陶建華，李粵南，陳惠明，彭金灶，傅叢群

(福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，福建福州350003)

高壓旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)是國土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《福建馬坑鐵礦鉆探技術(shù)應(yīng)用示范和科研基地建設(shè)》課題(課題編號(hào):201011002－02)研究形成的創(chuàng)新性成果。該技術(shù)吸收高壓旋噴加固軟土地基的精髓，通過機(jī)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(鉆孔漏失、泥漿護(hù)壁難、且無法采用套管隔離等)的深部松散、破碎、易水化分散坍塌“斷層泥”等復(fù)雜地層的護(hù)壁難題。

1 高壓旋噴水泥漿護(hù)壁方法的提出

在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中，常用的護(hù)壁方法有套管隔離、泥漿護(hù)壁、固結(jié)護(hù)壁(如水泥漿固結(jié)等)等。然而，近年來，在深孔鉆探和部分特別復(fù)雜地層鉆探中，遇到大量常規(guī)護(hù)壁方法難于解決的孔內(nèi)復(fù)雜情況，給正常鉆進(jìn)帶來極大的困難，迫切要求探討相應(yīng)的解決辦法。

(1)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中，常常由于操作工藝失當(dāng)、護(hù)壁措施不力等原因造成孔壁嚴(yán)重坍塌。孔內(nèi)一旦形成較大的超徑孔段，泥漿護(hù)壁效果下降，一般需要灌注水泥漿護(hù)壁。水泥漿灌注時(shí)，漿液從鉆桿內(nèi)流入孔底，由下而上替換孔內(nèi)泥漿，擠占鉆孔空間。水泥漿液流經(jīng)孔內(nèi)“大肚子”時(shí)，受到泥漿稀釋、污染使水泥漿無法有效凝固，或不能完全占據(jù)超徑空間有效形成孔壁。

(2)復(fù)雜地層深孔鉆探實(shí)踐中，也常在中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復(fù)雜夾層(斷層)和溶洞，當(dāng)不能或無法采用套管隔離、其上部又存在難以封堵的嚴(yán)重漏失時(shí)，孔壁普遍嚴(yán)重失穩(wěn)，鉆進(jìn)無法進(jìn)行。

龍巖市馬坑礦區(qū)巖層裂隙發(fā)育、軟硬互層交替頻繁、中部大小不一溶洞成串、深部斷層破碎帶常見等，是福建省復(fù)雜地層，特別是鐵礦勘查區(qū)地層的代表。在“攻深找盲”的地質(zhì)勘查工作中，馬坑礦區(qū)中、深部孔段鉆遇不少松散、破碎、易水化分散坍塌等常規(guī)護(hù)壁方法難于解決孔內(nèi)護(hù)壁難題的復(fù)雜夾層，如層厚1～5 m不等“斷層泥”(風(fēng)化嚴(yán)重的松散地層，怕水沖刷、含泥成分高，易縮徑、坍塌)。針對這一技術(shù)難題，我們結(jié)合國土資源公益性課題的實(shí)施開展了相關(guān)探討，通過借鑒高壓旋噴樁加固地基的原理，創(chuàng)新性地研究了水泥漿高壓旋噴固結(jié)護(hù)壁法，并在馬坑鐵礦區(qū)外圍勘探鉆孔中進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，取得滿意的護(hù)壁效果。

2 旋噴水泥漿護(hù)壁工藝原理與影響因素

高壓旋噴成樁是我國20世紀(jì)70年代末引進(jìn)的改良土壤、加固土層技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于軟基加固、壩基防滲帷幕、壩基及橋基的加固、建構(gòu)筑物臨時(shí)支護(hù)等工程領(lǐng)域。該技術(shù)按高噴鉆具噴射通道(噴管的層數(shù))和噴射介質(zhì)(漿、氣、水等)的不同，有單管、雙重管、三重管等方法。由于雙管法、三管法均需同軸噴射壓縮空氣，現(xiàn)有空壓機(jī)的工作能力使其應(yīng)用深度受限，而需采用旋噴水泥漿護(hù)壁的復(fù)雜地層孔深較大，因此只能使用單管高壓旋噴法。據(jù)相關(guān)實(shí)踐，一般以20～30 MPa的壓力將高壓水泥漿液旋噴注入地層，成樁直徑可達(dá)400～500 mm。

