地面预注浆技术在治理断层破碎带区域中的应用分析

王晓冬 袁刚

摘 要：本文详细分析具体案例，介绍了断层破碎带的地质特征，分析了地面预注浆的基本原理和技术控制措施，并结合工程案例，探讨了地面预注浆技术在治理断层破碎带中的应用。

关键词：地面预注浆；施工；断层破碎带

引言

根据其构造岩的不同，断层破碎带呈现不同的特征，然而，断层破碎带在工程应用中多表现出性能差这一特点，而实际工程中，又不可避免的面对断层破碎带。为了满足工程的施工质量和使用要求，当遇到断层破碎带时需要采取措施对其进行处理。地面预注浆技术就是经常使用的措施之一。

1.断层破碎带的地质特征

断裂带具有断层核（fault core）和破碎带（damage zone）典型的二元结构。断层核是指由滑动面（slip surfaces）、构造透镜体（lens）和断层岩[断层泥（gouge）、断层角砾岩（breccia）、碎裂岩（cataclasite）和泥岩涂抹（clay smear）]组成的剪切带[1，4-8]。破碎带指断层核两侧的低序次构造（次级断层、裂缝、变形带和岩脉等）切割围岩形成的渗透率异常区。Kim等将破碎带分为围岩破碎带（wall damage zone）、连接破碎带（linkage damage zone）和端部破碎带（tip damage zone）。由于断层核、破碎带与母岩间的物性具有一定差异，使断裂在低-非孔隙性岩石和高孔隙性岩石中的表现形式明显不同，使其对储层物性具有相反的改造作用。致密岩层（孔隙度小于15%）中发育的断裂，断层岩为断层角砾岩和断层泥，破碎带发育大量裂缝，随着离断层核距离增加裂缝密度越来越小，当裂缝密度与区域裂缝密度一致时，标志着破碎带终止[3]，无内聚力的断层角砾岩比母岩渗透率提高1～5个数量级，破碎带比母岩渗透率提高1～7个数量级[15]；高孔隙性（孔隙度大于15%）岩石中的断裂，断层岩为碎裂岩系列，破碎带中发育变形带，即在局部压实、膨胀或剪切的作用下，由颗粒滑动、旋转以及破碎形成的带状微构造，破碎带内变形带的发育规律与低孔隙岩层中裂缝的发育规律相似，即随着离断层核距离增加变形带密度越来越小，当变形带密度与区域变形带密度一致时，标志着破碎带终止。变形带与裂缝相比，其为流体运移的遮挡物，而裂缝通常为流体运移通道。断裂的位移和断裂带厚度普遍表现为正相关，这种正相关性代表了一种生长趋势，一个小位移断层随着位移的增大将会逐渐变宽。Childs等研究表明，位移为100m的断层，伴生的破碎带宽度可以达到1000 m以上，这意味着断层圈闭范围内发育大量微构造，对储层具有极强的改造作用。传统观点认为，储层受力变形均产生裂缝，可以提高物性。实际上高孔隙性储层中变形后发育的是变形带，降低储层物性。笔者以松辽盆地徐家围子断陷营城组致密火山岩和大庆长垣葡萄花油层高孔隙性储层为例，系统剖析断裂伴生微构造类型及其对储层反向改造作用。

断层破碎带根据其构造岩的不同而具备不同的地质特性，断层泥的隔水性强，厚度变化大，岩体结构面抗剪性能差，是抗滑稳定分析中的控制因素；角砾岩分为有胶结和未胶结，有胶结的一般较坚牢，但软弱泥化夹层工程性能较差，未胶结的岩块之间为泥质物填充，性质很差。

2.地面预注浆的基本原理和技术控制措施

地面预注浆是通过一定的加压设备将水泥浆液注入岩层，在岩层孔隙内形成强度高、渗透性低的水泥和岩层的结合体。浆液的整个注入过程可以分为四个阶段：（1）提高注浆压力，当注浆压力超过静水压力和流动阻力之后，浆液开始进入岩层中的孔隙；（2）浆液在岩层孔隙中流动，大裂隙开始缩小，小裂隙被填充，继续提高注浆压力，使浆液流动的更远；（3）由于注浆压力大，浆液将岩层中的泥质等不良填充体冲破，提高岩层填充体的性质；（4）浆液完成充填、压实、凝固等过程，形成全封闭裂隙。

