CN107060834B - 巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺 - Google Patents

巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,致灾水源及含导水通道综合探查,确定注浆治理靶区空间位置;深部引流泄压:在导水通道上游富水区域施工钻孔,把涌向浅部破碎围岩的高压涌水提前引出,减少涌水对破碎围岩的影响;顶板浅部破碎围岩低压慢渗注浆加固:通过中空注浆锚杆,对顶板破碎区进行低压慢渗注浆,对破碎围岩内的空洞或裂隙进行充填,达到封堵涌水及提高围岩整体强度的目的;引流泄压钻孔封堵:浅部围岩注浆结束且围岩变形稳定后,最终封堵引流泄压钻孔;注浆效果综合检查:通过检查孔和地球物理手段对注浆区段进行注浆效果检验,圈定注浆薄弱区空间范围并补充注浆。

Description

巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺
技术领域
本发明属于矿井及地下工程灾害治理领域,尤其是一种煤矿巷道顶板富水破碎条件下的引流慢渗注浆控制工艺。
背景技术
随着浅部资源日益枯竭,我国煤炭开采逐步转向深部,煤炭开采深度和强度不断增大,致使水文地质条件日趋复杂,水压、地应力等不利因素愈加凸显。尤其再遇到断层破碎带等特殊地质时,造成深部开采的水害问题更加突出。涌水是造成巷道围岩破坏失稳的主要诱因,尤其是在软弱和松散破碎围岩内出现涌水时,危害性更大。
目前,浅层注浆加固是治理软弱破碎带突涌水的有效手段,通过注浆封闭围岩表层,提高围岩抗渗性能,改善岩石的宏观力学性质,有效提高破碎围岩整体性和承载能力。由于巷道开挖顶板直接揭露了富水破碎岩体,注浆堵水中常因顶板破碎难以直接作为止浆岩盘,且钻探和注浆压力的扰动易对其稳定性造成破坏,出现膨出甚至垮塌现象。此外,在高压涌水影响下的浅层破碎围岩内施工钻孔经常遇到孔壁坍塌引发的钻孔事故,且动水作用下注入的浆液瞬间被冲刷稀释携带流失。因此,在巷道顶板松软破碎围岩内封堵高压涌水是长期难以解决技术难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足,提供一种针对巷道顶板富水破碎围岩的引流慢渗注浆加固方法及控制工艺。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种巷道顶板富水破碎条件下的引流慢渗注浆控制工艺,包括以下步骤:
A.致灾水源及含导水通道综合探查:综合利用地质分析方法和地球物理探查手段判识致灾水源及含导水通道,确定注浆治理靶区空间位置;
B.深部引流泄压:在导水通道上游富水区域施工钻孔,把涌向浅部破碎围岩的高压涌水提前引出,减少涌水对破碎围岩的影响;
C.顶板浅部破碎围岩低压慢渗注浆加固:通过改进中空注浆锚杆,对顶板破碎区进行低压慢渗注浆,对破碎围岩内的空洞或裂隙进行充填,达到封堵涌水及提高围岩整体强度的目的;
D.引流泄压钻孔封堵:浅部围岩注浆结束且围岩变形稳定后,最终封堵引流泄压钻孔;
E.注浆效果综合检查:通过检查孔和地球物理探查手段对注浆区段进行注浆效果检验,圈定注浆薄弱区空间范围并补充注浆。
进一步的,所述步骤A中地球物理探查手段具体包括:
利用地质雷达与高密度电法相结合的物探方法对成灾区域进行探查,确定致灾通道空间范围及特征,为注浆治理靶区圈定和治理方案设计提供决策依据。
进一步的,所述步骤B中的深部引流泄压具体包括:
1)根据致灾水源及含导水通道探查结果,优化设计关键引流孔的数量及终孔位置,避免对本已破碎的浅层围岩造成进一步破坏;设计钻孔位置在岩性较好并有足够岩帽的位置;对钻孔设计合理的倾角,保证引流泄压效果的同时减少对中浅层围岩的破坏;
2)引流钻孔采用跟管钻进工艺,下入护壁管,长度大于浅部破碎围岩厚度,起到隔水隔压的作用;
3)引流管使用无缝钢管,止水塞为模袋;止水合格后,通过引流管把裂隙内的高压涌水引出。