2．1 單管高壓旋噴法工藝原理

在常規(guī)泵送法灌注水泥漿的鉆桿下端安裝特殊側(cè)面噴嘴，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的顆粒攪拌混合或完全充填垮塌超徑形成的空間，并經(jīng)過一定時(shí)間的凝固形成圓柱狀的固結(jié)體;掃水泥后，即形成可靠、有效的“護(hù)壁水泥套管”。

2．2 單管旋噴高速射流特性［6，7］

單管高壓旋噴注漿使用高壓噴射水泥漿流切割土壤。高壓水泥漿經(jīng)直徑為d0的噴嘴噴出，形成具有高能量的高速射流，相關(guān)研究將其分成3個(gè)區(qū)域(見圖1)。

圖1 高壓旋噴水泥漿護(hù)壁工藝原理圖

(1)初期區(qū)域:包括保持噴嘴出口壓力的噴流核和遷移段。噴流核軸向動(dòng)壓是常數(shù)且速度均勻，具有最強(qiáng)的破土能力;遷移段中噴流核的擴(kuò)散寬度稍有增加，軸向動(dòng)壓有所減小。射流初期區(qū)長度Xc與淹沒流體的圍壓和系統(tǒng)壓力有關(guān)，圍壓(等于流體密度和液柱高度之積)小，系統(tǒng)壓力高，則Xc值大。

(2)主要區(qū)域:是射流紊流發(fā)達(dá)、破土強(qiáng)攪拌區(qū)。在該區(qū)段，軸向動(dòng)壓陡然減弱，射流速度進(jìn)一步降低，但長度較初期區(qū)大。它的擴(kuò)散率為常數(shù)，擴(kuò)散寬度和距離的平方成正比。在土中高噴時(shí)，噴射流與土壤在本區(qū)域內(nèi)攪拌混合。

初期區(qū)長度加上主要區(qū)長度即為射流破土有效長度X(高壓旋噴加固的有效長度，即單管旋噴破土半徑)。有效長度越長，則攪拌土壤的距離越大，成樁的直徑也越大。

(3)終了區(qū)域:噴射流的動(dòng)能處于衰竭狀態(tài)。

2．3 單管旋噴射流破碎效果的影響因素

影響高壓旋噴樁護(hù)壁效果(射流攪拌樁體的強(qiáng)度和直徑)的因素主要有:噴嘴直徑d0，射流漿液的密度ρ0、壓力P0、流量Q和噴具的旋轉(zhuǎn)速度n、提升速度Vt。一般地，高壓噴射流產(chǎn)生的破壞力(即打擊力)［7］可用下式表達(dá):

式中:F——破壞力，MPa;ρ0——漿液密度，kg/L;A——噴嘴面積，m2;V——射流平均速度，在噴嘴面積A一定時(shí)由噴射壓力(即泵壓)控制，m/s。

依據(jù)公式(1)，當(dāng)漿液密度ρ0和噴嘴面積A一定時(shí)，打擊力F隨射流平均速度V的增大而增大，而V由泵壓控制，由此可以得出以下結(jié)論。

(1)泵壓越大、打擊力F越大、樁徑也越大。為提高射流效果，需要較高的系統(tǒng)壓力及流量。

(2)射流攪拌樁體的質(zhì)量和強(qiáng)度由提升速度、回轉(zhuǎn)速度及漿液本身質(zhì)量好壞決定。

(3)旋噴能量大小也是決定成樁截面的重要因素。提速較慢，在同一壓力、流量的旋噴流作用下相對單位孔壁土體施加噴射流能量就大，土體被擾動(dòng)破壞程度高，成樁截面積就大，反之成樁截面積就小。

研究和試驗(yàn)證明［4］:在高噴其他注漿參數(shù)不變的情況下，旋轉(zhuǎn)速度n主要決定成樁直徑D;提升速度Vt主要決定成樁效率E和成本C;旋轉(zhuǎn)速度n和提升速度Vt的合理匹配決定成樁質(zhì)量Q。

