钻孔带压注浆治理铀超标地下水

刘小兵，冯张生，张航飞，杨永兴，张 莹

(中陕核工业集团二一八大队有限公司，陕西 西安 710100)

目前，铀矿山退役治理主要集中在坑口、浅(竖)井、废(矿)石、探槽、坑道水[1-2]等方面，坑口、废(矿)石、探槽治理工艺已基本成熟[3]；坑道水采取封堵坑(井)口或钻孔，及切断坑道水径流通道的治理措施[4]。

钻探作为铀矿地质勘探的常用手段，在钻探过程中会产生钻探工程废水、钻井泥浆、洗井水、铀超标地下水等污染，其中钻探工程废水、钻井泥浆、洗井水通过采用相关工艺处理，可达到辐射环境保护的要求[5-7]；而对钻孔揭穿铀超标地下水的辐射环境保护要求和治理工艺研究较少。铀超标地下水是指钻孔揭穿地下水后，由于钻孔沟通了铀超标地下水和地表水之间的水力联系，铀超标地下水通过钻孔围岩裂隙补给钻孔周围的泉水或地表水，使泉水或地表水铀浓度超出了《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727—2020)的排放要求(50 μg·L-1)。

该类源项数量大，随着绿色勘查和绿色矿山建设的推进，其必将成为辐射环境治理的重要源项之一。依托某铀矿床详查退役治理工程，对该类源项采用钻孔带压注浆治理工艺进行工程试验，研究钻孔带压注浆治理工艺参数及治理效果。

1 试验区钻孔水特征

1.1 试验区选择

某铀矿床详查退役治理的源项主要由勘查坑道、废石废渣、钻孔、水冶试验设施组成，本次选取的钻孔带压注浆治理工艺试验区位于该退役治理工程东面，试验区除分布12个勘查钻孔外无其他铀矿勘查工程，试验区治理源项位置如图1所示。

图1 试验区治理源项位置示意图

1.2 试验区钻孔水特征

试验区ZK3602钻孔水头高+0.8 m、涌水量0.140 L·s-1，ZK5603钻孔水头高+0.4 m、涌水量0.104 L·s-1，其余10个钻孔静水位-0.4～-52.0 m。ZK2801等5个钻孔堵塞，透孔时注入清水，未取静水位处的水样分析铀浓度；ZK2804等7个钻孔的静水位处水样的铀质量浓度为66～483 μg·L-1(表1)。

表1 试验区钻孔水特征

2 钻孔带压注浆工艺

2.1 铀超标地下水成因

试验区伟晶花岗岩脉，既是含矿地质体、又是主要的地下水赋存地质体，具有含矿地质体与地下水赋存地质体同体的特征[8]。大气降水是地下水的唯一补给来源，大气降水在渗入岩石过程中会溶解流经地质体中的铀元素，形成铀超标地下水，铀超标地下水铀浓度与流经的地质体铀元素含量成正比[9]。钻孔施工后，铀超标地下水通过钻孔围岩裂隙补给勘查区地表水，形成放射性环境污染源项[10]，试验区36线水文地质如图2所示。

图2 试验区36线水文地质简图

2.2 钻孔注浆位置

依据矿床铀超标地下水成因，①矿化伟晶花岗岩脉是位于钻孔最底部的矿化岩石[11]，钻孔封堵位置为孔口至①矿化伟晶花岗岩脉底板以下10 m处(图2)。

2.3 钻孔带压注浆治理工艺

治理工艺包括透孔、钻孔壁围岩刷洗和冲洗、下止浆塞、注浆、质量检查等工序，如图3所示。

图3 钻孔带压注浆治理工艺流程

2.3.1 透孔

按钻孔孔口坐标测定孔位，在测定的孔位处剥开地表覆盖物找到钻孔口；根据钻孔的倾角、方位角、孔口附近轴迹线等参数安装钻机，钻进3～5 m后在孔口安装套管，套管四周用速干水泥密封固定；采用导向钻杆或锥形钻头轻压慢钻，中等泵量，直至透孔。在透孔受阻且不能判断受阻原因时，为防止透偏应取芯验证。

2.3.2 钻孔壁围岩刷洗和冲洗

钻孔透到设计位置后，先用缠绕钢丝的钻具反复刷洗孔壁使围岩裂隙彻底暴露；再用高压水从孔底向孔外将孔内的泥皮、岩屑、泥沙等充填物冲出，并通过高压水冲洗疏通钻孔壁围岩裂隙，在回水清澈后继续冲洗10 min。冲洗压力一般为注浆压力的80%；若注浆压力大于1.0 MPa，则冲洗压力取1.0 MPa。

