充填孔反向注浆工艺的技术研究和应用实践

充填孔反向注浆工艺的技术研究和应用实践

作者：王仔章 吕小师

来源：《价值工程》2019年第17期

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

摘要：充填采矿法是业内高效、无废采矿的主要方法之一，可是，实际施工中，往往会因爆破掘进振动等的影响，巷道顶板在地表注浆过程中极容易出现浆液渗漏，导致注浆失效。随着环境保护意识增强，为保证充填孔孔注浆效果，充填孔孔底反向注浆工艺取得了较好的效果。

Abstract： Filling mining method is one of the main methods for efficient and non-waste mining in the industry. However， in actual construction， it is often affected by blasting and vibration， and the roof of the roadway is prone to slurry leakage during surface grouting. Grouting is invalid. With the enhancement of environmental protection awareness， in order to ensure the grouting effect

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

of filling holes， the reverse grouting process at the bottom of the filling holes has achieved good results.

关键词：充填孔;反向注浆;止水管;注浆工艺

Key words： filling hole;reverse grouting;water stop;grouting process

中图分类号：U416.1+6; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：A; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文章编号：1006-4311（2019）17-0114-03 0; 引言

随着人们环境保护意识的不断增强，矿山资源的合理开发利用、地表生态环境的保护措施日益成为矿山开采行业必须首先解决的技术问题。随着科学技术的进步和发展，充填采矿法因其具有安全性强、回采率高，且对地表生态环境破坏较小等一系列与众不同的优点，成为了业内高效、无废采矿的首选方法之一[1]。但是，爆破掘进施工后的硐室或巷道顶板通常参差不齐，如果只是直接在巷道内简单做一个底部封堵，那么在从地表注浆的过程中，随着注浆压力的增大，止水管与硐室顶板之间由于密闭不够严实，极容易出现渗漏，严重的会导致注浆失败，如图1所示。因此，为保证充填孔不被后期的巷道掘进爆破施工破坏，一种孔底反向注浆工艺的出现，在避免漏浆方面彰显了其独特的优势。本文以江西省某矿山充填系统工程中的充填孔反向注浆施工为例，介绍充填孔反向注浆工艺施工和关键技术。 1; 充填孔反向注浆施工工艺研究 1.1 充填孔布置原则和质量要求

充填孔的数量和位置，一般主要根据地面充填站的布置要求进行设计和布置。通常两个孔为一组，即一套充填设备一次充填2个充填孔，两孔间距约3～5m，相邻两组充填孔之间距离约为13～15m。充填孔为垂直钻孔，充填孔下部有充填孔酮室，通过充填巷連接至采空区。 要保证充填孔的施工质量，必须做到以下几点：一是钻孔偏斜率不得超过1%;二是钻孔孔口中心定位误差不得超过100mm;三是岩芯采取率不得小于75%。 1.2 钻进施工工艺

充填孔钻进工艺，如图2所示。 2; 充填孔反向注浆施工关键技术 2.1 定向钻进技术要点

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

2.1.1 定向钻进思路

在实际施工时，一般应根据钻孔轨迹监测结果对钻进方向进行适当调整，以保证钻孔位置准确。通常采用以下计算公式进行预测： 因钻孔轨迹顶角增量为n°/100m，则： 偏斜率

根据上式计算分析结果，当n=1.50，L=100m时的偏斜率k=1.3%，需要将L取值小一点，再次计算，当取L=66m，计算得偏斜率k值为0.87%，小于终孔对偏斜率要保证不超过1%的要求。

因此，开孔后，正常钻进达到66m左右深度时，必须进行一次钻进纠斜，然后再正常钻进。以后，只要钻孔自然弯曲顶角偏斜至1’’时，均需将顶角纠正至00，这样才能保证钻孔方向正确。

2.1.2 成孔扩孔方案

一般的充填孔成孔方案主要有两种：一是一径到底的成孔方案，二是多级扩径的成孔方案[2]。不论选择哪种方案，都需要在施工前的设计方案时和施工中全面关注、着实解决钻孔倾斜、漏浆跑浆等技术难题。因此，无论是从保护充填管免受爆破震动损坏方面考虑，还是从有利于提高钻孔施工效率方面出发，先施工小直径导孔，待与井下贯通后，最后再行扩孔成孔是较好的方法。

2.1.3 注浆固井方法

常用的注浆固井方法有环空注浆法和管内注浆法。大量的工程实践证明，这两种注浆固井方法都能达到设计要求的效果，但相对而言，管内注浆法充填密实度高一些，当然，此法对所需注浆系统的要求也相对高一些。 2.2 钻孔垂直度控制要点

