地質(zhì)巖心鉆探高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的研究與應(yīng)用

吳燦輝

(福建省閩南地質(zhì)大隊(duì)，漳州，363000 )

1 概述

高壓噴射注漿技術(shù)是從單管旋噴法CCP工法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型改良土壤、加固土層的施工方法。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始引進(jìn)旋噴成樁技術(shù)，經(jīng)過(guò)30多年的應(yīng)用研究和實(shí)踐取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和提高[1-4]。

當(dāng)前，地質(zhì)巖心鉆探的護(hù)壁方法主要有下入套管、常規(guī)灌注水泥和沖洗液循環(huán)護(hù)壁等3種方法，但是在深部復(fù)雜地層要實(shí)現(xiàn)孔壁穩(wěn)定，下入套管常受到成本過(guò)高和鉆孔口徑等條件的約束，而且深部復(fù)雜地層擴(kuò)孔更易引發(fā)孔內(nèi)事故。因此，對(duì)于地質(zhì)巖心鉆探解決深部復(fù)雜地層的護(hù)壁難題，必須有一套經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的施工方法。

在開展福建深部礦體勘查鉆探技術(shù)工藝方法優(yōu)化及應(yīng)用和創(chuàng)建國(guó)土資源部馬坑鐵礦——福建龍巖野外基地的過(guò)程中，福建省地礦局鉆探技術(shù)管理人員創(chuàng)造性地將高壓噴射注漿技術(shù)引入小口徑地質(zhì)巖心鉆探的施工中，形成了高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)[5]。高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)吸收高壓旋噴加固軟土地基的精髓[6]，把這項(xiàng)地基處理技術(shù)運(yùn)用于深孔巖心鉆探護(hù)壁堵漏，通過(guò)鉆具的研制和工藝的研究，以高壓旋噴水泥漿的方式，解決了常規(guī)護(hù)壁方法不能勝任的深部“斷層泥”護(hù)壁難題。

在前期系統(tǒng)調(diào)查分析地質(zhì)巖心鉆探復(fù)雜地層的分類和其易引發(fā)的孔內(nèi)事故，在總結(jié)分析高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定相應(yīng)的對(duì)策，加工制造新型注漿鉆具，對(duì)水泥漿液進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)進(jìn)行綜合研究，規(guī)范工藝流程參數(shù)和基礎(chǔ)試驗(yàn)參數(shù)，正確評(píng)估旋噴形成的水泥固結(jié)體直徑及其強(qiáng)度，應(yīng)能滿足后續(xù)的鉆探施工護(hù)壁需求。在多個(gè)礦區(qū)對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)不同地層形成對(duì)應(yīng)解決措施，提高了深孔復(fù)雜地層水泥漿灌注后孔壁的穩(wěn)定性。

2 高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)工藝流程

高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)工藝流程是旋噴技術(shù)的重要組成部分，通過(guò)前期試驗(yàn)，形成了一套較為成熟的工藝流程,主要工藝流程為確定護(hù)壁孔段→組裝旋噴鉆具→下入旋噴鉆具→配置護(hù)壁漿液→壓漿旋噴提升→提出旋噴鉆具→清洗旋噴鉆具→候凝、掃水泥。

根據(jù)孔內(nèi)坍塌情況，選擇主要的孔段進(jìn)行旋噴，計(jì)算好孔深。鉆具組裝下鉆前，應(yīng)進(jìn)行地面試噴。護(hù)壁孔段較深時(shí)，為避免下鉆過(guò)程中發(fā)生噴嘴堵塞，試噴正常后可用膠帶把噴嘴封上。

