帷幕注漿技術(shù)在鉀鹽礦風(fēng)井病害治理中的應(yīng)用

許青海， 白寶云， 嚴(yán)德金， 王 寧

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊，青海 西寧 810000)

0 引言

老撾鉀鹽資源儲量豐富，經(jīng)濟(jì)前景巨大。在國家“一帶一路”的倡議指引下，我國在老撾多處建成鉀鹽開采區(qū)。鉀鹽礦開發(fā)過程中需要建設(shè)多處豎井為開采工作服務(wù)，豎井井壁圍巖主要是泥巖、石鹽巖層及鉀石鹽、光鹵石等礦層，由于井壁與圍巖無法形成緊密閉合狀態(tài)，第四系地表水及孔隙水沿井壁下滲，溶蝕并帶走部分井壁的巖層，在井壁周圍形成“溶腔”，井壁穩(wěn)定性變差，不僅對井筒的正常使用造成威脅，而且對鉀鹽礦床造成破壞，因此井筒防治水工作不僅關(guān)系到井筒的安全使用，也影響到礦山安全生產(chǎn)。

1 工程概況

1.1 風(fēng)井結(jié)構(gòu)及病害簡介

風(fēng)井是鉀鹽礦山開采作業(yè)系統(tǒng)中最重要的永久性建筑工程之一，老撾甘猛省鉀鹽礦開采系統(tǒng)中風(fēng)井采用雙層式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑5 m，外徑5.8 m，井深148 m。風(fēng)井在掘砌施工中，井上部約10 m段，發(fā)生粉砂層液化，大量涌水；井深80～97 m段，為古近系紫紅色泥巖段，該段地下水集中涌漏，井筒巖壁破碎，曾有多個不規(guī)則管道式涌漏點，造成巖壁片幫坍塌；光鹵石礦層、石鹽層均未見地下水涌漏。井筒澆注前，在巖壁開挖面曾嘗試對地下水涌漏段進(jìn)行過簡易封堵,失敗后各漏水點用膠管將地下水從井壁外引導(dǎo)至井筒內(nèi)(底部)水窩，集中抽排至地表。井筒建成后，通過在井壁打孔注入各種膠結(jié)材料進(jìn)行壁外止水和充填，未起到明顯效果。風(fēng)井壁外地層，尤其是石鹽層和礦層，自建成后一直處于地表水和地下水沖刷和溶蝕，形成了多處“溶腔”，對井筒本身也造成破壞。為了礦山的安全開采，必須采用有效的措施對風(fēng)井周圍“溶腔”進(jìn)行充填，加固井筒，同時阻斷地下水在風(fēng)井周圍的流動。

1.2 工程地質(zhì)條件

在井筒中心正北方向施工一個工程地質(zhì)勘察鉆孔，對井壁外地質(zhì)情況和“溶腔”進(jìn)行探測，鉆孔深度164.09 m。工程地質(zhì)情況：0～10.41 m為第四系松散體粉質(zhì)粘土，夾有粉砂質(zhì)鉆土(具有較強的滲水性)和鐵錳質(zhì)結(jié)核礫石；10.41～130.10 m主要為古近系古新統(tǒng)農(nóng)波組泥巖組，其中在42.76～46.40 m處夾一層硬石膏層；130.10～163.75 m主要為石鹽層，其中138.20～149.30 m為光鹵石層，巖性為淺白色、無色、灰白色、橘紅色等塊狀光鹵石巖，致密、塊狀構(gòu)造，易溶于水、極易溶解，另外在91.40～91.77、128.90～129.30、138.43～138.93、140.03～140.13 m四段存在“溶腔”，并經(jīng)過鉆孔與井底內(nèi)的連通試驗發(fā)現(xiàn)“溶腔”與井底之間存在水力聯(lián)系。

2 帷幕注漿方案設(shè)計

根據(jù)勘察鉆孔巖心以及井筒施工過程情況分析，井筒周圍巖礦石出現(xiàn)的“溶腔”特性和分布不是很明確，所以井筒加固止水工作需要采用邊探邊治的方式進(jìn)行。風(fēng)井病害治理帷幕注漿施工的總體方案如下：

第一步先在井筒外2 m處施工2個對稱的先導(dǎo)注漿鉆孔(Ⅰ序)，主要目的是為了查明風(fēng)井井筒周圍的工程地質(zhì)特征和石鹽層、礦層的溶蝕情況，并對井壁周圍產(chǎn)生的空腔進(jìn)行預(yù)測性分析，同時對井筒周圍地層的的可灌性及注漿工藝進(jìn)一步優(yōu)化。

