地面預(yù)注漿技術(shù)在治理斷層破碎帶區(qū)域中的應(yīng)用分析

王曉冬 袁剛

摘 要：本文詳細(xì)分析具體案例，介紹了斷層破碎帶的地質(zhì)特征，分析了地面預(yù)注漿的基本原理和技術(shù)控制措施，并結(jié)合工程案例，探討了地面預(yù)注漿技術(shù)在治理斷層破碎帶中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地面預(yù)注漿；施工；斷層破碎帶

引言

根據(jù)其構(gòu)造巖的不同，斷層破碎帶呈現(xiàn)不同的特征，然而，斷層破碎帶在工程應(yīng)用中多表現(xiàn)出性能差這一特點(diǎn)，而實(shí)際工程中，又不可避免的面對(duì)斷層破碎帶。為了滿足工程的施工質(zhì)量和使用要求，當(dāng)遇到斷層破碎帶時(shí)需要采取措施對(duì)其進(jìn)行處理。地面預(yù)注漿技術(shù)就是經(jīng)常使用的措施之一。

1.斷層破碎帶的地質(zhì)特征

斷裂帶具有斷層核（fault core）和破碎帶（damage zone）典型的二元結(jié)構(gòu)。斷層核是指由滑動(dòng)面（slip surfaces）、構(gòu)造透鏡體（lens）和斷層巖[斷層泥（gouge）、斷層角礫巖（breccia）、碎裂巖（cataclasite）和泥巖涂抹（clay smear）]組成的剪切帶[1，4-8]。破碎帶指斷層核兩側(cè)的低序次構(gòu)造（次級(jí)斷層、裂縫、變形帶和巖脈等）切割圍巖形成的滲透率異常區(qū)。Kim等將破碎帶分為圍巖破碎帶（wall damage zone）、連接破碎帶（linkage damage zone）和端部破碎帶（tip damage zone）。由于斷層核、破碎帶與母巖間的物性具有一定差異，使斷裂在低-非孔隙性巖石和高孔隙性巖石中的表現(xiàn)形式明顯不同，使其對(duì)儲(chǔ)層物性具有相反的改造作用。致密巖層（孔隙度小于15%）中發(fā)育的斷裂，斷層巖為斷層角礫巖和斷層泥，破碎帶發(fā)育大量裂縫，隨著離斷層核距離增加裂縫密度越來(lái)越小，當(dāng)裂縫密度與區(qū)域裂縫密度一致時(shí)，標(biāo)志著破碎帶終止[3]，無(wú)內(nèi)聚力的斷層角礫巖比母巖滲透率提高1～5個(gè)數(shù)量級(jí)，破碎帶比母巖滲透率提高1～7個(gè)數(shù)量級(jí)[15]；高孔隙性（孔隙度大于15%）巖石中的斷裂，斷層巖為碎裂巖系列，破碎帶中發(fā)育變形帶，即在局部壓實(shí)、膨脹或剪切的作用下，由顆粒滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及破碎形成的帶狀微構(gòu)造，破碎帶內(nèi)變形帶的發(fā)育規(guī)律與低孔隙巖層中裂縫的發(fā)育規(guī)律相似，即隨著離斷層核距離增加變形帶密度越來(lái)越小，當(dāng)變形帶密度與區(qū)域變形帶密度一致時(shí)，標(biāo)志著破碎帶終止。變形帶與裂縫相比，其為流體運(yùn)移的遮擋物，而裂縫通常為流體運(yùn)移通道。斷裂的位移和斷裂帶厚度普遍表現(xiàn)為正相關(guān)，這種正相關(guān)性代表了一種生長(zhǎng)趨勢(shì)，一個(gè)小位移斷層隨著位移的增大將會(huì)逐漸變寬。Childs等研究表明，位移為100m的斷層，伴生的破碎帶寬度可以達(dá)到1000 m以上，這意味著斷層圈閉范圍內(nèi)發(fā)育大量微構(gòu)造，對(duì)儲(chǔ)層具有極強(qiáng)的改造作用。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，儲(chǔ)層受力變形均產(chǎn)生裂縫，可以提高物性。實(shí)際上高孔隙性儲(chǔ)層中變形后發(fā)育的是變形帶，降低儲(chǔ)層物性。筆者以松遼盆地徐家圍子斷陷營(yíng)城組致密火山巖和大慶長(zhǎng)垣葡萄花油層高孔隙性儲(chǔ)層為例，系統(tǒng)剖析斷裂伴生微構(gòu)造類(lèi)型及其對(duì)儲(chǔ)層反向改造作用。