下旋噴鉆具要輕、慢，防止刮塌孔壁。下鉆遇坍塌孔段，可泵送泥漿或清水用合金鉆頭掃穿。水泥漿水灰比一般選用0.40～0.50。根據(jù)灌注孔段深度、灌注方法和工藝選擇適當(dāng)?shù)目晒嗥?。漿液過(guò)濾裝置：在攪拌機(jī)與儲(chǔ)料箱之間和高壓注漿泵的吸水管進(jìn)口各設(shè)一道過(guò)濾網(wǎng)，用來(lái)過(guò)濾漿液，并及時(shí)清理殘?jiān)?。濾網(wǎng)網(wǎng)格應(yīng)小于噴嘴直徑，一般為3 mm×3 mm。注漿時(shí)，注漿參數(shù)(壓力、流量)達(dá)到規(guī)定值并穩(wěn)定后，噴嘴從嚴(yán)重坍塌孔段下方按噴射技術(shù)參數(shù)要求，留置旋轉(zhuǎn)噴漿1～3 min，再由下向上緩慢旋轉(zhuǎn)、提升噴射水泥漿，使欲固結(jié)護(hù)壁孔段充滿水泥漿。

候凝時(shí)間以36～72 h為宜。實(shí)踐表明，候凝時(shí)間過(guò)短，水泥與孔壁的固結(jié)體會(huì)因強(qiáng)度過(guò)小而受到破壞，失去堵漏或護(hù)壁的作用；候凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，水泥強(qiáng)度較高，易在松軟孔段掃出新孔[7，8]。

3 基礎(chǔ)參數(shù)研究試驗(yàn)

高壓旋噴水泥漿的固化機(jī)理包括2個(gè)方面,一方面噴射漿體對(duì)坍塌孔壁加固硬化,另一方面水泥漿與孔內(nèi)巖石碎屑形成復(fù)合體。運(yùn)用高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)工藝方法，在鉆桿下端安裝特殊側(cè)向高壓噴嘴，從欲護(hù)壁孔段底部開始，由下往上邊泵送高壓水泥漿邊慢速旋轉(zhuǎn)和提升鉆桿。壓力漿液從噴嘴中高速噴出，以巨大的沖擊力破壞孔壁松散巖土體的同時(shí)，由于噴嘴的旋轉(zhuǎn)使?jié){液與從巖土體上崩落下來(lái)的顆粒(包括部分已坍塌物)攪拌混合或完全充填垮塌超徑形成的空間，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的凝固形成似圓柱狀的固結(jié)體。達(dá)到一定強(qiáng)度后下鉆掃水泥，即形成可靠、有效的“護(hù)壁水泥套管”。因此，水泥漿的噴射能力和后期形成固結(jié)體的強(qiáng)度決定了水泥孔壁的穩(wěn)定性，應(yīng)開展相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行定量分析。

3.1 地表旋噴能力試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試在當(dāng)前設(shè)備和鉆具條件下的旋噴能力，在地表對(duì)旋噴半徑進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。設(shè)備為XY-5型鉆機(jī)、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機(jī)等。旋噴鉆具采用4個(gè)噴嘴等圓分布(鉆具受力均勻且漿液壓力適宜)，噴嘴直徑為5 mm，不帶合金鉆頭。

3.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入適量氯化鈉-三乙醇胺復(fù)合早強(qiáng)劑，漿液密度控制在1.6 g/cm3。漿液在抽吸前先經(jīng)過(guò)3 mm×3 mm網(wǎng)格過(guò)濾。旋噴漿液流通通道：容器→BW250型泥漿泵→高壓水龍頭→主動(dòng)鉆桿→鉆桿→旋噴鉆具。

3.1.3 結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，旋噴樁的半徑在地面可以達(dá)到5 m。具體參數(shù)如表1所示。

表1 地面旋噴試驗(yàn)參數(shù)

漿液在土體中切割與在空氣中噴射，在土體中的噴射直徑約為空氣中的0.075。在相同漿液條件下，在土體中的旋噴直徑約為375 mm。在一定深度的孔段進(jìn)行旋噴，由于沿程壓力損失和鉆桿密封較差引起的漿液泄漏，旋噴直徑會(huì)相應(yīng)縮減。而礦山鉆探終孔口徑通常為75 mm，通過(guò)再次鉆進(jìn)，旋噴形成的水泥固結(jié)體最終會(huì)形成壁厚不小于100 mm的似圓筒狀孔壁形成穩(wěn)定的孔壁，滿足鉆探施工的技術(shù)要求。