此外，工程實(shí)踐證明［6］，破土半徑除與射流特性有著重要關(guān)系外，還與土體的物理力學(xué)特性、射流與土體的相對位置(距離)和作用時(shí)間有關(guān)。

3 旋噴水泥漿護(hù)壁工藝要點(diǎn)

通過研究，制定旋噴水泥漿護(hù)壁工藝流程為: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→清洗旋噴機(jī)具→候凝、掃水泥。

3．1 組裝、檢測旋噴鉆具

機(jī)具組裝、下入鉆孔前，應(yīng)進(jìn)行地面試噴，并檢查高壓系統(tǒng)的完好性及設(shè)備的可靠性和壓力，旋轉(zhuǎn)速度等，滿足設(shè)計(jì)要求后方可下放噴管。

3．2 下入旋噴鉆具

(1)下噴漿管要輕、慢，防止刮塌孔壁。

(2)下鉆遇嚴(yán)重坍塌孔段，可泵送泥漿或清水掃穿。

(3)若噴嘴未用膠帶纏封保護(hù)，為防止噴嘴堵塞，臨近護(hù)壁孔段時(shí)可采用低壓送水(漿)的方法下管。

3．3 旋噴水泥漿液配置

3．3．1 漿液的配比

水泥漿水灰比是影響旋噴樁體強(qiáng)度的主要因素，一般按0.40～0.50選用。根據(jù)灌注孔段深度和灌注方法、工藝選擇適當(dāng)?shù)目晒嗥凇Ｋ酀{的可灌期可用改變減水劑加量或水灰比來調(diào)節(jié)。

3．3．2 噴漿量計(jì)算［8］

噴漿量計(jì)算有2種方法，即體積法和噴量法，取其大者作為設(shè)計(jì)噴射漿量。

3．3．2．1 體積法

按照灌注孔段情況確定。

式中:Q——需要用的漿量，m3;De——旋噴體直徑，m;D0——注漿管直徑，m;K1——填充率，0.75 ～0.9;h1——旋噴長度，m;K2——未旋噴范圍土的填充率，0.5 ～0.75;h2——未旋噴長度，m;β——損失系數(shù)，0.1～0.2。

3．3．2．2 噴量法

以單位時(shí)間噴射的漿量及噴射持續(xù)時(shí)間，計(jì)算出漿量，計(jì)算公式為:

式中:V——提升速度，m/min;H——噴射長度，m;q——單位時(shí)間噴漿量，m3/min。

根據(jù)計(jì)算所需的噴漿量和設(shè)計(jì)的水灰比，即可確定水泥和各種材料的用量。

3．3．3 配制漿液

(1)嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)。禁止使用不合格水泥、受潮結(jié)塊水泥或過期水泥。

(2)嚴(yán)格按水灰比要求配制水泥漿液，確保漿液濃度符合要求。制漿材料按設(shè)計(jì)用量采用質(zhì)量或體積計(jì)量法嚴(yán)格控制，其誤差≯5%。記錄所加水量、水泥質(zhì)量和漿液密度等數(shù)據(jù)。

(3)水泥漿液必須攪拌均勻。拌制的水泥漿液進(jìn)行雙重過濾，篩除1.5 mm以上的粗顆粒，以防粗顆?；烊胼敐{管而堵塞噴嘴。

漿液過濾裝置:在灰漿攪拌機(jī)、儲(chǔ)料箱之間和注漿泵的吸水管進(jìn)口各設(shè)一道過濾網(wǎng)。濾網(wǎng)規(guī)格應(yīng)小于漿液噴嘴直徑，一般為2 mm左右。

(4)已經(jīng)制成待用的水泥漿液應(yīng)使用低速攪拌機(jī)不間斷攪拌，防止水泥漿沉淀。

3．4 壓漿旋噴提升

(1)噴管下入到所需加固孔段底部、清孔后，卸開主動(dòng)鉆桿，投放鉆具底端出水口的堵水鋼球。

(2)重新接上鉆桿，壓送配制好的合格水泥漿液，使?jié){液從鉆頭側(cè)噴咀噴射。

(3)噴射注漿參數(shù)——壓力和流量達(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(見表1)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。

表1 單管法高壓旋噴注漿技術(shù)參數(shù)

