陳曉勇

（湖南省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，湖南 郴州 423000）

1 礦山充填系統(tǒng)研究和應(yīng)用背景

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科技水平日益提高，數(shù)據(jù)研究顯示，我國各類工業(yè)固體廢料累積儲(chǔ)存量近100 億t，其中金屬礦山存儲(chǔ)的尾礦最多，尾礦中還有多種有害物質(zhì)，會(huì)對(duì)大氣、水體造成不同程度的污染，破壞生態(tài)平衡，應(yīng)用充填采礦法在很大程度上解決了以上難題。近年來充填采礦法的許多復(fù)雜工藝也實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，運(yùn)用更加方便，充填采礦法的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，也越來越受人們青睞。

充填鉆孔是充填采礦法中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是決定整個(gè)充填系統(tǒng)使用壽命的關(guān)鍵。通過對(duì)充填系統(tǒng)使用壽命的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響其壽命的因素之一就是充填直管的固井效果。在充填鉆孔施工過程中，為了在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，達(dá)到充填直管固井的高標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要根據(jù)不同的施工區(qū)域?qū)ψ{固井工藝進(jìn)行優(yōu)化選擇，以便高效、保質(zhì)保量地完成施工任務(wù)。

2 充填孔施工中注漿工藝種類的研究

在礦山充填孔施工過程中，每個(gè)礦山所鉆遇的地層以及富水情況都會(huì)有很大的差異。因此，我們?cè)诔煽紫鹿芎筮x擇注漿的方法就顯得尤為重要，注漿工藝的選擇決定了該充填孔注漿效果的好壞，同時(shí)也決定這充填孔日后的使用壽命，所以要選擇最合適的注漿方式。

2.1 地表淋濾注漿

該類型的注漿方式針對(duì)的地層比較簡單，礦方設(shè)計(jì)施工順序必須在充填孔的施工前聯(lián)系巷道施工之前的礦山施工工程。施工成孔后孔內(nèi)為干孔或者含水量很少，孔壁比較完整，下完充填直管后，孔內(nèi)環(huán)狀間隙較大，設(shè)計(jì)孔深在400 m左右最合適，這樣才能確保水泥漿液在自流的過程中能夠比較流暢的到達(dá)孔底，孔內(nèi)注漿度密實(shí)，直至孔口溢流出水泥漿液后才能確認(rèn)第一次注漿結(jié)束。8 h～12 h后再進(jìn)行孔口二次補(bǔ)注漿，然后，就可以宣布該孔注漿完成。

2.2 孔內(nèi)正循環(huán)注漿

一般采用正循環(huán)注漿都是地層富水的施工區(qū)域，而且施工順序是先進(jìn)行充填孔施工，后施工地下聯(lián)系巷道的施工工序。充填孔施工成孔后，孔內(nèi)全孔積水無法排出，如果采用地表淋濾注漿會(huì)嚴(yán)重影響充填管道的固結(jié)質(zhì)量，因此只能選擇孔內(nèi)正循環(huán)注漿的方式，使水泥漿液由孔底至下而上的注入，把孔內(nèi)清水通過泵入水泥漿置換出來，直到孔口溢流出純水泥漿后才能停止第一次注漿。8 h～12 h后，考慮到孔內(nèi)積水情況，應(yīng)調(diào)制較稠的水泥漿液采用孔口淋濾注的方式進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，當(dāng)孔口溢流出純水泥漿后停止注漿，并進(jìn)行充填直管孔口處的圓鋼盤的加筋處理。

孔內(nèi)正循環(huán)注漿主要有以下2種形式：1）跟管正循環(huán)注漿。跟管正循環(huán)注漿的方式是在充填直管焊接的過程中，需要把事先準(zhǔn)備好的注漿管分別焊接在充填直管的兩側(cè)如圖1所示。注漿管型號(hào)的選擇需要根據(jù)充填孔環(huán)狀間隙大小進(jìn)行選擇確定，為確保注漿過程中水泥漿的順暢到底，又不影響下管順利進(jìn)行，施工人員需要盡可能地選擇型號(hào)稍微偏大的注漿管進(jìn)行注漿。 2）逆止閥正循環(huán)注漿。逆止閥正循環(huán)注漿的方式是在下充填直管之前，將加工好的逆止閥牢固焊接在下入孔底的充填直管下端。充填直管全部下入孔內(nèi)后，完成注漿管路的連接，最后開泵注漿。

圖1 注漿管焊接

在注漿過程中有3 個(gè)特別注意事項(xiàng)：1）逆止閥加工焊接在充填管底部時(shí)一定得有保護(hù)裝置，以免在下管的時(shí)候，逆止閥被損壞。2）逆止閥上部與Φ60mm鉆桿的接口一定是反絲，便于注漿完成后鉆桿的安全脫扣操作。3）φ60mm鉆桿安全脫扣后及時(shí)用清水沖洗管內(nèi)殘留水泥漿，使鉆桿和充填管管內(nèi)保持干凈。

