CN104895595B - 一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，包括：完成地下硐室工程锚注支护的锚杆安装与注浆；通过地质观测手段初步确定浆液在围岩中的扩散范围；以注浆孔为原点，建立三维直角坐标系；在渗压监测网络中设计监测点的空间位置并确定各监测点的三维坐标；在设计好的监测点位置处，布设高精度红外渗压计；将红外渗压计监测到的数据传送至数据处理终端；数据处理终端根据所得数据绘制注浆液压力与浆液扩散范围空间分布图；本发明有益效果：与以往的研究浆液扩散的理论模型实验相比，本发明克服了理论实验中得出的确定注浆液扩散范围的方法不能完全适合复杂多变的地质条件的缺点。

Description

一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法

技术领域

本发明涉及注浆技术领域，尤其涉及一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法。

背景技术

近年来，锚杆支护技术在维护巷道稳定中的应用范围不断扩大，锚注支护是固结破碎岩体的主要方法，通过中空锚杆体的压力注浆，可达到固结破碎岩体，改良岩体，隔断地下水及杆体防腐,从而达到良好的支护目的。而确定注浆扩散半径是进行注浆设计及质量评价的重要环节，决定着注浆效果的优劣。尽管国内外学者推导出一些渗透注浆浆液扩散半径的计算方法，但这些方法往往是在假设注浆孔与被注岩层层面呈垂直状态下获得的，且往往需要一些工程上很难获得的参数，这样也就严重影响了公式的应用性。目前还没有系统的可以在实地施工中应用的确定注浆液扩散范围的方法，在实际的工程实践中工程技术专家一般只是凭借自己的工程实践经验进行设计和质量的评价，这样就带有很大的盲目性。

根据现有资料的记载，目前研究中存在的比较突出的问题是：

(1)很多注浆扩散理论对浆液流型的确定缺乏系统研究。从目前掌握的资料看，前人的研究多局限于某一局部范围，全局性的系统研究较少。

(2)目前关于浆液流型和流变参数时变性的研究中，存在着不少矛盾之处。有的理论将某一特定的实验结果用于所有情形，这显然是不合适的。有的研究人员没有充分考虑引用文献的试验条件和局题情况，将其直接引用在自己的研究中，这就直接导致了错误的结果。因次，需要对不同浆液的粘度等流变参数的时变性进行比较系统的研究，以对这些论断加以辨别澄清，并在此基础上建立新的注浆扩散规律。

(3)单纯的理论模拟研究计算确定注浆液扩散半径不精确。浆液在岩体裂隙中先是发生扩散流动的机械运动，然后又发生凝结硬化的物化作用。通常把以钻孔中心为原点的浆液填充范围叫扩散半径。由于浆液在裂隙中的扩散实际上是不规则的，所以从理论上精确的计算扩散半径是很困难的。虽然很多文献资料致力于建立一个能够预测裂隙注浆扩散范围的模型，并推导出扩散半径公式，但由于在建立模型和推导公式时需要尽可能地考虑各种地质条件，如裂隙开度、渗透性、裂隙粗糙度、是否有充填物、裂隙平直度、裂隙方位倾角、裂隙分布情况和连通性、裂隙地层地下水压力和流动、裂隙面是否张开等和各种工程因素如浆液粘度和切力、浆液中颗粒大小、注浆压力和流量、施工方法等，而这些条件又是如此复杂多变，所以想通过理论实验建立一个包含所有因素并适合所有情形的注浆扩散方程式不可能的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，该方法先通过地质雷达、钻孔电视等地质观测手段大致确定浆液扩散范围，以该范围确定以渗压计为基础布设的渗压监测网络监测单元点的位置参数，再通过渗压监测网络精确地确定锚注支护时注浆液的扩散范围及扩散规律，可以实现对注浆过程和注浆质量的有效控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，包括以下步骤：

步骤一：完成地下硐室工程锚注支护的锚杆安装与注浆；

步骤二：通过地质观测手段初步确定浆液在围岩中的扩散范围；

步骤三：根据步骤二的探测结果，确定渗压监测网络，以注浆孔为原点，建立三维直角坐标系；在渗压监测网络中设计监测点的空间位置并确定各监测点的三维坐标；

步骤四：在设计好的监测点位置处，布设高精度红外渗压计；

步骤五：将红外渗压计监测到的数据传送至数据处理终端；

步骤六：数据处理终端根据所得数据分别拟合出浆液扩散至监测点的压力与注浆压力以及监测点至注浆孔距离的函数关系式、浆液扩散至监测点的速度与注浆压力以及监测点至注浆孔距离的函数关系式、扩散半径与注浆压力的函数关系式；