斷層破碎帶根據(jù)其構(gòu)造巖的不同而具備不同的地質(zhì)特性，斷層泥的隔水性強(qiáng)，厚度變化大，巖體結(jié)構(gòu)面抗剪性能差，是抗滑穩(wěn)定分析中的控制因素；角礫巖分為有膠結(jié)和未膠結(jié)，有膠結(jié)的一般較堅(jiān)牢，但軟弱泥化夾層工程性能較差，未膠結(jié)的巖塊之間為泥質(zhì)物填充，性質(zhì)很差。

2.地面預(yù)注漿的基本原理和技術(shù)控制措施

地面預(yù)注漿是通過(guò)一定的加壓設(shè)備將水泥漿液注入巖層，在巖層孔隙內(nèi)形成強(qiáng)度高、滲透性低的水泥和巖層的結(jié)合體。漿液的整個(gè)注入過(guò)程可以分為四個(gè)階段：（1）提高注漿壓力，當(dāng)注漿壓力超過(guò)靜水壓力和流動(dòng)阻力之后，漿液開(kāi)始進(jìn)入巖層中的孔隙；（2）漿液在巖層孔隙中流動(dòng)，大裂隙開(kāi)始縮小，小裂隙被填充，繼續(xù)提高注漿壓力，使?jié){液流動(dòng)的更遠(yuǎn)；（3）由于注漿壓力大，漿液將巖層中的泥質(zhì)等不良填充體沖破，提高巖層填充體的性質(zhì)；（4）漿液完成充填、壓實(shí)、凝固等過(guò)程，形成全封閉裂隙。

在實(shí)際工程中，通過(guò)調(diào)節(jié)一些注漿參數(shù)來(lái)對(duì)預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行幾個(gè)技術(shù)控制。具體參數(shù)如下：（1）擴(kuò)散半徑：主要與巖層性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)前主要參考?jí)核畬?shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)（2）注漿漿液：主要是指填充地層裂縫、孔隙的物質(zhì)，并且是實(shí)現(xiàn)地層加固的關(guān)鍵。（3）注漿壓力：實(shí)現(xiàn)漿液的擴(kuò)散、充實(shí)是注漿壓力的主要作用。注漿壓力主要與凈水壓力、過(guò)流斷面尺寸、漿液粘滯性、裂縫及孔隙的粗糙度等因素有關(guān)。（4）漿液注入量：為了保證工程的經(jīng)濟(jì)性，需要提前預(yù)估漿液的注入量，而漿液擴(kuò)散半徑和地層的裂隙率是兩個(gè)主要的參考參數(shù)。一般用公式來(lái)預(yù)估漿液注入量。其中：Q是漿液注入量；A是注漿消耗系數(shù)，不同類(lèi)型的漿液不同；R是擴(kuò)散半徑；H是注漿段長(zhǎng)度，需要根據(jù)實(shí)際工程確定；n為裂隙率，一般根據(jù)實(shí)際工程確定；B是漿液填充系數(shù)；是漿液結(jié)實(shí)率。（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)一般可分為兩個(gè)，一是最終吸漿量（即漿液注至最后的允許吸漿量），另一個(gè)是達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)的持續(xù)時(shí)間。一般而言，注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求，吸漿量為20L/min～60L/min，穩(wěn)定20min～30min，即可認(rèn)為達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.案例介紹