以上2種正循環(huán)注漿的方式在應(yīng)用的過程中，需要根據(jù)施工充填孔的具體情況進(jìn)行科學(xué)合理的選擇運(yùn)用，才能達(dá)到理想的效果。

跟管正循環(huán)注漿使用簡單方便，但是孔深控制在200 m左右最佳，在運(yùn)用的過程中有堵管和炸管的風(fēng)險(xiǎn)，因此不是常用的注漿方法。

逆止閥正循環(huán)注漿的方法是常用的一種注漿方式，它的優(yōu)勢凸顯，在實(shí)際施工的運(yùn)用中，一般孔深超過200 m后，孔壁不夠完整，在注漿的過程中需要加壓的注漿都會(huì)采用這種注漿方式。采用這種形式注漿，能夠確?？變?nèi)環(huán)狀間隙注漿密實(shí)，大大提高了注漿的質(zhì)量。因此這種注漿方式是值得提倡運(yùn)用的一種注漿方式之一。該方式所存在的缺點(diǎn)就是需要配備2套鉆桿，增加了運(yùn)輸成本和搬家的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)逆止閥及保護(hù)裝置的加工程序比較復(fù)雜，注漿管底部反絲對(duì)接時(shí)存在一定的脫扣風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 孔底反向注漿

當(dāng)?shù)V山充填孔施工設(shè)計(jì)中，先進(jìn)行巷道掘徑后再進(jìn)行充填孔施工的項(xiàng)目中，就需要用到孔底反向注漿工藝。

孔底反向注漿工藝主要為后續(xù)的孔內(nèi)注漿固管奠定基礎(chǔ)。反向注漿的高低，取決于充填孔的深淺，為確保在充填孔注漿過程中不出現(xiàn)漏底的情況，我們盡量保證反向注漿的深度不低于2 m。

反向注漿工藝在具體施工中，是比前面幾種注漿方式更復(fù)雜的一道注漿方法，其要求巷道硐室頂板需要平整；遇到富水地層，在止水管的制作上工序就特別復(fù)雜；而且必須在巷道中施工，施工環(huán)境比較惡劣，施工設(shè)備搬運(yùn)困難。

3 注漿工藝在充填孔施工中的應(yīng)用

各種類型的注漿工藝在礦山充填孔中的合理選擇和運(yùn)用既能提高充填孔的施工質(zhì)量，同時(shí)也可以使施工效率事半功倍。

3.1 孔底反向注漿和地表淋濾注漿的結(jié)合運(yùn)用

在礦山充填系統(tǒng)充填孔施工中，礦方采購的充填直管是內(nèi)襯陶瓷的復(fù)合管，在進(jìn)行爆破的時(shí)候，充填直管有被破壞的可能性。因此在工程設(shè)計(jì)階段，會(huì)將聯(lián)系巷道和硐室放在前面施工，而后再將充填孔精準(zhǔn)打入硐室中，這種形式的施工順序，在進(jìn)行充填孔注漿的時(shí)候就需要選擇孔底反向注漿和地表淋濾注漿或者孔內(nèi)正循環(huán)注漿相結(jié)合的注漿工藝才能完成該道程序的施工[1]。

下面結(jié)合紹興銅都礦業(yè)有限公司充填系統(tǒng)工程施工，淺談多種注漿工藝如何在充填系統(tǒng)中合理結(jié)合運(yùn)用。

3.1.1 工程概況

紹興銅都礦業(yè)有限公司充填系統(tǒng)充填孔施工工程位于浙江紹興平水鎮(zhèn)原銅礦內(nèi)。由《紹興銅都礦業(yè)有限公司充填材料試驗(yàn)研究及充填系統(tǒng)研究開發(fā)工程巖土工程勘察報(bào)告》顯示，該場地地層巖性依次為素填土、含礫砂粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r及中等風(fēng)化凝灰?guī)r。

3.1.2 工作內(nèi)容及技術(shù)要求

3.1.2.1 工作內(nèi)容

根據(jù)充填孔施工設(shè)計(jì)，施工中完成充填鉆孔完井施工，井深420.30 m，一開下入Φ240 mm技術(shù)套管，二開下入Φ133 mm充填復(fù)合管，固井等內(nèi)容。