钻孔垂直度的控制主要从以下几个方面注意：一是把好开孔关，二是把好钻具级配关，三是把好钻进关，四是把好钻孔轨迹监控关。因此，在充填孔钻孔时必须做好测斜、防斜与纠斜工作，以保证充填孔施工的顺利进行[3]。但是，实际施工过程中，往往会因地层岩石坚硬程度不同，纠斜、稳斜措施均需要区别对待，比如，在纠斜时要保证钻孔顶角稳定，方位变化不得超限，方能满足设计要求。 2.3 止水管的制作及安装

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

2.3.1 止水管的设计

充填孔反向注浆施工时，必须考虑孔内地下水的丰富与否。当地下水不丰富时，可以直接筑底，再进行地表淋滤注浆的方法进行固井，但是，当孔内地下水很丰富时，常规方法就不好用了。孔内正循环注浆方式是长期研究实践中摸索出来的一种注浆方式，在应对丰富的地下水方面取得了良好的效果。其关键技术是止水管的设计和施工，如图3所示，通常在进行止水管图纸设计的时候，一定要根据孔内含水量来确定排水管的数量，以确保止水管安装上去后，排水通畅及时。

2.3.2 止水管的安装

理论研究发现，硐室规格多为3m2见方，因此，止水管主要通过其伸出硐室顶板的充填直管的长度来决定最终长短。根据以往经验，按照伸出1.5m计算，如用φ273×6mm的无缝钢管，止水管长度为1.8m，这样止水管重量约为100kg左右。在巷道里面把这个重量的止水管顶进充填孔底部，单靠人力是无法解决的，必须借助起重设备，但是，在这样的环境下用起重设备是不太现实的。那么，针对客观有限的施工条件，设计采用千斤顶、锚杆、短接作为辅助工具，先进行试验安装，再确定安装方法。

由于硐室和巷道顶板爆破掘进后参差不齐，给底部密闭工作带来一定的难度，因此，止水管安装后，在与充填孔底部对接的位置还必须进行密闭，那么，密闭材料的选择就显得尤为重要。那么，密闭时的堵水材料该怎么选择，在不同的地层中使用时哪种材料更适合，要结合实际的施工情况经实验进行合理选材。 2.3.3 止水管的调试

如图3所示，止水管安装完毕后，排水管阀门1、阀门2处于开启状态，注浆时应关闭阀门1，待阀门2流出相应浓度的水泥浆液后才能停止注浆，并及时疏通该排水管。阀门2处于开启状态，以排除孔内地下水。 2.4 反向注浆要点

由于是地下工程，对其封孔质量无法检测，因此在反向注浆时，首先要注意泥浆封孔質量，其次，对充填管选材要求必须合格[4]。 3; 充填孔反向注浆在江西某矿的施工应用实践 3.1 工程概况

本次充填孔反向注浆项目，施工区域出露地层为寒武系中下统浅变质岩系，岩性主要以石英细砂岩为主，并互相构成夹层、互层形式。石英细砂岩，岩石为灰～深灰色，矿物成份主要为石英，次为长石和岩屑，少量黑云母、绢云母，微量绿帘石、白云母、磷灰石、屑石、电气

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

石及铁质物等。粒径0.1～0.5mm，岩石呈变余砂状结构、变余岩屑砂状结构、细粒结构，块状构造。 3.2 工作内容

该充填孔设计孔深为240m。钻孔时一开以？准311mm开孔，入基岩16m后下？准273的套管固井，二开以？准216mm钻进，至巷道底板位置，即离地面深度约240m处终孔，然后下入？准121mm的充填直管。 3.3 技术要求

该充填孔要求斜率不超过1%，孔底位移不超过2.4m。设计荒孔直径大于充填直管，厚度约90～150mm，以保证反向注浆时有足够的注浆厚度。因此，必须采用水泥高压固井，这了保证固井效果，需要选择凝结硬化迅速的水泥，并产生一定的早期机械强度，方可取得良好的固井作用。 3.4 钻进方法

本次施工场地表层为粉质粘土，采用回转式泥浆冲洗液钻进或冲击回转钻进至中风化岩层，下入一开套管。空气潜孔锤开孔用导向扶正钻进，加入钻铤后用钻铤重量的40%以内控制钻进，钻铤重量超过7000kg后转入正常钻进。钻具下入孔内启动空压机后称重，把钻压仪清零，缓慢转动钻具加压，钻压到钻铤质量的1/3，潜孔锤正常工作后即可进行正常钻进[5]。钻进过程中，必要时可调整规程参数，防止发生埋钻和其他事故。 3.5 反向注浆