第二步采用邊施工邊檢查的方式進(jìn)行，對稱施工Ⅱ序注漿孔，根據(jù)從鉆孔中取出的巖心和注漿效果分析是否進(jìn)行Ⅲ、Ⅳ序注漿孔的施工。

帷幕注漿施工方案如圖1所示。

3 注漿材料選擇

由于可溶性鉀鹽礦的礦層在石鹽層中，同時石鹽層上部的泥巖具有高含鹽量性，這類地層對于普通的硅酸鹽水泥具有較強的腐蝕性，在注漿過程中造成水泥漿凝固失效或凝固強度不高，達(dá)不到固結(jié)加固的目的，因此在該類層位需要進(jìn)行新的注漿材料選擇。通過資料查詢和室內(nèi)外試驗分析比對，氧化鎂(含量75%)和鹵水(MgCl含量24%)水灰比在1時，初凝時間為60 min，終凝時間為6 h。鹵水氧化鎂漿液能夠進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，?dāng)水灰比達(dá)到0.5時，漿液稠化嚴(yán)重，無法采用灌漿泵進(jìn)行灌漿。水灰比為1的試塊7 d強度達(dá)到16.5 MPa。鹵水+氧化鎂漿液產(chǎn)生的固結(jié)物能夠很完美地與石鹽、鉀鹽礦層膠結(jié)，同時具備很強的抗鹽性，可以長期保持其固結(jié)物的強度特性。另外其攪拌性和可灌注性都與水泥漿液保持了一致性，具有很好的可操作性。

圖1 帷幕注漿施工方案示意

考慮與井筒周圍地層進(jìn)行配套，同時達(dá)到降低成本的目的，注漿材料選擇采用分段分注漿材料的方式進(jìn)行。具體操作如下：第四系、第一段泥巖(0～42.67 m)結(jié)束前，孔段使用普通硅酸鹽水泥漿液；第一段泥巖下部(42.67 m以深)使用鹵水+氧化鎂漿液。

鹵水+氧化鎂漿液使用注意事項：

(1)鹵水采用氯化鎂含量在17%以上為宜，鹵水中氯化鎂的含量越高對氧化鎂的用量和凝固時間都大大縮小，因此現(xiàn)場使用時，需要對使用的鹵水和氧化鎂加入量和凝固時間進(jìn)行試驗，并確定其注漿水灰比。

(2)氧化鎂和鹵水的凝固起主導(dǎo)作用的是氧化鎂與鹵水中氯化鎂之間的化學(xué)反應(yīng)，因此加入的骨料以不影響該反應(yīng)為前提。在注漿過程中，可以加入適量的鹽類礦物、砂石做為骨料，減少氧化鎂注入量。

4 帷幕注漿施工工藝

根據(jù)鉀鹽礦的地質(zhì)特征、井筒病害治理工程的目的，注漿方法采用自上而下,孔口封閉,分段注漿法。帷幕注漿施工工藝流程：鉆孔-鉆孔沖洗-簡易壓水試驗-注漿-封孔。采用此方法可以最大限度地堵塞井筒周圍的裂隙和后期形成的“溶腔”，保證注漿效果達(dá)到最優(yōu)。

4.1 鉆孔

鉆孔采用XY-4型鉆機，上部采用泥漿護(hù)壁、下部采用飽和鹽水泥漿護(hù)壁，礦層段需要加入飽和氯化鎂或飽和鹵水。

由于該礦區(qū)上部屬于泥巖，易縮徑，故采用?120 mm開孔，然后下入?108 mm套管作為孔口管，并安裝孔口封閉器。

為了保證帷幕注漿堵水效果和井筒的安全，要求每50 m測量一次孔斜，鉆孔偏斜率<1%，且不向井筒方向偏斜，超過設(shè)計值必須糾斜。

4.2 鉆孔沖洗及壓水試驗

所有注漿孔在鉆進(jìn)結(jié)束后采用自孔底向孔外大流量水沖洗鉆孔。由于鉆孔地層是泥巖和鹽層2種類型，為了保證鉆孔施工安全和鉆孔的沖洗效果，沖洗介質(zhì)也采用2種類型，即泥巖段采用稀泥漿；石鹽層和礦層段采用鹵水。

鉆孔沖洗后注漿孔自上而下分段進(jìn)行壓水試驗，采用簡易壓水試驗和單點法壓水試驗。

(1)簡易壓水試驗在裂隙沖洗后或結(jié)合裂隙沖洗進(jìn)行。壓水壓力為注漿壓力的80%，并不大于1 MPa，壓水20 min，每5 min測讀一次壓入流量。取最后的流量值作為計算流量。