步骤七：绘制注浆液压力与浆液扩散范围空间分布图，根据空间分布图得到锚注支护浆液扩散规律。

所述步骤一中，对锚杆进行注浆，待注浆完成后，对锚杆的注浆孔封口；

封口方法具体为：采用锚杆台车或风枪钻孔，将环形聚酯薄膜密封包裹的马丽散和环形聚酯薄膜密封包裹的水依次套在注浆锚杆杆体尾部，再将带圆形孔洞环形挡板和无孔洞环状挡板固定在马丽散和水两端，将注浆锚杆和排气管同时插入孔内，将包裹马丽散和水的环形聚酯薄膜穿破，用封闭器塞住带圆形孔洞环形挡板的缺口，马丽散遇水后在十几秒内发生反应，迅速膨胀，达到与围岩粘结封孔效果。

所述步骤二中，所述渗压监测网络包括地质观测初步测得的主要浆液扩散区、浆液扩散衰减区以及浆液扩散边界区。

所述的主要浆液扩散区内，浆液从注浆孔渗出，浆液扩散速度快，浆液扩散时的压力大，其内的监测点位置布置相对疏松；所述的浆液扩散衰减区内，浆液扩散速度明显减慢，浆液扩散时的压力减小，其内的监测点位置相对密集；其区域边界距原点的距离一般为浆液扩散最远距离的3/5-4/5；

所述的浆液扩散边界区内，在地质观测得到的浆液扩散最远距离之外的20cm范围内，加布一层监测点。

所述步骤三中，在渗压监测网络中设计监测点的空间位置时，在浆液扩散越接近扩散边界的位置，监测点在三维轴向方向的间隔距离越短。

所述步骤四的具体方法为：

(1)布设渗压计前先进行钻孔，所述钻孔钻至渗压计预定位置以下15-30厘米；

(2)洗净钻孔，然后钻孔的底部用干净的细沙回填到渗压计断头以下15-20厘米；

(3)将渗压计封袋装在砂袋里，用水浸透砂子，放置渗压计；环绕渗压计周围放进干净的砂子，砂子放到渗压计以上15-20厘米；

(4)安置好渗压计以后将孔密封，用膨润土和适量的沙回填交替层约25-30厘米，然后用普通的土回填。

所述步骤五中，利用红外测试监测仪器实时采集渗压计监测结果，当监测结果Δp小于设定值Δpi时，停止采集。

所述步骤六中，通过相应的计算机软件，利用数据统计原理，对大量的统计数据进行数学处理，并确定各个量之间的相关关系，建立一个相关性较好的回归方程，并加以外推；

分别拟合P_R＝F(P_O,K,n,t,h,d_n),V_R＝G(P_O,K,n,t,h,d_n)，R＝H(P_O,K,n,t,h)的函数关系式，

式中P_R—当浆液扩散至d_n时的压力

P_O—注浆孔内的注浆压力

R—扩散半径

K—岩层渗透系数

n—岩层空隙率

t—注浆持续时间

h—次注入围岩的厚度

V_R—当浆液扩散至d_n时的速度。

本发明的有益效果是：

本发明方法在工程实施的过程中易于安装，简便易行；可以定性测出注浆液扩散的大致范围为精确测量提供数据基础，从而准确地得出注浆液扩散距离与注浆压力的关联式。

本发明提供一种能够在实地测量浆液扩散半径的方法，与以往的研究浆液扩散的理论模型实验相比，本发明克服了理论实验中得出的确定注浆液扩散范围的方法不能完全适合复杂多变的地质条件的缺点。

附图说明

图1为本发明确定锚杆注浆时注浆液扩散范围的方法流程图；

图2为本发明注浆液扩散范围监测网络及其原理图。

其中，1、外联计算机，2、红外测试监测仪器，3、浆液扩散衰减区，4、浆液扩散边界区，5、高精度红外渗压计，6、主要浆液扩散区，7、注浆孔，8、注浆锚杆，9、拱架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围的方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：在地质条件相同的区域内间隔一定距离选取两地段完成地下硐室工程锚注支护的锚杆钻孔与安装。根据所用锚杆的长度，用钻头钻孔，孔深度一般要比安装孔内的锚杆长处50～100mm。

