CN104533430B - 解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明及一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置及其施工方法。本发明的目的是提供一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置及其施工方法，通过高压注水降低断裂带中围岩应力和能量的集中程度，有效解除岩爆风险。本发明的技术方案是：在掘进隧洞的前方具有深埋地下围岩的断裂带，从掘进隧洞至断裂带钻设2～3个与断裂带呈大角度相交的注水钻孔，且所述注水钻孔穿过断裂1～2m；注水钻孔内放置高压注水钢管并保证孔口段的注水钢管长度为2m，高压注水钢管的孔口端连接进水管接口；在注水钻孔的孔口部位设置密封橡胶圈，并在除断裂带附近以外的注水钻孔与高压注水钢管之间用水泥浆封堵。本发明适用于深埋硬岩地下工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置及其施工方法，适用于深埋硬岩地下工程领域。
背景技术
岩爆是深埋地下工程中围岩的一种突然剧烈的破坏形式，是岩石中积累的势能或应变能的突然释放导致的。深埋地下工程中的岩爆往往出现在一些特定地质背景条件下，除了埋深和岩体完整性的基本条件相关以外，岩爆破坏往往与地质构造和断裂相关。根据目前国际上的普遍共识，岩爆一般可以分为3种类型，即应变型岩爆、断裂型岩爆和岩柱型岩爆，其中对工程影响最突出的是断裂型岩爆。
断裂型岩爆最早在上世纪80年代初期被发现和认识，其中的滑移型机理被认为是断裂构造受到高应力作用以后发生滑移错动、导致能量释放冲击围岩，当形成围岩破坏时，称为断裂滑移型岩爆，其中的能量释放被称为微震事件。这是国际上普遍报道的一种岩爆类型，破坏力极大，主要是与刚性断裂相关，与很多构造地震发震原理相似地，这种刚性断裂的某些部位(如起伏体等咬合部)等具备积累高应力的条件，当咬合部破坏时，断裂发生滑移并释放能量，所导致的岩爆即为断裂滑移型岩爆。
根据上述岩爆的发生机理，对于岩爆风险的控制方法主要是降低应力或能量集中程度，比如应力解除爆破、应力释放孔、表面喷水等，但由于断裂滑移型岩爆的预测难度高，技术难度较大，风险控制难度极高，国际上专门针对断裂滑移型岩爆风险的解除工程实例极少，迫切需要相关的技术作为支撑。而在煤矿实践中采用的高压注水措施，其条件是煤层具有吸水性，能够以软化方式改变煤层特性，但与硬岩条件下的高压注水有着不同的作用机理和使用条件；且目前国际上专门针对断裂型岩爆的应力解除工程实例极少，还没有采用高压注水措施的工程应用实例。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在问题，提供一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置及其施工方法，通过高压注水降低断裂带中围岩应力和能量的集中程度，有效解除岩爆风险。
本发明所采用的技术方案是：一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，在掘进隧洞的前方具有深埋地下围岩的断裂带，其特征在于：从掘进隧洞至断裂带钻设2～3个与断裂带呈大角度相交的注水钻孔，且所述注水钻孔穿过断裂1～2m；注水钻孔内放置高压注水钢管并保证孔口段的注水钢管长度为2m，高压注水钢管的孔口端连接进水管接口；在注水钻孔的孔口部位设置密封橡胶圈，并在除断裂带附近以外的注水钻孔与高压注水钢管之间用水泥浆封堵。
所述高压注水钢管远离孔口端平接有套管。
所述注水钻孔的孔口部位设有定位环，定位环位于高压注水钢管与密封橡胶圈之间。
所述注水钻孔直径60mm，高压注水钢管直径和套管直径均为46mm，进水管接口直径30mm。
所述大角度为60～120度。
本发明采用高压注水装置解除岩爆风险的方法，步骤如下：
1、掘进隧洞斜向上钻孔并穿过断裂带1～2m，钻孔数量2～3个，钻孔长度不超过20m；
2、注水钻孔直径60mm，高压注水钢管直径46mm，进水管接口直径30mm；
3、高压注水钢管孔口部位长度为2～2.5m，如果无法保证穿过断裂带1～2m，则继续增加套管，套管直径仍然要求为46mm；
4、在孔口部位增加密封橡胶圈，除在断裂带附近以外，注水钻孔的其它部位全部采用水泥浆将注水钢管和围岩进行封堵；
5、在孔口部位增加定位环；
6、通过进水管接口注入高压水，促使断裂发生错动，释放积累的高能量，高压水压力为20MPa，选择的压力泵具备25MPa压力下保持120L/min的注水能力。
本发明的有益效果是：本发明提供的解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，通过高压注水促使断裂发生错动以释放积累的高能量，降低了岩爆风险，确保施工安全。此外，本发明在掘进隧洞前方布置的高压注水设备相对简单实用，与其它岩爆风险主动控制措施相比，极大地减少了人力物力成本，且简单有效。
