CN106089174A - 水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法 - Google Patents

Abstract

一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法，利用地下岩体工程正常生产中，为了解前方的地质情况在前方钻的探水的钻孔，在钻孔之前严格遵循探水的相关规程。钻孔的布置方式采用扇形布置方式，另一个位于中间位置。采用开槽钻在所有钻孔中开若干个楔形槽，之后再进行高压注水，利用水压在楔形槽的应力集中作用，使得破坏围岩其完整性。利用膨胀剂凝固体积增大的特性，在水压致裂以后注入凝固剂，使得钻孔中裂隙发育更加完善。根据岩石的化学成份配置配制相关的化学溶液，并将其注入钻孔中。化学溶液与围岩的化学反应可以降低岩石的力学强度。在实际应用中既利用了探水需要的钻孔，并将化学物理方法相结合，可以达到快速推进掘进面的目的。

Description

水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法

技术领域

本发明涉及一种快速掘进巷道的方法，特别是一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法水的技术方案。

背景技术

无论在煤矿开采过程中还是在隧道开挖中，岩体或煤岩体中巷道的掘进伴随其始终。在我国大部分矿区，岩巷中的掘进一般采用钻爆法；半岩巷和煤巷中一般采用掘进机掘进。近几年光面爆破技术的推广和大功率掘进机的使用使得巷道掘进的速度加快了很多，但是在岩巷和半岩巷的掘进过程中，岩石的强度大、整体性强仍是制约掘进速度的一个主要因素。除此之外，常见的钻爆法在实际生产过程中程序是相当繁琐的，加之巷道掘进提前探放水，探放瓦斯的环节，需要更多的人力、物力和时间，使得巷道的掘进的速度仍然不容乐观。

发明内容

本发明的目的是解决当前技术条件下，存在巷道掘进速度慢、耗费太多人力和物力的问题，基于这些问题提出了掘进速度快、效率高和安全有效的一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法。

本发明通过以下技术方案实现的。

一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）利用探水钻在与工作面相距20-30m的掘进面上钻四个钻孔，钻孔的设置方式为三个孔呈扇形形式布置，另一个孔位于中间位置，钻孔的深度为100-500m；

（2）利用开槽钻在边缘钻孔中每隔4-7m开一个楔形槽， 从孔底依次开槽分别为第一个，第二个，……，直至到孔口；

（3）将注水封孔器与高压管路相连接，高压管路的另一端与高压水泵相连，然后将注水封孔器置于每个楔形槽的的底部，最后打开高压注水泵通过封孔器进行注水致裂，注水压力≤50Mpa，注水时间≤200s，注水时对压力仪进行实时监控；

（4）水压致裂完毕后，向三个边缘钻孔中注入膨胀剂，膨胀剂的凝固时间在20min-120min之间，凝固后，向中间孔注入化学溶液；

（5）对巷道围岩进行取样，按照实验规程，测定其单轴抗压强度、孔隙率和透水性的各参数，采用X射线衍射仪进行测定围岩的主要矿物成分，根据围岩的主要化学成分，选择相应的化学溶液，测定在相同的时间内，不同浓度的溶液对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，测定在相同浓度的条件下，不同的时间段对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，经过拟合确定溶液的合适浓度；

（6）根据围岩的孔隙率、吸水性和渗透性等相关参数和膨胀剂致裂的效果确定向孔内注入的液体量和注液时间；

（7）根据试验结果，围岩主要化学成分是SiO₂，用化学试剂为NaOH溶液，经骤五的拟合结果确定化学液体浓度的范围为0.3%-0.5%，浸泡时间为7天-10天；进一步确定围岩的单轴抗压强度与化学溶液反应时间的规律为：

δ= -aln(t)+ δ₀+Δ

式中，δ为岩体与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，δ₀ 为岩体的天然单轴抗压强度，Δ为修正系数。

本发明上述所提供的一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法，与现有技术相比，在巷道断面钻四个钻孔，其中三个为边缘钻孔，另一个布置在其中央，然后在边缘钻孔中开楔形槽，并进行高压封堵注水，开楔形槽的目的是应力在楔形槽中集中，增大应力对岩石的破坏作用，使岩石的裂隙发育更快，水压致裂之后，再将化学膨胀剂注入外边缘的三个孔中，膨胀剂凝固以后体积会膨胀，加剧了对围岩的作用，使得裂隙在水压致裂的基础上进一步的发展，之后向中间的那个孔注入化学溶液，利用化学溶液与岩石的作用能够降低岩石的力学强度，由于裂隙的发育程度高，使得化学溶液与裂隙接触充分，反应更彻底，该方法可以明显加快掘巷的速度，而且有效利用了原来超前探水的探孔，除此之外，围岩的强度降低，有效地降低了掘巷过程中产生的粉尘，人员和设备得到了安全的保障，确保巷道的安全高效掘进，具有很大的推广和应用价值。

附图说明

图1是本方法的设置平面结构示意图。

图2是本方法的设置平面结构右视图。

图中：1、掘进面；2、钻孔；3、注液孔。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法，该方法是按下列步骤进行的。

步骤一、利用探水钻在与工作面相距20-30m的掘进面上钻四个钻孔，钻孔的布置方式为其中三个孔呈现扇形形式布置，另一个孔位于其中间的位置，钻孔的深度为100-500m左右，钻孔的主要目的有两个，其一为超前探水，其二为以下步骤中所述。

步骤二、利用开槽钻在边缘钻孔中每隔4-7m开一个楔形槽，从孔底依次开槽分别为第一个，第二个，……，直至到孔口，开槽钻现在在该领域内使用相当广泛，其结构和性能相关技术人员熟知。