进一步的,所述步骤C中中空注浆锚杆,包括:螺母、托盘、密封套和焊管;所述焊管前端的管壁周围均匀布设溢浆孔,后端管壁焊接三角丝呈螺旋丝杠结构,尾部焊接在无缝钢管上,无缝钢管的端部作为注浆口;在所述的无缝钢管上加工有与螺母配合的管螺纹;注浆锚杆通过螺母旋进,且在无缝钢管的外圈设有托盘和密封套,通过托盘压紧密封套进行止浆止水。
进一步的,所述步骤C中的注浆治理方案设计中注浆孔序列具体包括:
1)由于破碎围岩较厚,采用由浅入深逐层注浆加固的方式,注浆钻孔使用φ28的锚杆钻头进行施工,下入φ32的中空螺旋注浆锚杆,溢浆孔直径为4.5mm;注浆加固钻孔深度分别为1.5、2.5、3.5m等。
2)确定注浆孔序列,根据现场条件将每个深度钻孔又分3个序次施工,根据序次递增钻孔间距分别控制为1.5、1.0、0.5m,钻孔呈梅花形布置。后序钻孔作为前序次钻孔注浆效果的检查孔使用。
所述注浆材料采用单液水泥浓浆和C-S双液浆,材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1;水玻璃浓度在35~42Be之间,模数为2.3~3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1,注浆终止压力取2~3MPa。上述浆液配比及注浆参数是申请人经过长期工程实践及经验总结所得到的,保证了注浆效果。
进一步的,在注浆过程顶板围岩变形控制:顶板浅部围岩注浆加固及引流孔封堵过程中,对顶板围岩变形位移进行监控量测,并根据信息反馈实时调整注浆参数,确保围岩安全及注浆效果;
所述顶板围岩变形控制包括:在治理区域均匀布设监测断面,注浆过程中采用激光测距仪对每个断面巷道顶底板垂直位移进行监控量测,监控频率为2次/h,若浅部围岩单孔注浆或引流孔封堵过程中,顶底板垂直收敛超过1cm,则需要控制注浆压力,调整注浆参数,确保注浆安全。申请人经过长期工程实践及大量监测数据分析总结得到,低压慢渗注浆有利于保证浅部破碎围岩的注浆加固效果。
进一步的,所述步骤E薄弱区补充注浆包括:采用φ32中空注浆锚杆进行径向补注;钻孔深度为4.5m,间距为1m,排距为1.5m,呈梅花型布置,注浆采用42.5R普通水泥单液浆,注浆终压为2~3MPa。
本发明的有益效果是:
1、引流钻孔穿过浅部破碎围岩,揭露深部完整岩层内的涌水通道或富水区,将承压水引排,减小了涌水在钻孔外浅层围岩上的压力及水量,为浅部慢渗注浆期间浆液的留存及凝固提供了有利条件。
2、浅部围岩锚注,既可以起到初期的快速支护作用,让围岩的变形得到很好的控制,浆液溢出进入到锚孔中又可起到加固围岩的作用。
3、巷道顶板变形监测与引流慢渗注浆控制工艺是相辅相成的,在监测数据中分析围岩变形规律并动态指导施工,既能取得良好的堵水效果,又能保证顶板围岩的稳定性和安全性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1是引流慢渗注浆工艺原理图;
图2是引流钻孔结构示意图;
图3是中空注浆锚杆结构示意图;
图中,1.引流泄压钻孔;2.导水裂隙;3.富水区域;4.浅部破碎围岩;5.改进中空注浆锚杆;6.护壁管;7.裸孔段;8.引流管;9.注浆膜袋;10.注浆口;11.螺母;12.托盘;13.密封套;14.无缝钢管;15.焊管;16.三角丝;17.管箍;18.溢浆孔。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术部分所述的,目前,浅层注浆加固是治理软弱破碎带突涌水的有效手段,通过注浆封闭围岩表层,提高围岩抗渗性能,改善岩石的宏观力学性质,有效提高破碎围岩整体性和承载能力。由于巷道开挖顶板直接揭露了富水破碎岩体,注浆堵水中常因顶板破碎难以直接作为止浆岩盘,且钻探和注浆压力的扰动易对其稳定性造成破坏,出现膨出甚至垮塌现象。此外,在高压涌水影响下的浅层破碎围岩内施工钻孔经常遇到孔壁坍塌引发的钻孔事故,且动水作用下注入的浆液瞬间被冲刷稀释携带流失。因此,在巷道顶板松软破碎围岩内封堵高压涌水是长期难以解决技术难题。本发明提供一种针对巷道顶板富水破碎围岩的引流慢渗注浆加固方法及控制工艺。