准备工作中，首先根据反向注浆的高度和孔内间隙的大小，结合本次施工环境的实际情况，选用GSL200型的灌浆泵进行反向注浆，该灌浆泵重量轻、轮式设计、移动方便，满足施工要求。然后，根据实验数据得出的最佳双浆液配方，准备时可制备3m2左右的浆液，实际注浆过程中必须根据实际的间隙体积去调整方量。在巷道里面用的地下制浆槽可以选择矿车代替。双浆液要求搅拌均匀，流动性好。

反向注浆时，注浆高度根据充填孔的实际深度进行调整。注浆时应关闭阀门1，待阀门2流出相应水泥浆后停止注浆，并及时疏通该排水管。阀门2处于开启状态，以排除孔内地下水。需要注意的是在注浆过程中一定保持连续性。要注意收集记录数据，如记录注浆时长、记录浆液方量。要注意观察止水管和孔底连接处是否有浆液渗出，如果有渗出，应观察其渗出速度随着时间的推移所发生的变化。同时，在注浆后至少观察半小时以上的排水通畅情况，以防管道堵塞，导致排水障碍，其后果就会很严重。 3.6 表淋滤注浆固管

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

如果采用普通的浆液方式进行反向注浆，筑底后至少需等待24小时以后才可进行地面注浆，本工程中采用双浆液向含水丰富的孔底反向注浆，通过化学添加剂加速浆液的凝固速度，从而达到了缩短进入地面注浆的停待时间，通过试验，把地表淋滤注浆时间缩短到约6小时。 首先，在注浆时，安排2人以上专人在硐室中值守，等到排水管中流出注浆液后迅速关闭排水阀门，并记录好时间，随后留意观察止水管和孔底的接头处是否正常，要求对此段观察时间进行详细的书面记录，以便分析参考。

其次，地面注浆用浆液要求一次制备完成，注浆速度按由慢到快的节奏进行。记录员严格记录注浆的起始时间。要求地表工作人员人员和硐室值守人员采用矿部电话进行密切联系，以方便地表工作人员及时了解随着注浆深度的增加孔底的情况是否正常，以便及时调整注浆速度。

再次，注浆完成后，浆液柱达到了相对的高度，同时也是注浆浆液对孔底部件等产生最大压力的一个时间点，因此，要求硐室中必须采用半小时轮班制，继续观察孔底的情况，以检验反向注浆效果，以便应对各种突发情况[6]。 4; 结论

①采用充填孔反向注浆方法，矿石回采率可达90%以上，矿产资源可得到有效利用，同时可有效地防治矿区采空塌陷问题，有效地保护了地表生态环境，形成了“绿色”开采的矿山企业产业链。

②利用反向注浆筑底，不管充填孔有多深，加上止水管的安装和制作，能确保地表淋滤注浆的过程中不会出现因底部渗漏导致注浆固管失败，从而提高充填孔的固管质量和使用寿命。 ③充填孔反向注浆施工时，注浆不受场地限制，可结合现场施工的条件，采用手工搅拌造浆，然后使用注浆泵按要求进行反向注浆即可，方便快捷。

④普通的浆液进行反向注浆时，筑底后至少需等待24小时以后才可进行地面注浆，本工程中采用了双浆液向含水丰富的孔底反向注浆，通过化学添加剂加速浆液的凝固速度，把地表淋滤注浆时间缩短到了约6小时。 参考文献：

[1]许青海，白宝云，范文涛，等.锡铁山铅锌矿充填孔钻探施工技术探索[J].探矿工程，2018，45（4）：50-53.

[2]定向钻进及随钻测量技术在充填孔施工中的应用[J].探矿工程，2015，42（6）：11-16.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[3]张文生，朱恒银.刘塘坊充填站充填钻孔施工技术与体会[J].地质装备，2016，17（3）：30-33.

[4]张建美，郭国战，袁琳.水泥——化学复合材料反向灌浆法在某隧洞防渗堵漏中的应用[J].四川水泥，2017（11）：10.

[5]郝爽.白象山铁矿充填钻孔施工工艺[J].现代矿业，2017（11）：243-247.

[6]曾石灰，孔二伟，李金明.杨家湾铁锌矿充填孔钻探施工技术[J].西部探矿工程，2016（1）：85-90.

课题项目：河南省软科学（172400410188，环境约束下的河南省全要素能源效率研究）资助。

作者简介：王仔章（1986-），女，湖北随州人，硕士研究生，工程师，长期从事地质勘察、钻井施工等技术领域的研究。