2.3.3 下止浆塞

在钻杆底部连接止浆塞，将其送至设计位置，待海带膨胀后(试验确定海带膨胀时间)，顺时针转动钻杆，松脱钻杆[12]。

2.3.4 注浆

该矿床岩石裂隙不发育，采用泥浆泵将1∶1(质量比)的水泥浆注入孔内。

2.3.4.1 注浆工艺

将保压装置安装在孔口套管上，通过钻杆从孔底往上进行注浆。在注浆过程中，应一边注浆一边提升钻杆。在提升钻杆时，应注意与提升钻杆相协调，确保钻杆始终处于浆液面以下3～5 m的位置，防止产生浆体虚脱。当浆液面到达孔口并出现溢浆时，继续注浆5 min后关闭保压装置上的溢流阀门，结束常压注浆。

为了克服承压水头的压力，并使浆液扩散至裂隙中的较远处，确保铀超标水的治理效果，需要进行带压注浆。关闭保压装置上的溢流阀门后继续注浆，观察保压装置上的压力表。当注浆压力保持10 min不上升时，应加大浆液浓度继续注浆，直到压力至1.5 MPa，稳定5 min后关闭保压装置闸阀，达到钻孔和孔壁围岩裂隙中的浆体饱满的目的。

2.3.4.2 注浆中断处置

出现注浆中断时，应尽可能缩短中断时间，及早恢复注浆。恢复注浆时，如吃浆量与中断前相近，则采用中断前的浆液浓度；如吃浆量比中断前减少20%以下，则浆液浓度由浓变稀继续注浆；当吃浆量达到中断前的吃浆量时，恢复至中断前的浆液浓度。中断时间超过30 min，需要待浆液凝固后重新透孔、刷洗钻孔、注浆。

2.3.5 质量检查

质量检查必须保证：1)钻孔透孔、止浆塞安装达到设计位置，钻孔壁刷洗和钻孔高压冲洗至钻孔壁围岩裂隙完全疏通；2)施工前进行水泥浆配比早强试验，注浆材料经检测合格后才能使用；3)制浆材料称量误差小于5%；浆液采用机械拌制，保证搅拌均匀；浆液温度保持在5～40 ℃；4)上一道工序经过“三检”合格后，方可进行下一道工序。

3 治理效果

依据试验区泉水和地表水系分布情况，布置SQ1、SQ2泉水治理效果观测点，在试验区上下游布置SG1、SG2地表水系治理效果观测点(图1、图2)，同时对岩石钻孔治理前后的孔口涌水情况进行对比。

3.1 泉水治理效果

3.1.1 SQ1泉水

SQ1泉水位于试验区东侧的36线和32线间的小沟谷中，主要由ZK3601、ZK3602、ZK3201、ZK3203钻孔所在位置的地下水补给(图1、图2)。动态监测表明，钻孔治理前SQ1泉水铀质量浓度为199～401 μg·L-1；治理后枯水期泉水干涸，丰水期泉水铀质量浓度为2.4～7.8 μg·L-1。

3.1.2 SQ2泉水

SQ2泉水位于试验区东侧48线附近梯田地中，由主沟谷溪水和ZK4801、ZK4805钻孔水补给(图1)。动态监测表明，SQ2泉水铀质量浓度由钻孔治理前的127～171 μg·L-1降至治理后的64～128 μg·L-1。

3.2 地表水治理效果

SG1观测点位于试验区上游，SG2观测点位于试验区下游(图1)。若同一观测时间的上、下游观测点水中的铀质量浓度差值越大，则表示试验区补给地表水中的铀元素越少、治理效果越明显。试验区钻孔水治理前后SG1、SG2观测点水中铀质量浓度观测结果见表2，治理前二者差值为81～161 μg·L-1，治理后二者差值为148～258 μg·L-1。治理后的铀质量浓度差值明显大于治理前的差值，治理效果显著。

表2 治理前后地表水观测点铀质量浓度

3.3 孔口涌水治理效果

试验区的ZK3602钻孔、ZK5603钻孔治理前孔口有涌水，治理后钻孔孔口周围不再涌水。

4 结论

通过加强质量管理，确保钻孔壁围岩刷洗和清水反冲、注浆等工序的施工质量，并控制适宜的注浆工艺参数，采用钻孔带压注浆工艺可使浆液充分扩散至钻孔壁围岩裂隙中，能有效治理钻孔揭穿铀超标地下水造成的水环境污染问题。