(4)當(dāng)噴至加固孔段頂部位時(shí)，停止旋噴作業(yè)，提出孔內(nèi)鉆具，并及時(shí)進(jìn)行清理。

(5)旋噴過程中應(yīng)隨時(shí)檢查漿液的流量、噴射壓力、旋轉(zhuǎn)、提升速度等參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，并做好施工記錄，繪制作業(yè)過程曲線。

3．5 壓送替漿水

泵完水泥漿后，必須立即泵入事先計(jì)算好的清水量，替出水泵、鉆桿中的水泥漿液，并將水泵，送水管、鉆桿沖洗干凈。

3．6 清洗機(jī)具設(shè)備

噴射完畢，認(rèn)真清洗注漿機(jī)具設(shè)備，管內(nèi)、機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿。通常把漿液換成水，在地面上噴射，直到把泥漿泵、注漿管和軟管內(nèi)的漿液全部排出。

3．7 掃水泥

候凝時(shí)間以36～72 h為宜，地層松軟選用小值，地層完整可選大值。實(shí)踐表明，候凝時(shí)間過短，水泥與孔壁的固結(jié)體會(huì)因強(qiáng)度過小而受到破壞，失去堵漏或護(hù)壁的作用;候凝時(shí)間過長，水泥石強(qiáng)度較高，易在松軟孔段掃出新孔。

(1)掃孔內(nèi)水泥石宜采用側(cè)刃不鋒利的全面鉆頭，最好是金剛石不取心全面鉆頭。盡量不用取心鉆具鉆取水泥石。

(2)掃完水泥石后，應(yīng)用大泵量沖洗鉆孔，送入孔內(nèi)循環(huán)的沖洗液量不少于鉆孔容積的3倍，以全面清除孔內(nèi)懸浮的水泥渣。

3．8 注意事項(xiàng)

灌漿前必須準(zhǔn)備充分，分工明確，指揮統(tǒng)一、動(dòng)作協(xié)調(diào)迅速，全部漿量必須一次灌完。

(1)應(yīng)詳細(xì)了解、掌握、記錄實(shí)際孔深和孔內(nèi)欲護(hù)壁孔段情況。灌漿前盡量充分沖刷孔壁上的泥皮。

(2)應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)情況合理確定工藝參數(shù)，注意泵壓、轉(zhuǎn)速、提升速度等參數(shù)的控制，及時(shí)根據(jù)地層狀況，判斷旋噴的大致效果和評(píng)定旋噴參數(shù)的合理性等。

(3)噴射注漿自下而上連續(xù)進(jìn)行。開始送漿，直到成樁后停漿，中途不得中斷。噴射提升過程中，由于卸管或其它原因(停電、停水、機(jī)械故障等)造成的注漿中斷停歇時(shí)間超過0.5 h時(shí)應(yīng)清洗管路，防止堵塞;恢復(fù)旋噴時(shí)，搭接長度＞0.5 m，以保證樁體連續(xù)性和整體性。

(4)在噴射灌漿過程中，若土質(zhì)松軟，應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴處理;遇超徑孔段、空洞等特殊情況，應(yīng)停止提升噴管，連續(xù)注漿至空洞填滿漿液。

(5)在高壓噴射注漿過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升等異常情況時(shí)，應(yīng)查明產(chǎn)生的原因并及時(shí)采取措施。

(6)施工中應(yīng)如實(shí)記錄高壓噴射注漿的各項(xiàng)參數(shù)和出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，作好鉆孔及旋噴作業(yè)原始記錄。

4 旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的應(yīng)用與推廣

4．1 旋噴水泥漿護(hù)壁設(shè)備與機(jī)具

綜合考慮鉆探現(xiàn)場實(shí)際情況，旋噴水泥漿護(hù)壁研究試驗(yàn)和推廣應(yīng)用均采用鉆探生產(chǎn)設(shè)備:旋噴機(jī)具的下入、旋轉(zhuǎn)、提升采用XY－4、XY－5等型號(hào)鉆機(jī)，高壓注漿泵采用壓力可達(dá)到6～8 MPa及以上的BW型泥漿泵，采用泥漿攪拌機(jī)拌制水泥漿。

