高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法与流程

1.本发明涉及深部开采高应力条件下竖井基岩段井筒防治水技术领域。具体地说是高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法。


背景技术：

2.我国矿产资源开采已进入深部开采阶段。未来十年，我国将加快深井建设速度，预计超过一半的煤矿和近三分之一的金属矿开采深度将达到或超过1000米。深部开采，建井先行。深部恶劣地质环境造成千米深竖井基岩段水害防治形式极为严峻。地面预注浆技术通过地面钻孔将浆液注入含水层并驱排地下水，浆液凝固后充填封堵地层导水通道，形成注浆帷幕，避免凿井过程中深部高压地下水涌入井筒，竖井注浆帷幕是封堵基岩段含水层的重要防治水结构。深部“高应力、高水压、强开挖卸荷扰动”等因素对浆液扩散范围、注浆帷幕开挖卸荷破坏深度存在明显影响，目前，传统竖井注浆帷幕设计主要依靠工程经验，忽略了开挖卸荷对注浆帷幕的损伤劣化效应，是千米深竖井潜在的水害隐患。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以实现高应力、强开挖卸荷扰动条件下的竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法。
4.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
5.高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，包括如下步骤：
6.(a)利用室内高应力三轴加卸载模拟系统和有限离散元数值方法进行高应力条件下竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷破坏范围模拟分析；
7.(b)利用压水试验系统进行深部高水压条件下注浆帷幕有效堵水帷幕厚度确定；
8.(c)利用步骤(a)和步骤(b)的试验成果，进行千米深竖井基岩含水层注浆堵水帷幕设计。
9.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，在步骤(a)中，采用竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型试验和数值模拟的方法，分析竖井注浆帷幕高应力开挖卸荷破坏范围；具体包括如下步骤：
10.(a-1)室内高应力条件下，利用室内高应力三轴加卸载模拟系统进行竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型进行试验：通过制取厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样(1)，采用室内高应力三轴加卸载模拟系统研究高应力开挖卸荷条件下，竖井注浆帷幕损伤劣化深度和范围；
11.(a-2)室内条件下数值模拟分析：用有限离散元模拟方法，建立室内试验工况下厚壁圆筒型竖井注浆帷幕数值模型，采用与实验室工况对应的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，厚壁圆筒形竖井注浆帷幕试样的损伤劣化深度和范围；根据室内试验结果校核有限离散元模拟分析方法和模型参数；
12.(a-3)实际地质条件下数值模拟分析：根据现场实际地质条件建立竖井注浆帷幕
数值模型，采用步骤(a-2)中得到的校核后的有限离散元模拟分析方法和模型参数，施加实际的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，竖井裂隙型注浆帷幕损伤劣化深度和范围。
13.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，在步骤(a-1)中，厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样为厚壁圆筒形，内径φ20mm，外径φ200mm，高270mm；
14.室内高应力三轴加卸载模拟系统：包括刚性加载腔侧壁、底座、轴压伺服系统、上压板、下压板，所述底座与所述刚性加载腔侧壁的下部连接；所述下压板安装在所述底座的上表面，所述轴压伺服系统安装在所述刚性加载腔侧壁的顶部；所述底座、所述刚性加载腔侧壁和所述轴压伺服系统围成的空间为高压加载腔；所述轴压伺服系统的动力输出端与所述上压板固定连接，且所述上压板位于所述下压板的正上方；所述上压板与所述下压板之间放置厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样；