3.1工程基本情況

為了某礦1#副井井筒施工中遇到的大量涌水的惡劣環(huán)境，加快施工進(jìn)度，采用了地面預(yù)注漿技術(shù)施工，工程共布置8個(gè)注漿孔，孔深714m，采用環(huán)形注漿的方法對(duì)井筒周?chē)M(jìn)行注漿，50m為一次注漿段高。以6#注漿孔為例，其中破碎帶有兩段，第一段：600m-618m共18m的破碎帶；第二段628m-635m 共 7m的破碎帶。通過(guò)對(duì)鉆孔巖芯的分析發(fā)現(xiàn)，斷層破碎帶是散體―裂隙破碎狀，高角度節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，也是主要的過(guò)水通道。此外，鉆孔塌落嚴(yán)重，從破碎帶中取出的巖芯RQD值基本可以認(rèn)為是0。這些情況都表明，僅僅依靠設(shè)計(jì)的段高內(nèi)一次性注漿結(jié)束方式已經(jīng)不能達(dá)到穩(wěn)定效果，需要進(jìn)行其他來(lái)增強(qiáng)巖體強(qiáng)度。

3.2施工流程

經(jīng)選擇采取分壓法為主，間歇法輔助的注漿方法。采用下行式小泵量注漿，小于200L/min。采用相對(duì)高濃度的漿液（原粘土水泥漿粘度24s，比重1.27-1.34），1m3粘土水泥漿配200kg～250kg水泥，30L水玻璃。

3.3施工工藝

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，由于兩段破碎帶在一個(gè)注漿段高600m-650m，經(jīng)優(yōu)化方案決定采取分壓法為主，間歇法輔助的注漿方法，以堵住涌水，保證注漿效果。鉆孔分為3次先后進(jìn)行分壓注漿，第一次注到終壓的50%；第二次注到終壓的80%，第三次注到要求終壓。（注：最好不超過(guò)3次）

3.4注意事項(xiàng)

1）注漿開(kāi)始時(shí)，根據(jù)壓水實(shí)驗(yàn)壓力，確定初始漿液比例。2）注漿過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)壓力長(zhǎng)時(shí)間無(wú)變化，甚至有下降的現(xiàn)象，可視為跑漿，應(yīng)采取間歇注漿或者加骨料（鋸末），如跑漿嚴(yán)重，需注入10m？到15m？單液漿，制止跑漿現(xiàn)象。3）3次注漿的復(fù)注間隔時(shí)間應(yīng)逐漸加大，起止?jié){塞后，養(yǎng)護(hù)時(shí)間12-24小時(shí)，然后掃孔，等待復(fù)注。

3.5效果分析

檢查預(yù)注漿的效果，分別采取了取巖芯分析、井筒巖石穩(wěn)定性分析、巖―漿復(fù)合體分析。通過(guò)分析結(jié)果表明：斷層破碎帶中的裂隙填充飽滿，加固效果明顯；注漿后井筒掘進(jìn)時(shí)圍巖中涌水量幾乎為零。

4.結(jié)語(yǔ)

在遇斷層破碎帶時(shí)，地面預(yù)注漿技術(shù)是一種非常可行的方法。在實(shí)際過(guò)程中要嚴(yán)格按照預(yù)注漿的施工程序，嚴(yán)格進(jìn)行施工控制，保證施工質(zhì)量，為后續(xù)工程提供保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉泉聲，盧超波，盧海峰，劉學(xué)偉.斷層破碎帶深部區(qū)域地表預(yù)注漿加固應(yīng)用與研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，3（增2）：3688-3695.

[2]MT/T 1150-2011，立井井筒地面預(yù)注漿工程注漿孔施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]中國(guó)建筑工業(yè)出版社.新版建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范匯編[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4]馮向東.斷層破碎帶預(yù)注漿的研究與應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1996（06）：43-45.

[5]倪有斌，梁華紅.預(yù)注漿加固導(dǎo)水破碎帶技術(shù)實(shí)踐[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（03）：52-54.