根據(jù)相關(guān)研究成果，確定旋噴機(jī)具組合為:鉆桿+側(cè)噴嘴接頭(噴具)+硬質(zhì)合金掃孔鉆頭。側(cè)噴嘴接頭(噴具)采用與鉆孔直徑匹配的圓鋼加工，結(jié)構(gòu)形式為:

(1)內(nèi)孔直徑18 mm，設(shè)鋼球隔流閥座;

(2)側(cè)鉆2～3個(gè)噴嘴，直徑3～5 mm，過水長度12 mm，沿接頭周邊均布。

4．2 旋噴水泥漿護(hù)壁的研究試驗(yàn)

4．2．1 旋噴水泥漿護(hù)壁的首次應(yīng)用試驗(yàn)——馬坑礦區(qū)ZK7529孔

4．2．1．1 首次應(yīng)用試驗(yàn)的背景

馬坑礦區(qū)ZK7529孔設(shè)計(jì)孔深1200 m，于2010年10月19日開孔，至2011年10月4日終孔，終孔孔深1299.19 m。該孔于孔深960 m后，鉆遇3個(gè)“斷層泥”破碎帶:前2個(gè)斷層采用套管隔離，第3個(gè)斷層應(yīng)用了水泥漿高壓旋噴灌注法。

第一個(gè)斷層帶:孔深969.20～970.50 m(中間夾0.2 m基巖)，地下水有徑向流動(dòng)。鉆進(jìn)時(shí)阻力大，提出鉆具后孔段即被細(xì)石充填。采用泥漿護(hù)壁無效后，多次采用常規(guī)方法灌注水泥，均未取上水泥心樣，后擴(kuò)孔下入89 mm套管。

4．2．1．2 旋噴水泥漿護(hù)壁作業(yè)要點(diǎn)

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

圖2 風(fēng)化嚴(yán)重的“斷層泥”松散地層

(2)護(hù)壁材料:采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量750 kg，水灰比0.45，加入適量促凝早強(qiáng)劑(NaCl)及速凝劑(三乙醇胺)，漿液密度控制在1.6 g/cm3。

(4)旋噴參數(shù):泵量90 L/min，泵壓 0.2～5 MPa，旋轉(zhuǎn)速度I速，提升速度6～8 cm/min。

(5)注漿24 h后探水泥面，48 h后掃孔。

4．2．1．3 護(hù)壁效果

孔深1100 m碰到水泥面，掃孔取出的水泥心樣混有孔壁塌落物(見圖3)。掃孔穿過易坍塌孔段后，采用59 mm鉆具鉆進(jìn)至終孔。

圖3 ZK7529旋噴護(hù)壁水泥心

4．2．2 常規(guī)泵灌與高壓旋噴水泥漿護(hù)壁對比試驗(yàn)——馬坑礦區(qū)ZK8321孔

馬坑鐵礦ZK8321鉆孔由于地層復(fù)雜，開孔直徑200 mm，鉆至孔深547.50 m時(shí)已將89 mm套管下入孔內(nèi)。580～680 m孔段鉆遇高度在0.2～1 m、充填～半充填型溶洞30多個(gè)。有的溶洞之間僅相隔0.3～0.4 m，部分溶洞存有貫通式通道。由于溶洞群的存在和上部巖層裂隙發(fā)育，共同引發(fā)的嚴(yán)重漏失難于封堵，泥漿護(hù)壁無效，使孔內(nèi)掉塊、漏失等現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆桿折斷、鉆孔彎曲及卡鉆埋鉆等事故時(shí)有發(fā)生，無法正常鉆進(jìn)。

為探討解決溶洞群和巖層裂隙發(fā)育孔段的護(hù)壁問題，結(jié)合科研工作，應(yīng)用現(xiàn)場施工設(shè)備在ZK8321孔開展了常規(guī)泵灌水泥漿與高壓旋噴水泥漿護(hù)壁的對比試驗(yàn)(見表2)。旋噴鉆具采用50 mm鉆桿制作，底部封堵，離底部0.2～0.3 m處側(cè)鉆3個(gè)直徑5 mm的孔眼。