步骤二：对锚杆进行注浆，待注浆完成后，对锚杆的注浆孔7封口。

封口方法为：封孔时采用锚杆台车或风枪钻孔，将环形聚酯薄膜密封包裹的马丽散和环形聚酯薄膜密封包裹的水依次套在注浆锚杆8杆体尾部附近，再将带圆形孔洞环形挡板和无孔洞环状挡板固定在马丽散和水两端，将注浆锚杆8和排气管同时插入孔内，用一根细铁丝将包裹马丽散和水的环形聚酯薄膜穿破，用封闭器塞住带圆形孔洞环形挡板的缺口，马丽散遇水后在十几秒内发生反应，迅速膨胀，达到与围岩粘结封孔效果。

步骤三：待注浆液扩散完全，用地质雷达和钻孔电视等地质观测手段测量浆液大致扩散半径，根据监测结果确定浆液扩散主要区域。

所述的渗压监测网络包括地质雷达粗略测得的主要浆液扩散区6，地质雷达粗略测得的浆液扩散衰减区3，以及地质雷达粗略测得的浆液扩散边界区4。

主要浆液扩散区6内，浆液从注浆孔7渗出，浆液扩散速度快，浆液扩散时的压力大，其内的监测点位置布置相对疏松。

浆液扩散衰减区3内，浆液扩散经一段距离，浆液扩散速度明显减慢，浆液扩散时的压力大幅度减小，其内的监测点位置相对密集。其区域边界距原点的距离离一般为浆液扩散最远距离的2/3。

浆液扩散边界区4内，在地质观测得到浆液扩散最远距离外3-8cm加布一层监测点。

步骤四:根据步骤三的观测结果，以注浆孔7为原点O建立三维直角坐标系。设计渗压监测网络中监测点的空间位置，根据步骤三中浆液扩散的大致半径和步骤四中建立的空间三维坐标系，定出监测点在坐标三个轴向方向的间隔距离，分别为a、b、c，根据步骤二得到的浆液扩散范围，在浆液扩散量较少、浆液扩散接近边界的浆液扩散衰减区3内，减小监测点的空间间隔距离以ka、kb、kc为监测点三个轴向方向的间隔距离。监测点的三维坐标分别为(a1,b1,c1)、(a2,b2,c2)、(a3,b3,c3)…(an,bn,cn)。控制点距钻孔中心的距离分别为d1、d2、d3…dn。最后在浆液扩散边界区4内，在地质观测得到的浆液扩散最远距离之外的20cm范围内，加布一层监测点。

所述的当浆液扩散接近边界时，减小监测点的空间间隔距离以ka、kb、kc为监测点三个轴向方向的间隔距离，其中的k值应小于1，具体大小应根据地质雷达观测结果而定，确保布设的渗压监测网络能准确确定浆液扩散半径。

步骤五：根据步骤四的结果，在设计好的监测点位置处布置高精度红外渗压计5。

具体方法为：安置高精度红外渗压计5前先进性钻孔，孔应该钻至高精度红外渗压计5预定位置以下15-30厘米，并应洗净钻孔，然后钻孔的地步用干净的细沙回填带高精度红外渗压计5断头以下15厘米，即可放入高精度红外渗压计5，将高精度红外渗压计5封袋装在一个砂袋里，保持干净。用水浸透砂子，然后可以放到位，仪器在这个位置时，应环绕高精度红外渗压计5周围放进干净的砂子，砂子可以放到高精度红外渗压计5以上15厘米。安置好高精度红外渗压计5以后还要将孔密封，可以用膨润土和适量的沙回填交替层约25厘米，然后用普通的土回填。

步骤六：利用红外测试监测仪器2实时采集高精度红外渗压计5监测结果，利用外联计算机1处理系统中的渗压变化识别程序，自动判别监测结果Δp，当小于固定值Δpi时，停止采集。

步骤七：由渗压监测网络中高精度红外渗压计5的监测结果，自动传输到计算机处理系统，

拟合PR＝F(PO,K,n,t,h,dn),VR＝G(PO,K,n,t,h,dn)，R＝H(PO,K,n,t,h)的函数关系式，

式中PR—当浆液扩散至dn时的压力

PO—注浆孔7内的注浆压力

R—扩散半径

K—岩层渗透系数

n—岩层空隙率

t—注浆持续时间

h—次注入围岩的厚度

VR—当浆液扩散至dn时的速度。

所述的拟合函数关联式的方法具体为：通过相应的计算机软件，利用数据统计原理，对大量的统计数据进行数学处理，并确定各个量之间的相关关系，建立一个相关性较好的回归方程，通过matlab、excel等软件拟合函数关联式，并加以外推。