15.外油压伺服系统通过穿过所述底座的外油压管与厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样的外壁和所述高压加载腔构成的空间导通；内油压伺服系统通过穿过所述底座和下压板、并自所述高压加载腔内穿过所述上压板侧壁、自所述上压板的下底壁中心处穿出的内油压管与所述厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样的内腔导通。
16.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，将所制备的厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样置于室内高应力三轴加卸载模拟系统的上压板和下压板之间的高压加载腔，在内室进行竖井基岩裂隙型注浆帷幕试样开挖卸荷试验；轴压伺服系统模拟竖直应力；外油压伺服系统模拟的外油压和内油压伺服系统模拟的内油压共同模拟水平应力；开挖卸荷通过卸除厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样的内油压伺服系统模拟的内油压实现，可模拟0～50mpa范围内竖井基岩裂隙型注浆帷幕试样的开挖卸荷效应。
17.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，在步骤(b)中，包括如下步骤：
18.(b-1)采用耐压模具制作管状十字交叉裂隙注浆体，并利用耐压法兰盘将管状十字交叉裂隙注浆体进行拼接成管状裂隙注浆体；
19.(b-2)高压水试验系统包括压水泵和水箱，水箱内水通过压水泵从管状裂隙注浆体的压水端的中心位置泵入进行高压力压水试验，在每节管状十字交叉裂隙注浆体上均设置有压力表；
20.(b-3)在压水时间内，管状裂隙注浆体的自由端未发生明显渗水，则从管状裂隙注浆体的压水段减少一节管状十字交叉裂隙注浆体，记录剩余管状十字交叉裂隙注浆体总长度，重新连接高压水试验系统的压水泵压水，直至管状裂隙注浆体的自由端开始明显渗水，则满足现场高地下水压力条件下，最小有效堵水帷幕厚度为发生明显渗漏的上一次管状十字交叉裂隙注浆体总长度。
21.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，压水压力为实际条件下竖井注浆帷幕面临的最大地下水压力，压水时间为72h-120h。
22.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，管状十字交叉裂隙注浆体为中心位置具有沿轴向贯穿的十字的圆柱形结构，管状十字交叉裂隙注浆体的外径为φ120mm，长度为0.1m-1.0m；
23.(b-1-1)利用钢管模具制备管状含裂隙试样，且模具两端为耐压法兰盘，通过水泥
砂浆浇筑，得到管状含裂隙试样；
24.(b-1-2)逐段连接管状含裂隙试样，并通过高压注浆充填管状含裂隙试样预制裂隙制得管状十字交叉裂隙注浆体，然后进行养护；注浆材料为黏土水泥浆，黏土水泥浆包括930ml的黏土原浆、20ml的结构添加剂和200g的水泥，其中黏土原浆比重为1.2。
25.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，在步骤(c)中，包括如下步骤：
26.(c-1)设计竖井井筒地面预注浆布孔圈径，在开挖荒径基础上，考虑高应力开挖卸荷破坏深度，得到有效堵水帷幕的内侧边界，布孔圈径在有效堵水帷幕内侧边界外1.0到2.0m，从而得到布孔圈径；
27.(c-2)设计竖井井筒地面预注浆孔间距，根据浆液有效扩散距离和有效堵水帷幕厚度，调整钻孔孔间距，使得有效堵水帷幕厚度得到保障，同时考虑分序施工原则，合理设置孔间距和钻孔数目；
28.(c-3)确定注浆帷幕内半径和外半径，并根据浆液扩散范围设计浆液注入量。
29.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，应用如下公式进行计算：
30.q＝av nβ/m
31.式中：q为浆液注入量(m3)；a为浆液超扩散消耗系数，取1.3～1.5；v为待注浆的围岩体积(m3)；m为浆液结石率，取0.5～0.85；β为浆液充填系数，取0.95；n为岩层平均裂隙率，根据地层情况确定。
32.上述高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，待注浆的围岩体积v近似为围绕井筒中心的圆筒，圆筒内径为布孔圈径减去浆液扩散距离，圆筒外径为布孔圈径加上浆液扩散距离，待注浆的围岩体积v为
33.v＝π(r
22-r
12
)h/4
34.r1为注浆帷幕内边界半径(m)，r1＝r－l；r2为注浆帷幕外边界半径(m)，r2＝r l；r为注浆孔布孔半径(m)；l为浆液扩散距离(m)，h为注浆总段高(m)。
35.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