3.1.2.2 技術(shù)要求

孔斜要求1%，該井井底位移不超過4 m（提供井底坐標(biāo)）；依據(jù)礦方提供的鉆孔坐標(biāo)，一開采用Φ260 mm口徑鉆具鉆進(jìn)至基巖以下4 m左右（根據(jù)實(shí)際鉆孔地層調(diào)整），并下入Φ240 mm套管至一開井底、固井、水泥漿返至地面；根據(jù)地層情況，二開采用Φ219.5 mm口徑的鉆具鉆進(jìn)至井深420.30 m，下入Φ133 mm充填復(fù)合直管，選用G級(jí)800中抗油井水泥或42.5級(jí)水泥漿固井，水泥漿返至地面。

3.1.3 注漿方式的選擇及運(yùn)用

該項(xiàng)目經(jīng)歷了30 d左右的時(shí)間，準(zhǔn)確的將充填孔與硐室對(duì)接。下入充填復(fù)合管后進(jìn)行注漿固管施工。該項(xiàng)目是先地下施工后地上施工的順序，天然底已經(jīng)被貫通,如圖2（a）所示。充填孔成孔后進(jìn)行注漿的時(shí)候首先得筑人工底，在進(jìn)行人工底設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，需要根據(jù)施工地層的富水情況來制作止水管。該項(xiàng)目地下水較豐富，在制作止水管時(shí)得先進(jìn)行水量估測，然后再制作帶多個(gè)排水口的止水管。

止水管的制作和安裝：聯(lián)絡(luò)巷與鉆孔貫通后，陶瓷復(fù)合管底部套入Φ200mm×6mm套管，長度1.7 m，底部封口（留出排水孔），該套管頂端環(huán)狀鋼板與鉆孔巖石之間放入防漏材料（止水棉紗），并固定于巷道內(nèi)。Φ200 mm套管側(cè)面焊接一根6分0.3 m的注漿管（帶閥門），3根不同方向的6分0.2 m的排水管（帶閥門），Φ200 mm套管內(nèi)焊接2套長度3.8 m（截成2 m及1.38 m2段）的6分排水管（帶閥門）、與6分接頭連接（2米管留在鉆孔內(nèi)，1.8 m管在套管內(nèi)），方便安裝。止水棉紗和排水管安裝完成后，采用30 t～50 t千斤頂，用短接調(diào)整高度將Φ200 mm套管頂入鉆孔中，安裝牢固,如圖2（b）所示。

圖2 孔底貫通和安裝好的止水管

隨后進(jìn)行孔底反向注漿。孔底注漿約150 kg水泥，水泥漿比例（1∶0.6）配制成水泥漿應(yīng)加入水玻璃，加量為5%。結(jié)合施工環(huán)境的實(shí)際情況，選擇GSL200型的注漿泵進(jìn)行反向注漿，該灌漿泵重量輕、輪式設(shè)計(jì)、移動(dòng)方便，滿足施工要求。制漿槽在巷道里面可以選擇礦車代替。雙漿液攪拌均勻，流動(dòng)性好即可，反向注漿約2 m高。注漿前所有的閥門都處于開啟狀態(tài)，注漿時(shí)應(yīng)先關(guān)閉閥門1，待閥門3流出相應(yīng)水泥漿后將其關(guān)閉繼續(xù)注漿，直到閥門4和閥門5流出水泥漿液后，才停止注漿。并及時(shí)疏通閥門4和閥門5這兩條排水管道。閥門4、5處于開啟狀態(tài)，以便順暢排除孔內(nèi)地下水,如圖2（b）所示。孔底反向注漿3天后，地面才能開始注漿固井。

該項(xiàng)目終孔口徑219.5 mm，充填管的外徑133 mm，環(huán)狀間隙43 mm，而且鉆孔的上部比較完整，孔壁光滑。因此地面注漿可以直接采用地表淋濾注漿的方式進(jìn)行固管。在地表淋濾注漿前關(guān)閉閥門4和閥門5 。地表淋濾時(shí)注漿直到孔口溢流出純水泥漿液后即可暫停注漿。8 h～12 h后，再進(jìn)行地表淋濾補(bǔ)注漿就完成了該充填孔的所有注漿固管任務(wù)。

地表淋濾注漿施工工序簡單且易操作，但是如果注漿液調(diào)配的流動(dòng)性不夠好，漿液的凝固時(shí)間把握不準(zhǔn)，就容易出現(xiàn)孔內(nèi)注漿不密實(shí)的狀況。水泥漿調(diào)配同時(shí)把握這兩點(diǎn)還是相對(duì)較難，尤其是孔深的時(shí)候更加突出。因此，為了確保充填孔的質(zhì)量，地表淋濾注漿一般常用于補(bǔ)注漿的時(shí)候，慣用的地表注漿方式還是孔內(nèi)正循環(huán)注漿。