本发明中的关键引流孔是指:根据探查结果,在某一位置处施作的引流孔相比其他位置起到引流的作用要大,即此钻孔能起到关键作用;一般,关键钻孔往往揭露主干裂隙。
本发明中钻孔设计合理的倾角,是指钻孔的轴线相对于垂直面设置一定的倾角。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
A.致灾水源及含导水通道综合探查
综合分析矿井、隧道及地下工程勘探时期及施工过程水文地质资料,从构造环境、地层岩性和地下水多方面对致灾水源进行综合分析;利用地质雷达等物探方法对成灾区域进行探查,确定致灾通道空间范围及特征,为注浆治理靶区圈定和治理方案设计提供决策依据。
B.深部引流泄压
1)根据致灾水源及含导水通道探查结果,进行关键引流孔数量、开孔位置、终孔位置及钻孔倾角的设计,避免对本已破碎的浅层围岩造成进一步破坏且保证引流泄压效果;
2)引流泄压钻孔1采用跟管钻进工艺,终孔位置揭露导水裂隙2上游富水区域3,下入φ108护壁管6,护壁管顶部过浅部破碎围岩段4,裸孔段7直径为φ75;
3)引流管8使用φ42无缝钢管,使用注浆模袋9作为止水塞。止水合格后,通过引流管把裂隙内的高压涌水引出;
C.顶板浅部破碎围岩低压慢渗注浆加固
1)由于顶板破碎围岩4较厚,采用由浅入深逐层注浆加固的方式,注浆加固钻孔使用φ28的锚杆钻头进行施工,钻孔深度分别为1.5、2.5、3.5m,下入φ32的中空螺旋注浆锚杆5。其中,改进中空注浆锚杆由注浆口10、螺母11、托盘12、密封套13、无缝钢管14、焊管15、三角丝16、管箍17和溢浆孔18组成。焊管端部管壁周围均匀布设φ4.5溢浆孔18,后端管壁焊接三角丝16呈螺旋丝杠结构,尾部焊接在无缝钢管14上,加工有管螺纹。焊管加长部分通过管箍17连接。注浆锚杆通过螺母11旋进,由托盘12压紧密封套13进行止浆止水。
2)根据现场条件将每个深度钻孔分3个序次施工,其中Ⅰ序孔间距为2m,Ⅱ序孔间距为1.5m,Ⅲ序孔间距为1m,各序次钻孔呈梅花形布置,施工过程中按照Ⅰ~Ⅲ的顺序依次对各序孔实施注浆。后序钻孔作为前序次钻孔注浆效果的检查孔使用。
3)浅部围岩注浆材料采用单液水泥浓浆和C-S双液浆,材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1;水玻璃浓度在35~42Be之间,模数为2.3~3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1,注浆终止压力取2~3MPa。
D.引流泄压钻孔封堵
巷道顶板浅部破碎围岩4注浆加固结束后,最后封堵引流泄压钻孔1。注浆材料及注浆参数参考步骤C。
E.注浆过程中顶板围岩变形控制
在集中涌水点及外延淋水段均匀布设监测断面,断面间距均匀且布置在能测到最大位移处。将矿用锚杆分别植入巷道顶底板中,以锚杆外露端头作为固定基点,用激光测距仪测量两基点间距,完成对每个断面巷道顶底板垂直位移的监控量测。监控频率为2次/h,若浅部围岩单孔注浆或引流泄压钻孔1封堵过程中,顶底板垂直收敛超过1cm,则需要控制注浆压力,调整注浆参数,确保注浆安全。
F.注浆效果综合检查
通过检查孔和地球物理探查手段对注浆区段进行注浆效果检验,圈定注浆薄弱区空间范围,确定薄弱带补充注浆方案:采用φ32中空注浆锚杆5进行径向补注,钻孔深度为4.5m,间距为1m,排距为1.5m,呈梅花型布置,注浆采用42.5R普通水泥单液浆,注浆终压为2~3MPa。
本发明的有益效果是:
1、引流钻孔穿过浅部破碎围岩,揭露深部完整岩层内的涌水通道或富水区,将承压水引排,减小了涌水在钻孔外浅层围岩上的压力及水量,为浅部慢渗注浆期间浆液的留存及凝固提供了有利条件。
2、浅部围岩锚注,既可以起到初期的快速支护作用,让围岩的变形得到很好的控制,浆液溢出进入到锚孔中又可起到加固围岩的作用。
3、巷道顶板变形监测与引流慢渗注浆控制工艺是相辅相成的,在监测数据中分析围岩变形规律并动态指导施工,既能取得良好的堵水效果,又能保证顶板围岩的稳定性和安全性。
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)