3.2 水泥固結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于鉆孔施工來(lái)說(shuō)，初凝時(shí)間決定了掃孔的最早時(shí)間，終凝時(shí)間及其中后期的強(qiáng)度與鉆孔灌注的水泥孔壁的穩(wěn)定性密切相關(guān)。應(yīng)選擇初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度大、終凝強(qiáng)度大的水泥漿配方。該次試驗(yàn)選定同時(shí)摻0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的水泥漿配方，該組水泥漿配方3 d的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到40 MPa,28 d的抗壓強(qiáng)度可超過(guò)60 MPa，基本符合鉆孔施工的要求[9]。

為了更好地評(píng)估水泥漿的配方，將孔內(nèi)可能出現(xiàn)的碎屑物簡(jiǎn)化分為3大類：小石子、粗砂、土。其中水泥的添加劑氯化鈉摻量為0.5%，三乙醇胺摻量為0.02%。

使用儀器為電子天平JA2003N、普通天平、量杯、攪拌桶。材料為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、氯化鈉、三乙醇胺。

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

將不同水灰比的水泥漿分別與3種碎屑物混合攪拌，制得3組9個(gè)不同的水泥固結(jié)體標(biāo)準(zhǔn)方塊，凝固72 h后送檢，試驗(yàn)參數(shù)及抗壓強(qiáng)度如表2所示，抗壓強(qiáng)度能滿足要求。

表2 水泥固結(jié)體抗壓試驗(yàn)

3.2.3 結(jié)果與分析

一定程度的降低水灰比，有利于固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的提高；在風(fēng)化的土體里，水泥的固結(jié)體強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在砂層或碎石層。水泥灌注形成的孔壁強(qiáng)度較低，只能作為臨時(shí)的護(hù)壁方法，如條件允許，應(yīng)下入套管；在石子和砂的混合地層中，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含有土的混合地層。

4 工程應(yīng)用試驗(yàn)分析

在進(jìn)行高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的綜合研究與工程試驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)不斷提高該工藝方法對(duì)不同類型復(fù)雜地層處理能力的認(rèn)識(shí)。前期在馬坑礦區(qū)開展了深孔泥巖破碎地層試驗(yàn)和深孔堅(jiān)硬破碎地層試驗(yàn)，為了深入了解該工藝方法的適宜地層和典型技術(shù)特征，選擇了石灰?guī)r溶洞地層為主的永定烏石下礦區(qū)和頁(yè)巖斷層破碎為主的貴州省開陽(yáng)磷礦洋水礦區(qū)，對(duì)7個(gè)鉆孔開展試驗(yàn)研究，筆者選取較為典型的鉆孔進(jìn)行闡述。

4.1 福建永定烏石下礦區(qū)試驗(yàn)

4.1.1 鉆孔基本情況

福建永定烏石下礦區(qū)ZK301設(shè)計(jì)孔深100 m，終孔孔深96.69 m。

孔內(nèi)地層主要為石灰?guī)r，夾多層溶洞，溶洞內(nèi)有泥狀填充物，鉆孔分層巖性特征如(表3)所示，鉆孔水位較低，該鉆孔69～81 m段巖心(74.34～69 m溶洞)如圖1所示。

表3 ZK301分層巖性

4.1.2 高壓旋噴作業(yè)基本情況

(1)設(shè)備：XY-2型鉆機(jī)、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機(jī)等。

(2)護(hù)壁材料：采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的復(fù)合早強(qiáng)劑，漿液密度1.6 g/mm3。

(3)旋噴鉆具組合：φ75繩索鉆桿+帶合金刮刀噴具(噴具噴嘴3個(gè))。

(4)下入孔內(nèi)預(yù)定位置后，先進(jìn)行掃孔，掃至孔底后，送水暢通，替入一定清水后開始送漿。

(5)壓送水泥漿及替水量旋噴。當(dāng)漿液自噴嘴噴射時(shí)，開動(dòng)鉆機(jī)，進(jìn)行旋噴作業(yè)，直至漿液、替水壓送完畢。

(6)注漿完畢，把鉆桿提起一立根后，清洗鉆桿，提鉆。

(7)注漿24 h后探水泥面，48 h后掃孔。

4.1.3 護(hù)壁效果

能在設(shè)定孔段之上碰到水泥面，證明水泥多次灌注有效；掃孔取出的水泥心樣混有孔壁塌落物，74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心如(圖2)所示，ZK301中水泥心強(qiáng)度較低，填充物呈粒狀較為均勻地分布在水泥心樣中，固住填充物的孔段后，該鉆孔順利終孔。