(2)注漿孔單點法壓水試驗壓力控制在0.5 MPa以內(nèi)，要求每隔2 min觀測一次流量和壓力值(試驗壓力和流量通過注漿自動記錄儀器進(jìn)行記錄)。

壓水試驗結(jié)束要求：在穩(wěn)定的壓力下，壓入流量連續(xù)3次讀數(shù)最大和最小值之差小于平均流量的10%，或最大值和最小值之差<1 L/min即可結(jié)束。

4.3 注漿工藝主要技術(shù)內(nèi)容

4.3.1 注漿孔段長度

鉀鹽礦床地層主要以泥巖和石鹽層組成，泥巖為隔水層，石鹽層為結(jié)晶體，都不存在過水通道，因此注漿段長以10 m為基準(zhǔn)。在較破碎的地層以孔內(nèi)漏失情況進(jìn)行調(diào)整。

4.3.2 水灰比控制及變換

普通硅酸鹽水泥漿液水灰比選用1、0.8、0.6、0.5這4個比級(質(zhì)量比級)。

氧化鎂漿液水灰比選用2、1.5、1這3個比級(質(zhì)量比級)。

4.3.3 注漿壓力

注漿壓力是注漿質(zhì)量的一個重要影響因素，礦山帷幕注漿，注漿壓力按經(jīng)驗一般取水頭壓力的1.5～2倍。本工程考慮到風(fēng)井井壁因損傷承受的壓力，結(jié)合2個先導(dǎo)孔注漿試驗段結(jié)果，設(shè)計最大注漿壓力為0.5 MPa，施工過程中的實際注漿壓力是保持在0.3 MPa左右。

4.3.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)為了減少灌漿工程的整體工作量，以及很好地驗證前序鉆孔的灌漿效果，后序灌漿鉆孔全孔取心，邊檢查、邊灌漿的方式進(jìn)行。同時鉀鹽礦的地質(zhì)特殊性，可以通過巖心中固結(jié)物判斷灌漿材料的充填密實情況，因此當(dāng)巖心率達(dá)到90%以上做為灌漿工程結(jié)束的最終標(biāo)準(zhǔn)。

(2)灌漿過程中孔口出現(xiàn)返漿，或長時間灌漿，灌漿量很大時，經(jīng)待凝后繼續(xù)鉆孔灌漿，直到孔口返漿才能結(jié)束灌漿。

4.4 封孔

注漿完成后，封孔采用“上行式”注漿方式，將鉆孔注漿段分為2段進(jìn)行，即42.76 m以淺采用水泥注漿封孔；42.76 m以深采用氧化鎂注漿封孔。注漿壓力按照正常注漿設(shè)計壓力控制，漿液濃度采用灌漿過程中的最濃級，按照正常注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)控制。

5 注漿效果資料分析

共施工8個帷幕注漿鉆孔。通過2個先導(dǎo)注漿鉆孔(WⅠ-1、WⅠ-2)的注漿施工水泥液53 m3和鹵水氧化鎂漿液887.25 m3，通過對注漿數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場操作發(fā)現(xiàn)，隨著注漿次序的增加，滲透系數(shù)分布趨勢向較小值方向顯著移動，說明前序孔的注漿是有效的。另外，經(jīng)后續(xù)注漿鉆孔施工取出的巖心證實，充填效果很好，達(dá)到了對風(fēng)井自下而上充填加固的目的。

在施工過程中，地表冒漿頻發(fā)，在砂土層進(jìn)行多次復(fù)灌(特別是在WⅠ-1和WⅠ-2號孔)，對砂土層滲水現(xiàn)象起到了很好的抑制作用，通過對風(fēng)井內(nèi)壁上部滲水現(xiàn)象觀察發(fā)現(xiàn)，風(fēng)井內(nèi)壁后期基本未見滲水，說明第四系地表水向下流動現(xiàn)象得到處理。

6 結(jié)論

(1)可溶性鉀鹽礦開采建設(shè)豎井等工程之前對井筒周圍圍巖進(jìn)行預(yù)帷幕注漿處理，能夠有效地降低第四系和孔隙水的滲漏造成井壁周圍巖石的破壞。

(2)針對可溶性鉀鹽礦地層的特殊性——可溶于水和強腐蝕性，注漿材料需要具備對地層的接觸性和強抑制性能。

(3)對于已有所損傷的井筒進(jìn)行帷幕注漿時，考慮到井筒的安全，注漿壓力需要低于0.5 MPa。

(4)應(yīng)對鹵水+氧化鎂漿液進(jìn)行一步研究，以準(zhǔn)確測量凝固特征參數(shù)，以便于采用注漿自動記錄儀進(jìn)行準(zhǔn)確控制注漿效果。