36.本发明所提一种高应力条件下竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，采用物理模型试验和数值模拟试验研究竖井注浆帷幕损伤劣化范围，确定开挖卸荷破坏深度；通过室内1:1高压压水试验确定有效堵水帷幕厚度；最后，基于有效堵水帷幕厚度、帷幕开挖卸荷破坏深度、总注浆量最小的原则，进行深竖井注浆帷幕设计，明确地面预注浆布孔圈径、布孔孔间距，注浆量等核心参数。
附图说明
37.图1竖井注浆帷幕高应力开挖卸荷室内试验示意图；
38.图2注浆帷幕最小堵水厚度压水试验示意图；
39.图3压水试验裂隙注浆体，a为注浆前管状含裂隙试样，b为注浆后的管状裂隙注浆体；
40.图4西南地区某矿竖井地面预注浆堵水帷幕设计图；
41.图5在每节管状十字交叉裂隙注浆体上设置压力表图。
42.图中附图标记表示为：1-厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样；2-刚性加载腔侧壁；3-底座；4-下压板；5-上压板；6-轴压伺服系统；7-内油压管；8-内压出油管；9-外油压管；10-外油压；11-内油压；12-高压加载腔。
43.2-1-管状裂隙注浆体；2-2-耐压法兰盘；2-3-压水泵；2-4-水箱；2-5-压水端；2-6-自由端；2-7-压力表；2-8-管状含裂隙试样；2-9-十字裂隙。
具体实施方式
44.本实施实例西南地区高应力卸荷条件下某矿副井基岩含水层注浆堵水帷幕设计方法。
45.(a)利用室内高应力三轴加卸载模拟系统和有限离散元数值方法进行高应力条件下竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷破坏范围模拟分析；
46.采用竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型试验和数值模拟的方法，分析竖井注浆帷幕高应力开挖卸荷破坏范围；具体包括如下步骤：
47.(a-1)室内高应力条件下，如图1所示，利用室内高应力三轴加卸载模拟系统进行竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型进行试验：通过制取厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1，采用室内高应力三轴加卸载模拟系统研究高应力开挖卸荷条件下，竖井注浆帷幕损伤劣化深度和范围；
48.室内高应力三轴加卸载模拟系统：包括刚性加载腔侧壁2、底座3、轴压伺服系统6、上压板5、下压板4，所述底座3通过承力卡环与所述刚性加载腔侧壁2的下部连接；所述下压板4安装在所述底座3的上表面，所述轴压伺服系统6安装在所述刚性加载腔侧壁2的顶部；所述底座3、所述刚性加载腔侧壁2和所述轴压伺服系统6围成的空间为高压加载腔12；所述轴压伺服系统6的动力输出端与所述上压板5固定连接，且所述上压板5位于所述下压板4的正上方；所述上压板5与所述下压板4之间放置厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1；
49.外油压伺服系统通过穿过所述底座3的外油压管9与厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1的外壁和所述高压加载腔12构成的空间流体导通；内油压伺服系统通过穿过所述底座3和下压板4、并自所述高压加载腔12内穿过所述上压板5侧壁、自所述上压板5的下底壁中心处穿出的内油压管7与所述厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1的内腔流体导通。内油压伺服系统和外油压伺服系统为两套分别独立的系统。
50.如图1所示，将所制备的厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1置于室内高应力三轴加卸载模拟系统的上压板5和下压板4之间的高压加载腔12。厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1为厚壁圆筒形，内径φ20mm，外径φ200mm，高270mm。
51.在内室进行竖井基岩裂隙型注浆帷幕试样开挖卸荷试验；轴压伺服系统6模拟竖直应力；外油压伺服系统模拟的外油压和内油压伺服系统模拟的内油压共同模拟水平应力；开挖卸荷通过卸除厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1的内油压伺服系统模拟的内油压实现。
52.初始应力为工程实际最大应力，试样轴压(轴压伺服系统6模拟)、内腔油压(内油压伺服系统模拟)和外腔油压(外油压伺服系统模拟)均设置为30mpa，平衡后，卸除试样内腔压力，模拟开挖卸荷效应，获得高应力开挖卸荷条件下厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样1的破坏特征和损伤劣化范围。