圖1 ZK301中69～81 m巖心(74.34～69 m溶洞)Fig.1 The drill cores of 69-81 m ZK301 (74.34-69 m karst cave)

圖2 ZK301中74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心Fig.2 The drill cores of karst cave section of 74.34-96.69 m ZK301

4.2 貴州省開陽(yáng)磷礦洋水礦區(qū)試驗(yàn)

4.2.1 礦區(qū)基本情況

該礦區(qū)主要地層巖性特征如表4所示。

表4貴州省開陽(yáng)磷礦洋水礦區(qū)分層巖性特征

Table4StratifiedlithologycharacteristicsinYangshuiminingareaofKaiyangphosphatemine,Guizhouprovince

序號(hào)孔段(m)巖 性10～30第四系覆土230～500多為灰色頁(yè)巖夾灰色薄層砂巖3500～1 000多為灰色白云巖

該礦區(qū)主要施工難點(diǎn)是存在斷層破碎帶，斷層埋藏深，同一鉆孔出現(xiàn)多層斷層，層厚不一，少則2～3 m，多則超過(guò)10 m，常處于孔深500～900 m。斷層的角礫成分為磷塊巖及白云巖，礫徑1～5 mm，鈣質(zhì)膠結(jié)或泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖心破碎，呈碎塊狀、碎屑狀。

4.2.2 高壓旋噴作業(yè)基本情況

(1)設(shè)備：XY-5型鉆機(jī)、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機(jī)等。

(2)護(hù)壁材料：采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的復(fù)合早強(qiáng)劑，漿液密度1.6 g/mm3。

(3)旋噴鉆具組合：φ75繩索鉆桿+φ50內(nèi)絲鉆桿 +帶合金刮刀噴具(噴具噴嘴3個(gè))。若需灌注的孔段比較長(zhǎng)，則下入φ50內(nèi)絲鉆桿的米數(shù)為處理孔段的2倍，普通情況下入10 m左右。

(4)按高壓旋噴工藝流程灌注水泥漿液。

(5)注漿24 h后探水泥面，48 h后掃孔。

4.2.3 護(hù)壁效果

(1)ZK303護(hù)壁效果

ZK303巖性特征如表5所示。

表5 ZK303斷層巖性特征

該鉆孔在孔深846 m后遇到破碎帶，裂隙發(fā)育，部分巖心呈顆粒和粉碎狀，難采取(圖3)。長(zhǎng)孔段的破碎巖層易造成鉆效低，卡鉆事故頻繁，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。為防止卡鉆等事故的發(fā)生，在破碎帶孔段多次進(jìn)行旋噴水泥漿護(hù)壁，且護(hù)壁效果理想(圖4)，隨后采用少打多提的方法提高巖心采取率，順利鉆至終孔。

圖3 ZK303中891.21～898.21 m巖心Fig.3 The drill cores of 891.21-898.21 m ZK303

圖4 ZK303中891～898m水泥心Fig.4 The drill cores of 891-898 m ZK303

(2)ZK2+200-1護(hù)壁效果

ZK2+200-1巖性特征如表6所示。

表6 ZK2+200-1斷層巖性特征

孔深190～299.90 m泵送水泥漿后提鉆，水泥漿隨涌水升至孔口，無(wú)法護(hù)壁，擴(kuò)孔至299.9 m下入φ89套管。

在595～612 m孔段多次灌注水泥漿，由于此孔段位于含水層，旋噴水泥漿凝結(jié)效果差，607.90～615.35 m孔段巖心如圖5所示，于605～610 m孔段始終未能形成良好護(hù)壁，ZK2+200-1中600～620 m處水泥心如圖6所示。