步骤八：绘制当浆液扩散至dn处的压力与扩散距离dn的空间分布图，分析得出注浆液扩散范围及规律。同时与地质雷达探测结果进行对比分析，校对地质雷达的探测结果。

此方法同样可以应用到其他类似条件下的锚注支护综合探测方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：完成地下硐室工程锚注支护的锚杆安装与注浆；

步骤二：通过地质观测手段初步确定浆液在围岩中的扩散范围；

步骤三：根据步骤二的探测结果，确定渗压监测网络，以注浆孔为原点，建立三维直角坐标系；在渗压监测网络中设计监测点的空间位置并确定各监测点的三维坐标；

步骤四：在设计好的监测点位置处，布设高精度红外渗压计；

步骤五：将红外渗压计监测到的数据传送至数据处理终端；

步骤六：数据处理终端根据所得数据分别拟合出浆液扩散至监测点的压力与注浆压力以及监测点至注浆孔原点的距离的函数关系式、浆液扩散至监测点的速度与注浆压力以及监测点至注浆孔原点的距离的函数关系式、扩散半径与注浆压力的函数关系式；

步骤七：绘制注浆压力与浆液扩散范围空间分布图，根据空间分布图得到锚注支护浆液扩散规律。

2.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤一中，对锚杆进行注浆，待注浆完成后，对锚杆的注浆孔封口；

封口方法具体为：采用锚杆台车或风枪钻孔，将环形聚酯薄膜密封包裹的马丽散和环形聚酯薄膜密封包裹的水依次套在锚杆杆体尾部，再将带圆形孔洞环形挡板固定在马丽散一端，将无孔洞环状挡板固定在水的一端，将锚杆和排气管同时插入钻孔内，用一根细铁丝将包裹马丽散和水的环形聚酯薄膜穿破，用封闭器塞住带圆形孔洞环形挡板的缺口，马丽散遇水后在十几秒内发生反应，迅速膨胀，达到与围岩粘结封孔效果。

3.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤三中，所述渗压监测网络包括地质观测初步测得的主要浆液扩散区、浆液扩散衰减区以及浆液扩散边界区；

所述的主要浆液扩散区内，浆液从注浆孔渗出，浆液扩散速度快，浆液扩散时的压力大，其内的监测点位置布置相对疏松；

所述的浆液扩散衰减区内，浆液扩散速度明显减慢，浆液扩散时的压力减小，其内的监测点位置相对密集；其区域边界距原点的距离为浆液扩散最远距离的3/5-4/5；

所述的浆液扩散边界区内，在地质观测得到的浆液扩散最远距离之外的20cm范围内，加布一层监测点。

4.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤三中，在渗压监测网络中设计监测点的空间位置时，在浆液扩散越接近扩散边界的位置，监测点在三维轴向方向的间隔距离越短。

5.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤四的具体方法为：

(1)布设渗压计前先进行钻孔，所述钻孔钻至渗压计预定位置以下15-30厘米；

(2)洗净钻孔，然后钻孔的底部用干净的细沙回填到渗压计端头以下15-20厘米；

(3)将渗压计封袋装在砂袋里，用水浸透砂子，放置渗压计；环绕渗压计周围放进干净的砂子，砂子放到渗压计以上15-20厘米；

(4)安置好渗压计以后将钻孔密封，用膨润土和适量的沙交替回填25-30厘米，然后用砂土回填。

6.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤五中，利用红外测试监测仪器实时采集渗压计监测结果，当监测结果Δp小于设定值Δpi时，停止采集。

7.如权利要求1所述的一种确定锚杆注浆时注浆液扩散范围及规律的方法，其特征是，所述步骤六中，通过相应的计算机软件，利用数据统计原理，对大量的统计数据进行数学处理，并确定各个量之间的相关关系，建立一个相关性较好的回归方程，并加以外推；

分别拟合P_R＝F(P_O,K,n,t,h,dn),V_R＝G(P_O,K,n,t,h,dn)，R＝H(P_O,K,n,t,h)的函数关系式，

式中P_R—当浆液扩散至d_n时的压力

P_O—注浆孔内的注浆压力

R—扩散半径

K—岩层渗透系数

n—岩层空隙率

t—注浆持续时间

h—一次注入围岩的厚度

V_R—当浆液扩散至d_n时的速度

d_n—监测点到注浆孔原点的距离。