1.一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,包括以下步骤:
A.致灾水源及含导水通道综合探查,确定注浆治理靶区空间位置;
B.深部引流泄压:在导水通道上游富水区域施工钻孔,把涌向浅部破碎围岩的高压涌水提前引出,引流钻孔采用跟管钻进工艺,下入护壁管,长度大于浅部破碎围岩厚度,起到隔水隔压的作用;对钻孔设计合理的倾角,保证引流泄压效果的同时减少对中浅层围岩的破坏;
具体包括:
1)根据致灾水源及含导水通道探查结果,优化设计关键引流孔的数量及终孔位置,避免对本已破碎的浅层围岩造成进一步破坏;设计钻孔位置在岩性较好并有足够岩帽的位置;
2)引流管使用无缝钢管,止水塞为模袋;止水合格后,通过引流管把裂隙内的高压涌水引出;
C.顶板浅部破碎围岩低压慢渗注浆加固:通过中空注浆锚杆,对顶板破碎区进行低压慢渗注浆,对破碎围岩内的空洞或裂隙进行充填,达到封堵涌水及提高围岩整体强度的目的;
D.引流泄压钻孔封堵:浅部围岩注浆结束且围岩变形稳定后,最终封堵引流泄压钻孔;
E.注浆效果综合检查:通过检查孔和地球物理探查手段对注浆区段进行注浆效果检验,圈定注浆薄弱区空间范围并补充注浆。
2.如权利要求1所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,步骤1) 中采用的手段是:综合利用地质分析方法和地球物理探查手段判识致灾水源及含导水通道,确定注浆治理靶区空间位置;
所述的地球物理探查手段是指利用地质雷达与高密度电法相结合的物探方法对成灾区域进行探查,确定致灾通道空间范围及特征,为注浆治理靶区圈定和治理方案设计提供决策依据。
3.如权利要求1所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,
所述步骤C中中空注浆锚杆,包括:螺母、托盘、密封套和焊管;所述焊管前端的管壁周围均匀布设溢浆孔,后端管壁焊接三角丝呈螺旋丝杠结构,尾部焊接在无缝钢管上,无缝钢管的端部作为注浆口;在所述的无缝钢管上加工有与螺母配合的管螺纹;注浆锚杆通过螺母旋进,且在无缝钢管的外圈设有托盘和密封套,通过托盘压紧密封套进行止浆止水;
所述的焊管加长部分通过管箍连接。
4.如权利要求1所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,所述步骤C中的注浆治理方案设计中注浆孔序列具体包括:
1)由于破碎围岩较厚,采用由浅入深逐层注浆加固的方式,注浆钻孔使用锚杆钻头进行施工,下入所述中空注浆锚杆;
2)确定注浆孔序列,根据现场条件将每个深度钻孔又分3个序次施工,根据序次递增钻孔间距分别控制为1.5、1.0、0.5m,钻孔呈梅花形布置;后序钻孔作为前序次钻孔注浆效果的检查孔使用。
5.如权利要求1所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,在步骤C注浆过程中对顶板围岩变形进行控制:顶板浅部围岩注浆加固及引流孔封堵过程中,对顶板围岩变形位移进行监控量测,并根据信息反馈实时调整注浆参数,确保围岩安全及注浆效果。
6.如权利要求5所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,所述顶板围岩变形控制包括:在治理区域均匀布设监测断面,注浆过程中采用激光测距仪对每个断面巷道顶底板垂直位移进行监控量测,监控频率为2次/h,若浅部围岩单孔注浆或引流孔封堵过程中,顶底板垂直收敛超过1cm,则需要控制注浆压力,调整注浆参数,确保注浆安全。
7.如权利要求1所述的一种巷道顶板富水破碎条件下引流慢渗注浆控制工艺,其特征是,所述步骤E中薄弱区补充注浆包括:采用空注浆锚杆进行径向补注;钻孔深度为4.5m,间距为1m,排距为1.5m,呈梅花型布置,注浆采用42.5R普通水泥单液浆,注浆终压为2~3MPa。
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