表2 ZK8321孔對比試驗(yàn)情況

根據(jù)掃水泥取上的心樣，2種灌注方法水泥漿固結(jié)質(zhì)量存在明顯差異。

(1)普通泵送:水泥心呈松散狀，存有水眼與氣孔，整體強(qiáng)度差值較大，導(dǎo)致局部孔段仍然有漏失與掉塊現(xiàn)象。

(2)高壓旋噴:水泥心外觀光滑密實(shí)，基本不出現(xiàn)水眼和氣孔，整體強(qiáng)度值相差不大，固結(jié)土體的強(qiáng)度值基本能夠達(dá)到10 MPa以上。

4．2．3 旋噴水泥漿護(hù)壁在馬坑礦區(qū)其他鉆孔的應(yīng)用效果

旋噴水泥漿護(hù)壁在礦區(qū)后續(xù)鉆孔施工中成為深部復(fù)雜地層的主要護(hù)壁手段。以下僅列舉部分案例。

4．2．3．1 馬坑 ZK7929 孔

S95繩索取心鉆進(jìn)至783.40 m時(shí)，位于755.52～783.40 m孔段的風(fēng)化、破碎地層發(fā)生坍塌，鉆進(jìn)無法正常進(jìn)行。分3次旋噴灌注水泥(1800 kg)漿護(hù)壁，維護(hù)了孔壁穩(wěn)定，圖4為旋噴灌注水泥漿前后的巖心對比。

圖4 ZK7929孔的旋噴護(hù)壁情況

4．2．3．2 ZK7525 孔

鉆孔從ZK7525孔分支鉆進(jìn)至582.49 m(孔徑95 mm)時(shí)，497～518 m破碎、松散地層發(fā)生嚴(yán)重坍塌，鉆進(jìn)無法進(jìn)行。針對這一復(fù)雜層，通過分5個(gè)孔段進(jìn)行旋噴水泥漿護(hù)壁(個(gè)別增加穿鋼絲攪拌)作業(yè)，圓滿地解決孔壁坍塌問題(見圖5)，保證了后續(xù)造斜、鉆進(jìn)的順利進(jìn)行，圓滿地完成了分支孔施工任務(wù)。

圖5 ZK7525孔的旋噴護(hù)壁情況

4．2．3．3 ZK8721孔

圖6 ZK8721孔鉆遇的砂質(zhì)松散地層

4．3 旋噴水泥漿護(hù)壁的推廣應(yīng)用

4．3．1 湖北放馬山礦區(qū) ZK10409 孔［2］

2011年10月，湖北放馬山礦區(qū)ZK10409孔采用XY－4型鉆機(jī)，BW－250型變量等設(shè)備施工，為解決405～505 m的灰?guī)r溶洞層及505～515 m的斷層破碎帶地層的護(hù)壁問題，應(yīng)用“鉆桿柱+變徑接頭+50 mm鉆桿+旋噴具”進(jìn)行旋噴水泥漿護(hù)壁，取得了其他護(hù)壁工藝無法得到的效果。

水泥漿液攪拌采用容積為160 L、電機(jī)功率為0.75 kW的泥漿攪拌機(jī)。

4．3．2 荊山煤田 ZK1001 孔［3］

永安荊山煤田的煤系地層巖石節(jié)理發(fā)肓，粉煤層極易坍塌，而且煤層的頂、底板巖心極破碎，膠結(jié)疏松，產(chǎn)狀陡。ZK1001鉆孔下完89 mm套管，采用77 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至孔深696 m時(shí)，578～580.2和591～595.6 m孔段的粉煤層大面積坍塌，鉆具在孔內(nèi)被埋。反鉆桿至643.73 m時(shí)，使用多種配方的泥漿護(hù)壁，仍無法控制孔壁坍塌。

為解決孔壁坍塌問題，在577～600 m孔段進(jìn)行5次灌注水泥漿(水灰比均為0.5)，前4次采用常規(guī)灌注方法失敗，第5次采用旋噴法灌漿獲得成功，并維持孔壁穩(wěn)定至孔深819.86 m(終孔)，見表3。

表3 荊山煤田ZK1001孔灌水泥封堵坍塌孔段的情況

5 旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的研究與應(yīng)用體會(huì)