步骤三、将注水封孔器与高压管路相连接，高压管路的另一端与高压水泵相连，然后将注水封孔器置于每个楔形槽的的底部，最后打开高压注水泵通过封孔器进行注水致裂，每个阶段的压力值不能超过50Mpa，注水时间不能超过200 s，在注水工程中，要对压力仪进行实时监控。

步骤四、水压致裂完毕后，向三个边缘钻孔中注入膨胀剂。膨胀剂的凝固时间一般在20min-120min之间，然后等凝固完毕后，向中间的孔注入化学溶液。

步骤五、对巷道围岩进行取样，按照实验规程，测定其单轴抗压强度、孔隙率和透水性的各参数，采用X射线衍射仪进行测定围岩的主要矿物成分，根据围岩的主要化学成分，选择相应的化学溶液。测定在相同的时间内，不同浓度的溶液对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，测定在相同浓度的条件下，不同的时间段对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，经过拟合确定溶液的合适浓度。

步骤六、根据围岩的孔隙率、吸水性和渗透性等相关参数和膨胀剂致裂的效果确定向孔内注入的液体量和注液时间。

步骤七、根据许多试验结果表明，大多数的围岩的主要化学成分是SiO₂，大约占总量的50%以上，可以确定其化学试剂为NaOH溶液，经过步骤五的拟合结果最终可以确定化学液体浓度的大致范围为0.3%-0.5%的溶液，浸泡时间在7天-10天左右，进一步可以确定围岩的单轴抗压强度与化学溶液反应时间的规律为：

δ= -aln(t)+ δ₀+Δ

上式中，δ为岩体与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，δ₀ 为岩体的天然单轴抗压强度，Δ为修正系数。

为了使本发明的目的、优点更加清晰，以下结合附图以及实例对本发明进行详细说明，针对大同某煤矿的开掘面进行试验实施，大同某矿的埋深400m左右，围岩的普氏系数为7.4，实施方法如下：

步骤一、正常的生产过程中，需要在超前采掘面探放水，利用探水钻在掘进面上钻五个钻孔；外缘四个钻孔布置方式呈现扇形形式布置，另一个布置于其中间的位置，钻孔的深度为45m。

步骤二、利用开槽钻在所有钻孔中每隔6m开一个楔形槽，从孔底依次开槽分别为第一个，第二个，……，直至到孔口，开槽完毕后，将注水封孔器与高压管路相连接，高压管路的另一端与高压水泵相连，然后将注水封孔器置于每个楔形槽的的底部，最后打开高压注水泵通过封孔器进行注水致裂，每个阶段的压力峰值为50Mpa，注水时间为120 s，在注水工程中，要对压力仪进行实时监控。

步骤三、水压致裂完毕后，向外边缘四个孔中注入膨胀剂，膨胀剂的凝固时间为60min之间，然后等凝固完毕后，向中间的孔注入化学溶液。

步骤四、对采掘面的围岩进行取样，按照实验规程，测定其单轴抗压强度为52.48MPa、孔隙率为2.69%、吸水性2.58%，采用X射线衍射仪进行测定围岩的主要矿物成分为SiO₂，含量占65%，根据围岩的主要化学成分，选择相应的化学溶液NaOH溶液，经过许多试验可以确定溶液的合适浓度为0.5%，注入的液体量为围岩体积的1/3，注液时间2h，浸泡时间在7天-10天左右。

进一步可以确定围岩的单轴抗压强度与化学溶液反应时间的规律为：

δ= -aln(t)+ δ₀+Δ

上式中，δ为围岩与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，δ₀ 为围岩的天然单轴抗压强度在，此取52.48MPa，Δ为修正系数。

Claims (1)

1.一种水压致裂化学膨胀剂充填快速掘进巷道的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）利用探水钻在与工作面相距20-30m的掘进面上钻四个钻孔，钻孔的设置方式为三个孔呈扇形形式布置，另一个孔位于中间位置，钻孔的深度为100-500m；

（2）利用开槽钻在边缘钻孔中每隔4-7m开一个楔形槽， 从孔底依次开槽分别为第一个，第二个，……，直至到孔口；

（3）将注水封孔器与高压管路相连接，高压管路的另一端与高压水泵相连，然后将注水封孔器置于每个楔形槽的的底部，最后打开高压注水泵通过封孔器进行注水致裂，注水压力≤50Mpa，注水时间≤200s，注水时对压力仪进行实时监控；

（4）水压致裂完毕后，向三个边缘钻孔中注入膨胀剂，膨胀剂的凝固时间在20min-120min之间，凝固后，向中间孔注入化学溶液；

（5）对巷道围岩进行取样，按照实验规程，测定其单轴抗压强度、孔隙率和透水性的各参数，采用X射线衍射仪进行测定围岩的主要矿物成分，根据围岩的主要化学成分，选择相应的化学溶液，测定在相同的时间内，不同浓度的溶液对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，测定在相同浓度的条件下，不同的时间段对围岩单轴抗压强度和三轴抗压强度的影响规律，经过拟合确定溶液的合适浓度；

（6）根据围岩的孔隙率、吸水性和渗透性等相关参数和膨胀剂致裂的效果确定向孔内注入的液体量和注液时间；

（7）根据试验结果，围岩主要化学成分是SiO₂，用化学试剂为NaOH溶液，经骤五的拟合结果确定化学液体浓度的范围为0.3%-0.5%，浸泡时间为7天-10天；进一步确定围岩的单轴抗压强度与化学溶液反应时间的规律为：

δ= -aln(t)+ δ₀+Δ

式中，δ为岩体与化学溶液作用后的单轴抗压强度，a为拟合系数，t为化学溶液的作用时间，δ₀ 为岩体的天然单轴抗压强度，Δ为修正系数。