在实际工程中，通过調节一些注浆参数来对预注浆技术进行几个技术控制。具体参数如下：（1）扩散半径：主要与岩层性质有关，当前主要参考压水实验的相关参数（2）注浆浆液：主要是指填充地层裂缝、孔隙的物质，并且是实现地层加固的关键。（3）注浆压力：实现浆液的扩散、充实是注浆压力的主要作用。注浆压力主要与净水压力、过流断面尺寸、浆液粘滞性、裂缝及孔隙的粗糙度等因素有关。（4）浆液注入量：为了保证工程的经济性，需要提前预估浆液的注入量，而浆液扩散半径和地层的裂隙率是两个主要的参考参数。一般用公式来预估浆液注入量。其中：Q是浆液注入量；A是注浆消耗系数，不同类型的浆液不同；R是扩散半径；H是注浆段长度，需要根据实际工程确定；n为裂隙率，一般根据实际工程确定；B是浆液填充系数；是浆液结实率。（5）注浆结束标准：注浆的结束标准一般可分为两个，一是最终吸浆量（即浆液注至最后的允许吸浆量），另一个是达到设计压力时的持续时间。一般而言，注浆终压达到设计要求，吸浆量为20L/min～60L/min，稳定20min～30min，即可认为达到结束标准。

3.案例介绍

3.1工程基本情况

为了某矿1#副井井筒施工中遇到的大量涌水的恶劣环境，加快施工进度，采用了地面预注浆技术施工，工程共布置8个注浆孔，孔深714m，采用环形注浆的方法对井筒周围进行注浆，50m为一次注浆段高。以6#注浆孔为例，其中破碎带有两段，第一段：600m-618m共18m的破碎带；第二段628m-635m 共 7m的破碎带。通过对钻孔岩芯的分析发现，断层破碎带是散体―裂隙破碎状，高角度节理裂隙发育程度高，也是主要的过水通道。此外，钻孔塌落严重，从破碎带中取出的岩芯RQD值基本可以认为是0。这些情况都表明，仅仅依靠设计的段高内一次性注浆结束方式已经不能达到稳定效果，需要进行其他来增强岩体强度。

3.2施工流程

经选择采取分压法为主，间歇法辅助的注浆方法。采用下行式小泵量注浆，小于200L/min。采用相对高浓度的浆液（原粘土水泥浆粘度24s，比重1.27-1.34），1m3粘土水泥浆配200kg～250kg水泥，30L水玻璃。

3.3施工工艺

经过数据分析，由于两段破碎带在一个注浆段高600m-650m，经优化方案决定采取分压法为主，间歇法辅助的注浆方法，以堵住涌水，保证注浆效果。钻孔分为3次先后进行分压注浆，第一次注到终压的50%；第二次注到终压的80%，第三次注到要求终压。（注：最好不超过3次）

3.4注意事项

1）注浆开始时，根据压水实验压力，确定初始浆液比例。2）注浆过程中，如发现压力长时间无变化，甚至有下降的现象，可视为跑浆，应采取间歇注浆或者加骨料（锯末），如跑浆严重，需注入10m？到15m？单液浆，制止跑浆现象。3）3次注浆的复注间隔时间应逐渐加大，起止浆塞后，养护时间12-24小时，然后扫孔，等待复注。

3.5效果分析

检查预注浆的效果，分别采取了取岩芯分析、井筒岩石稳定性分析、岩―浆复合体分析。通过分析结果表明：断层破碎带中的裂隙填充饱满，加固效果明显；注浆后井筒掘进时围岩中涌水量几乎为零。

4.结语

在遇断层破碎带时，地面预注浆技术是一种非常可行的方法。在实际过程中要严格按照预注浆的施工程序，严格进行施工控制，保证施工质量，为后续工程提供保证。

参考文献：

[1]刘泉声，卢超波，卢海峰，刘学伟.断层破碎带深部区域地表预注浆加固应用与研究[J].岩石力学与工程学报，2013，3（增2）：3688-3695.

[2]MT/T 1150-2011，立井井筒地面预注浆工程注浆孔施工技术规范[S].

[3]中国建筑工业出版社.新版建筑工程施工质量验收规范汇编[M].中国建筑工业出版社，中国计划出版社，2003.

[4]冯向东.断层破碎带预注浆的研究与应用[J].勘察科学技术，1996（06）：43-45.

[5]倪有斌，梁华红.预注浆加固导水破碎带技术实践[J].淮南职业技术学院学报，2005（03）：52-54.