5．1 旋噴水泥漿與灌注水泥漿護(hù)壁方法的比較

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，并在灌注水泥漿無法解決的已嚴(yán)重超徑孔段、溶洞地層等獲得成功護(hù)壁，主要是高壓漿液從慢轉(zhuǎn)、緩提的鉆具側(cè)向高速噴出(見表4)，使?jié){液不僅具有很大的沖擊破土、滲入裂隙能力，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。

表4 旋噴與灌注水泥漿護(hù)壁工藝的主要區(qū)別

5．2 旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的適用地層

(1)中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復(fù)雜夾層，如:馬坑礦區(qū)深部常見層厚1～5 m不等“斷層泥”。

(2)任意孔深的坍塌超徑孔段、溶洞地層等有、無充填物中、小孔洞或溶洞群。

5．3 存在的問題

綜合旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)的應(yīng)用情況，由于存在以下主要問題，致使護(hù)壁效果不夠理想，甚至造成旋噴水泥漿護(hù)壁的失敗。

(1)旋噴鉆具噴嘴加工較為隨意，達(dá)不到科學(xué)、合理的噴射流型要求。

(2)旋噴漿液壓力不足。

(3)旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度的組合不匹配，如:旋噴具提升過快等。

(4)替漿水量的控制不當(dāng)。

(5)作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不足，關(guān)鍵環(huán)節(jié)操作不熟練，各工作人員配合不密切。

6 提高旋噴水泥漿護(hù)壁效果的探討

6．1 持續(xù)完善旋噴水泥漿護(hù)壁技術(shù)

(1)探尋高質(zhì)量噴嘴。噴嘴是噴頭的重要組成部分，噴嘴的水力學(xué)特性的好壞直接影響射流對地層的沖切效果，進(jìn)而決定“水泥套管”直徑的大小。

(2)探討解決旋噴轉(zhuǎn)速不當(dāng)問題。利用立軸式鉆機(jī)最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋噴回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速太快;以點(diǎn)動(dòng)方式回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速不均。

(3)研制或探尋滿足旋噴水泥漿護(hù)壁所需流量、泵壓的專用注漿泵。

6．2 旋噴工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇

要確保樁體強(qiáng)度值和樁徑，針對不同護(hù)壁孔段地層，探討噴嘴直徑、漿液流量與壓力、旋噴轉(zhuǎn)速、提升速度等組合的旋噴樁體直徑、樁體質(zhì)量研究，進(jìn)行旋噴工藝參數(shù)優(yōu)化選擇。

6．3 提高旋噴攪拌樁體直徑的工藝途徑

(1)采用復(fù)噴工藝:先噴一遍清水破壞孔壁、擴(kuò)大孔徑，再噴一遍或兩遍水泥漿。

(2)先擴(kuò)大孔壁(如采用彎鉆桿或偏心鉆頭掃孔)，再進(jìn)行旋噴注漿。

(3)在旋噴鉆具上加裝鉆葉或穿鋼絲，增加旋噴注漿時(shí)破壞孔壁和攪拌混合物的能力。

(4)研制和應(yīng)用擴(kuò)孔旋噴鉆具，如:柔性鉆桿(小直徑鉆桿)+單側(cè)噴嘴+偏心鉆頭等組合式旋噴鉆具。

7 結(jié)語

旋噴水泥漿護(hù)壁研究成果在福建龍巖馬坑鐵礦深部復(fù)雜地層護(hù)壁獲得成功后，先后在福建煤田、湖北放馬山等礦區(qū)多個(gè)鉆孔推廣應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)可以在任意孔深的坍塌超徑孔段、軟弱松散地層等形成可靠、有效的“水泥套管”護(hù)壁。這一成果為小口徑深孔復(fù)雜地層護(hù)壁增添了一項(xiàng)有效的護(hù)壁技術(shù)和手段。目前，該技術(shù)已成為我局機(jī)臺(tái)深孔鉆探主要和必備的護(hù)壁手段。

［1］ 陶建華，李粵南．福建省深孔鉆探主要技術(shù)難題及其解決對策［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S1)．

［2］ 谷守衛(wèi)．旋噴水泥護(hù)壁在湖北放馬山礦區(qū)ZK10409孔的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S1)．

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