3.2 孔內(nèi)正循環(huán)注漿和地表淋濾注漿的綜合運(yùn)用

孔內(nèi)正循環(huán)注漿和地表淋濾注漿的運(yùn)用，是在實(shí)際施工中常用一種固井方式。其不受深淺孔和孔內(nèi)是否含水等因素的影響，且固井質(zhì)量和效率都很高。

現(xiàn)結(jié)合紫金礦業(yè)義興寨礦區(qū)充填孔的施工，分析孔內(nèi)正循環(huán)注漿為主，地表淋濾為輔的注漿方式的運(yùn)用。

3.2.1 工程概況

山西紫金礦業(yè)義興寨礦區(qū)充填系統(tǒng)充填孔施工項(xiàng)目，設(shè)計(jì)充填孔2個(gè)，單孔孔深241.59 m，兩孔間距2 m。開孔直徑Φ260 mm，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度6 m（具體根據(jù)實(shí)際地層進(jìn)行調(diào)整），下Φ240×6 mm的孔口管；終孔直徑Φ219.5 mm鉆進(jìn)至標(biāo)高為1 073.91 m處，然后下Φ133 mm×12 mm充填直管，并用G級(jí)中抗油井水泥或42.5號(hào)水泥進(jìn)行固井。

3.2.2 注漿工藝的選擇和運(yùn)用

該項(xiàng)目實(shí)際完孔深度分別為423.0 m和425.5 m，該項(xiàng)目是先進(jìn)行充填孔施工，后進(jìn)行聯(lián)系巷道掘徑的。因此，反向注漿不需要考慮。根據(jù)該礦地質(zhì)情況分析，地層中富水情況不明顯，本來可以采用簡單的地表淋濾注漿方式注漿固井，但考慮到該項(xiàng)目施工的2個(gè)充填孔間距太短，如果第一個(gè)孔在固井的時(shí)候出現(xiàn)架橋或者不飽滿的情況下，在施工第二個(gè)孔的時(shí)候會(huì)嚴(yán)重影響第一個(gè)孔的固井質(zhì)量和后續(xù)的使用壽命。因此，最后決定選擇了逆止閥孔內(nèi)正循環(huán)注漿和孔口淋濾補(bǔ)注漿的方式固井。

完鉆后，下管前將加工好的逆止閥（圖3（a））加裝保護(hù)裝置（圖3（b））焊接于最下端的充填管上面。逆止閥上端的連接絲扣一定是反絲。將充填直管下入孔內(nèi)后，接著把Φ60 mm鉆桿下入管內(nèi)，與管內(nèi)逆止閥上部的反絲連接口準(zhǔn)確對(duì)接，為了安全起見，進(jìn)行底部接口連接時(shí)避免Φ60 mm鉆桿上部脫扣，操作應(yīng)非常緩慢小心，只要判斷絲扣咬住即可停止繼續(xù)擰扣。然后進(jìn)行充填管上部的密閉焊接。將注漿泵的出漿管口連接在Φ60 mm鉆桿上部，注漿管路的連接完成。

圖3 逆止閥和逆止閥保護(hù)裝置

注漿水泥選用了PO 42.5號(hào)水泥，水灰比為1∶0.6的標(biāo)準(zhǔn)配置注漿液。水泥漿液配置到位，在注漿前用清水洗孔后開始注漿。直到漿液從充填孔口溢流出來后，即可停止注漿。脫開注漿管與Φ60 mm鉆桿的連接處，切開充填直管的密閉口，合上立軸，輕輕旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)讓?duì)?0 mm鉆桿與底部的反絲連接口成功脫扣。接著Φ60 mm鉆桿連接清水泵，開泵清洗鉆桿和充填管內(nèi)的殘留水泥漿液，當(dāng)充填直管管口溢出的水比較清后，即可停泵起鉆。

完成了第一次注漿8 h～12 h后，在孔口進(jìn)行地表淋濾補(bǔ)注漿。補(bǔ)注完成后即全部完成了該項(xiàng)目的固井施工任務(wù)[2]。

3 結(jié)語

隨著國家對(duì)礦山安全生產(chǎn)越來越重視，廢料尾砂充填及充填采礦勢在必行，因此，充填孔成孔質(zhì)量要求就越來越高，不但要有先進(jìn)的施工設(shè)備還必須要有先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝方法。針對(duì)該類鉆孔的特點(diǎn)，各種注漿工藝的科學(xué)結(jié)合運(yùn)用在這里的應(yīng)用尤為重要，既可以提高固管的質(zhì)量，又可以縮短固管的時(shí)間。

在今后各大礦山的充填孔，甚至是投料孔和通風(fēng)口的施工中，尤其是含水量較大的施工區(qū)域，孔底反向注漿這道工序是提高固井質(zhì)量不可或缺的一道工序，勢必成為各大礦山企業(yè)追捧的一種筑底工藝。