圖5 ZK2+200-1中607.90～615.35 m巖心Fig.5 The drill cores of ZK2+200-1 607.90-615.35 m

圖6 ZK2+200-1中600～620 m處水泥心Fig.6 The drill cores of ZK2+200-1 600-620 m

采用水泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)至703 m，孔內(nèi)坍塌，就地將φ72鉆桿當(dāng)作套管使用，換φ56鉆具鉆至終孔。由于595～612 m孔段為含水層，水泥漿液初凝前無(wú)法留存時(shí)，難以形成有效的固結(jié)體，無(wú)法達(dá)到護(hù)壁的目的。因此，當(dāng)可以確認(rèn)部分孔段為含水層，并且具有一定的流動(dòng)性時(shí)，應(yīng)采取其他有效的方式鉆進(jìn)。

4.3 試驗(yàn)總結(jié)分析

(1)通過(guò)2個(gè)礦區(qū)多個(gè)鉆孔的生產(chǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋噴水泥漿護(hù)壁的工藝方法、操作步驟與注意事項(xiàng)與灌注水泥漿護(hù)壁基本相同，但卻能取得比灌注水泥漿更好更可靠的護(hù)壁效果，并在灌注水泥漿無(wú)法解決的已嚴(yán)重超徑孔段、溶洞地層等獲得成功護(hù)壁[10]，主要是高壓漿液從慢轉(zhuǎn)、緩提的鉆具側(cè)向高速噴出，使?jié){液不僅具有很大的沖擊破土、滲入裂隙的能力，充分置換泥漿和充填超徑、溶洞空間，并與旋噴段孔內(nèi)的巖土顆粒攪拌混合。

(2)旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)原則上需要孔內(nèi)有一定的顆粒做為骨架基礎(chǔ)，并且孔內(nèi)的液體留存環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。該技術(shù)具有一定的局限性，操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于漿液的固相顆粒的粒徑控制要求嚴(yán)苛。在較大的開放性溶洞巖隙(無(wú)填充物或填充物較少)，當(dāng)水泥漿液初凝前無(wú)法留存時(shí)，難以形成有效的固結(jié)體，無(wú)法達(dá)到護(hù)壁的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的工藝技術(shù)，適用于泥巖、頁(yè)巖、斷層破碎帶、有一定填充物一定空間約束的溶洞和花崗巖裂隙發(fā)育破碎地層等多種深孔復(fù)雜地層。這項(xiàng)技術(shù)提高了深孔復(fù)雜地層水泥漿灌注后孔壁的穩(wěn)定性，提供了新的護(hù)壁技術(shù)思路和方法，成功的將樁基礎(chǔ)施工的旋噴技術(shù)通過(guò)消化吸收轉(zhuǎn)化為在礦山小口徑鉆探施工得以應(yīng)用的護(hù)壁技術(shù)方法，具有開創(chuàng)性。

(2)高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)每一個(gè)環(huán)節(jié)都要做好。旋噴鉆具要按照鉆孔尺寸加工，合理選擇噴嘴的數(shù)量；要對(duì)孔內(nèi)情況進(jìn)行預(yù)判，確保鉆具能到達(dá)預(yù)定孔段，若不能，則孔內(nèi)的護(hù)壁堵漏應(yīng)采取相應(yīng)的措施；鉆桿柱和地面的設(shè)備要清洗干凈，擰緊接頭處；要對(duì)一定配比的水泥漿液充分?jǐn)嚢?，并按照噴嘴的大小選擇過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾；機(jī)臺(tái)作業(yè)要連貫，熟練掌握灌注水泥漿的替漿，注意埋管深度；復(fù)噴要關(guān)注水泵壓力表和負(fù)荷，確保不出孔內(nèi)事故；灌注完水泥漿后要及時(shí)替漿，并清洗鉆桿，保持孔內(nèi)壓力平衡。

本文承蒙兩位同行專家的悉心指導(dǎo)和審閱，并指出寶貴的修改意見，在此表示衷心的感謝！