53.(a-2)室内条件下数值模拟分析：用有限离散元模拟方法，建立室内试验工况下厚壁圆筒型竖井注浆帷幕数值模型，采用与实验室工况对应的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，厚壁圆筒形竖井注浆帷幕试样的损伤劣化深度和范围；根据室内试验结果校核有限离散元模拟分析方法和模型参数；
54.(a-3)实际地质条件下数值模拟分析：根据现场实际地质条件建立竖井注浆帷幕数值模型，采用步骤(a-2)中得到的校核后的有限离散元模拟分析方法和模型参数，施加实际的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，竖井裂隙型注浆帷幕损伤劣化深度和范围。
55.(b)利用高压水试验系统进行深部高水压条件下注浆帷幕有效堵水帷幕厚度确定；
56.采用高压压水试验确定有效堵水帷幕厚度。压水试验设备为高压管状压水试验系统，压水压力为实际条件下竖井注浆帷幕面临的最大地下水压力，8mpa。压水时间为72～120h，满足压水时间内，不发生明显渗流的管状十字交叉裂隙注浆体的长度为工程所需的最小有效堵水帷幕厚度。具体为如下步骤：
57.(b-1)采用耐压模具制作管状十字交叉裂隙注浆体，并利用耐压法兰盘2-2将管状十字交叉裂隙注浆体进行拼接成管状裂隙注浆体2-1；管状裂隙注浆体2-1的总长度超过15m。
58.管状十字交叉裂隙注浆体为中心位置具有沿轴向贯穿的十字型裂隙的圆柱形结构，管状十字交叉裂隙注浆体的外径为φ120mm，长度为0.1m-1.0m；
59.(b-1-1)利用钢管模具制备管状含裂隙试样，且模具两端为耐压法兰盘，通过水泥砂浆浇筑，得到管状含裂隙试样；
60.(b-1-2)逐段连接管状含裂隙试样，并通过高压注浆充填管状含裂隙试样预制裂隙制得管状十字交叉裂隙注浆体，然后进行养护；注浆材料为黏土水泥浆，如表1所示。
61.表1黏土水泥浆配方
62.黏土原浆比重黏土原浆体积水泥质量结构添加剂体积1.20930ml200g20ml
63.(b-2)如图2所示，高压水试验系统包括压水泵2-3和水箱2-4，水箱2-4内水通过压水泵2-3从管状裂隙注浆体2-1的压水端2-5的中心位置泵入进行压水；压水压力为实际工程最大水压力，8mpa，压水时间为72h。通过每节管状十字交叉裂隙注浆体上的压力表2-7检测水压(参见图5)；
64.(b-3)在压水时间内，管状裂隙注浆体2-1的自由端2-6未发生明显渗水，则从管状裂隙注浆体2-1的压水段2-5减少一节管状十字交叉裂隙注浆体，记录剩余管状十字交叉裂隙注浆体总长度，重新连接高压水试验系统的压水泵2-3压水，直至管状裂隙注浆体2-1的自由端2-6开始明显渗水，则满足现场高地下水压力条件下，最小有效堵水帷幕厚度为发生明显渗漏的上一次管状十字交叉裂隙注浆体总长度，为7.1m。
65.(c)利用步骤(a)和步骤(b)的试验成果，进行千米深竖井基岩含水层注浆堵水帷幕设计。
66.(c-1)设计竖井井筒地面预注浆布孔圈径，在井筒开挖荒径φ10.7m基础上，考虑高应力开挖卸荷破坏深度2.5m，得到有效堵水帷幕的内侧边界，φ15.7m(10.7 2.5
×
2＝
15.7m)，布孔半径在有效堵水帷幕内侧边界外1.5m，布孔圈径为φ18.7m(15.7 1.5
×
2＝18.7m)；
67.(c-2)设计竖井井筒地面预注浆孔间距，取浆液有效扩散距离为8.0m，有效堵水帷幕厚度为最小堵水帷幕厚度的1.2倍(7.1
×
1.5＝8.5m)，取8.5m。调整钻孔孔间距，使得有效堵水帷幕厚度得到保障，同时考虑分序施工原则，设计设置孔间距5.78m和钻孔数目为10个；
68.(c-3)确定注浆帷幕内半径和外半径，并根据浆液扩散范围设计注浆量。
69.浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，应用下列公式进行计算：
70.q＝av nβ/m
………………
(1)
71.式中：q—浆液注入量(m3)；a—浆液超扩散消耗系数，取1.3～1.5；v—待注浆的围岩体积(m3)；m—浆液结石率，取0.5～0.85；β—浆液充填系数，取0.95；n—岩层平均裂隙率，根据地层情况确定。
72.其中，待注浆的围岩体积可近似为围绕井筒中心的圆筒，圆筒内径为布孔圈径减去浆液扩散距离，圆筒外径为布孔圈径加上浆液扩散距离，这样待注浆的围岩体积为：
73.v＝π(r
22-r
12
)h/4
………………
(2)
74.r1—注浆帷幕内边界半径(m)，r1＝r－l；
75.r2—注浆帷幕外边界半径(m)，r2＝r l；
76.r－注浆孔布孔半径(m)；
77.l－浆液扩散距离，取8.0m；
78.h—注浆总段高(m)。
79.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。