附图说明
图1是本发明的高压注水孔的位置布置图；
图2是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例是一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，包括围岩1、掘进隧洞2、注水钻孔3、高压注水钢管4、进水管接口5、套管6、密封橡胶圈7、水泥浆8和定位环9。
本实施例在深埋地下围岩1中有一条水平方向的掘进隧洞2，在隧洞的掘进前方有一条与水平方向呈40～45度夹角的斜向断裂带1－1，为了降低断裂型岩爆的风险，本例从掘进隧洞2至围岩1的断裂带1－1钻设2个直径60mm、基本与断裂带垂直相交的注水钻孔3，注水钻孔的总长度不宜超过20m且穿过断裂带1～2m；将高压注水钢管4放置在注水钻孔3内，直径为46mm，一般孔口段的高压注水钢管长度为2m，该高压注水钢管的孔口端与直径为30mm的进水管接口5连接，如果高压注水钢管4无法穿过断裂带1～2m的话，则需在该注水钢管远离孔口端平接直径同样是46mm的套管6；为防止注水时水体渗漏，在注水钻孔3的孔口部位设置密封橡胶圈7，并在除断裂带附近以外的注水钻孔3与高压注水钢管4之间用水泥浆8封堵；在注水钻孔3孔口部位的高压注水钢管4与密封橡胶圈7之间设置定位环9，以保证钻孔能够准确穿过断裂带1—1。
下面是采用本高压注水装置解除岩爆风险的方法，步骤如下：
1、掘进隧洞2斜向上钻孔并穿过断裂带1～2m，钻孔数量2～3个为宜，钻孔长度不宜超过20m，本实施例中采用2个钻孔；
2、注水钻孔3直径60mm，高压注水钢管4直径46mm，进水管接口5直径30mm；
3、高压注水钢管4孔口部位一般长度为2m，如果无法保证穿过断裂带1～2m，则继续增加套管6，套管直径仍然要求为46mm；
4、在孔口部位增加密封橡胶圈7，除在断裂带附近以外，注水钻孔3的其它部位全部采用水泥浆8将注水钢管和围岩进行封堵，以保证密封性，防止注水过程中的渗漏；
5、在孔口部位增加定位环9，以保证钻孔能够准确穿过断裂带1－1；
6、通过进水管接口5注入高压水，促使断裂发生错动，释放积累的高能量，本实施例中满足要求的水压力为20MPa，可将断裂张开0.12mm，选择的压力泵具备25MPa压力下保持120L/min的注水能力。
Claims (6)
1.一种解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，在掘进隧洞(2)的前方具有深埋地下围岩(1)的断裂带(1－1)，其特征在于：从掘进隧洞(2)至断裂带(1－1)钻设2～3个与断裂带呈大角度相交的注水钻孔(3)，且所述注水钻孔穿过断裂带(1－1)1～2m；注水钻孔(3)内放置高压注水钢管(4)并保证孔口段的注水钢管长度为2m，高压注水钢管(4)的孔口端连接进水管接口(5)；在注水钻孔(3)的孔口部位设置密封橡胶圈(7)，并在除断裂带附近以外的注水钻孔(3)与高压注水钢管(4)之间用水泥浆(8)封堵。
2.根据权利要求1所述的解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，其特征在于：所述高压注水钢管(4)远离孔口端平接有套管(6)。
3.根据权利要求1或2所述的解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，其特征在于：所述注水钻孔(3)的孔口部位设有定位环(9)，定位环位于高压注水钢管(4)与密封橡胶圈(7)之间。
4.根据权利要求1或2所述的解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，其特征在于：所述注水钻孔(3)直径60mm，高压注水钢管(4)直径和套管(6)直径均为46mm，进水管接口(5)直径30mm。
5.根据权利要求1所述的解除断裂滑移型岩爆风险的高压注水装置，其特征在于：所述大角度为60～120度。
6.一种采用权利要求3所述的高压注水装置解除岩爆风险的方法，步骤如下：
6.1掘进隧洞(2)斜向上钻孔并穿过断裂带(1－1)1～2m，钻孔数量2～3个，钻孔长度不超过20m；
6.2注水钻孔(3)直径60mm，高压注水钢管(4)直径46mm，进水管接口(5)直径30mm；
6.3高压注水钢管(4)孔口部位长度为2～2.5m，如果无法保证穿过断裂带1～2m，则继续增加套管(6)，套管直径仍然要求为46mm；
6.4在孔口部位增加密封橡胶圈(7)，除在断裂带附近以外，注水钻孔(3)的其它部位全部采用水泥浆(8)将注水钢管和围岩进行封堵；
6.5在孔口部位增加定位环(9)；
6.6通过进水管接口(5)注入高压水，促使断裂发生错动，释放积累的高能量，高压水压力为20MPa，选择的压力泵具备25MPa压力下保持120L/min的注水能力。
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