人、机、料、法、环5个方面综合考虑，认为其原因主要有如下6项。(www.xing528.com)

（1）注浆方式选择。一般上行式注浆易产生绕浆，特别是在可溶性岩层中。而采用下行式注浆，则会因为可溶性岩的裂隙岩溶发育不均一，局部裂隙与止浆塞上部裂隙沟通，在过大压力的趋动下，浆液沿着裂隙返到止浆塞上部，产生绕浆。

（2）钻孔的孔壁不完整，下塞位置孔径过大。中关铁矿矿区下伏地层主要为石灰岩，但同

时也赋存有软弱的蚀变灰岩和泥质灰岩等地层，也有构造活动造成的破碎带，而这些破碎带往往被黏土或细沙充填，固结性差，易坍塌掉块，造成孔径过大，从而超过止浆塞膨胀的最大范围，无法达到封堵要求。

（3）止浆塞的质量不过关，止浆胶塞膨胀度不够。在中关铁矿帷幕注浆工程施工过程中，一般采用水压式膨胀止浆塞（图1）和拉力式卡瓦止浆塞（图2）。初期使用时止浆塞的规格和材质要求均不能完全满足施工要求，尤其是在膨胀胶桶和胶球的质量上，往往会因为胶的质量差、膨胀性不够，虽然地表试压泵显示封堵压力满足要求，在孔内的止浆塞却没有达到封水的效果。

图1　水压式膨胀止浆塞

图2　拉力式卡瓦止浆塞

（4）操作方法不当，工作责任心不强，使塞位移动或者错位。主要是施工人员对于帷幕注浆施工工艺和工序操作不了解，经验不足，同时少数工人在施工中责任心不强，没有按照技术要求进行止浆塞的试验和安装，如不进行下塞前止浆塞的膨胀性和完好性试验，下塞时不计算好设计安设位置所需材料，注浆间歇中出现不必要的塞位错动等，最终都可能导致绕浆。

（5）注浆管的连接处封闭型不好，产生漏浆。施工中采用的注浆管为外平的Φ42mm钻杆，注浆时要求注浆管连接时必须保证封闭良好，但在操作过程中可能会因为封闭材料、注浆管自身质量或接手缺陷造成下入注浆管局部或一点封闭性差，在注浆压力达到一定程度时破坏连接的薄弱带，浆液出现渗漏，沉淀后造成固管事故。

（6）仪器和工具灵敏度无控。在中关铁矿帷幕注浆工程中，监控全部采用自动系统，所以要求各种仪器设备必须完好并且性能良好，从而能够很好地监控注浆工程。但随着施工的进行，各种设备仪器均会出现磨损，需要更换或及时调试，没有进行经常性保养和调试的设备仪器随时都有可能在施工过程中出现数据紊乱，无法正常反映注浆情况，从而在异常情况中造成事故。

4.2　绕浆的预防措施

通过对出现绕浆的原因进行总结分析，要想在注浆施工中预防出现绕浆事故，应做好以下几个方面。

（1）在可溶岩地区，尽量少采用由下而上的注浆方式，采用下行式注浆时则必须要保证上部各段注浆质量，对怀疑有注浆质量问题的注浆段必须进行验证甚至补注，做到完成一段保证一段注浆质量。

（2）孔口封闭、孔内循环的注浆方法适用于浅孔（200m以上），注浆时水灰比不宜小于1∶1。注浆的时间不宜过长，最好控制在4h以内，以防止下部浆液终凝，过多增加扫孔工作。

（3）下塞的位置一定要由专门的技术人员确定，保证安设位置光滑完整。在固定好止浆塞后，第一，使用钻机微微提升，验证止浆塞的稳固性；第二，往孔内注水，在注浆过程中保证孔内水位的稳定，稳定的水位说明止浆塞的封闭性良好，同时也表明注浆处于正常状态，未出现异常情况。如发现水位上升或流出井口，应立即停止注浆、压水，查明原因。

（4）所有下孔的设备、工器具，应先在地表进行检查、试验，满足注浆要求后方能使用，否则不能下入孔内。

（5）下放注浆管前，检查每一根注浆管的质量，保证注浆管的完好性，每次注浆下塞时接手连接部位均应缠麻或涂油漆，并拧紧每一个接手，保证整条注浆管的封闭性。

（6）采用水压式膨胀止浆塞时，必须在地表试验其胀缩性以及是否满足孔径要求。对注水胶管进行连通性检查，避免胶管堵塞而出现地面试压泵有压力显示而地下的止浆塞未产生膨胀。

（7）注浆时必须有专门负责人在现场操作，所有工作人员要认真负责，对过程中出现的异常情况要及时分析原因，必要时停止注浆工作，避免事故发生。

（8）终止注浆后要等待20～30min，待井内压力释放后，再卸注浆管压力。以避免时间过短，孔内存在释放压力，水泥浆液受其作用回返过多，造成止浆塞被浆液胶凝。

4.3　绕浆的处理措施

由于帷幕注浆施工工艺不是很普及，施工人员的经验不足，绕浆事故的发生也是很有可能的。发生绕浆事故时应采用如下措施尽快处理，避免更大事故的发生。

（1）如发现绕浆，应立即停止输送水泥浆液，并加大压力和流量注入清水，待孔口返出清水后，再慢慢拉起注浆管和止浆塞，如起拔不动立即使用吊锤上下振动。

（2）如止浆塞已完全被固结，强力起拔无效，应用反丝钻杆反出注浆管，后用同径钻具扫掉止浆塞。

5.结束语

出现绕浆现象，除了施工地段的地质、水文地质条件的因素外，最主要的原因是施工中的控制管理环节出了问题。因此，加强人员培训、增强施工人员的责任心、提高施工人员素质将会大大减少这种现象的出现。

参考文献：

河北省沙河市中关铁矿帷幕注浆试验总结.华北有色工程勘察院，2005.

刘文清.最新水利水电防渗工程施工工艺与技术标准实用手册［M］.合肥：安徽文化音像出版社，2006.

孙钊.大坝基岩灌浆［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

（本论文发表于《河北勘察》2009年2期）