CN110671075A - 一种离层注浆的冒浆防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及注浆工程技术领域，提供一种离层注浆的冒浆防治方法，包括：S11，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2；S12，获取水力导通点的水力连通时间，计算得到浆液流动的平均流速；S13，计算水力导通点的位置坐标；S14，对水力导通点进行封堵；本发明在解决注入离层带和未注入离层带的冒浆问题时，通过将冒浆的位置概化为一个点，并将浆液扩散路径概化为柱状通道，通过计算可获得跑浆点的坐标位置，从而确定注浆位置，增加了注浆的准确性，减少浆液的浪费和冒浆带来的损失，确保了对冒浆防治的效果。
Description
技术领域
本发明涉及注浆工程技术领域，尤其涉及一种离层注浆的冒浆防治方法。
背景技术
离层通常指不同岩层之间由于不同步下沉而产生的层与层之间的相互分离。在煤炭开采领域，离层主要发生在煤层上覆岩层之间。为了减少采动对地表的影响，通常通过钻孔向煤层上覆岩层之间的离层裂隙中进行注浆处理。
然而，在实际进行离层注浆施工时，由于受到注浆压力及不同地质条件的影响，往往会发生向地表冒浆的现象，如果不对冒浆进行及时有效的处理，则会严重影响到离层带注浆充填的施工效果。
当前，对离层带冒浆防治的研究包括注浆充填法、示踪法、数值模拟法。但是，由于对地下水运动影响下浆液的位置分布情况缺乏系统全面的研究，致使注浆位置准确性缺乏保障；并且，缺少简单精确的方法对水泥浆液注浆扩散的规律进行验证；另外，运用数值手段对浆液运移过程进行动态模拟，缺少现场实际施工过程中浆液运动基本形态的相关研究。因此，当前基于理论的研究方法难以准确判断出作业现场跑浆导通的位置，从而大大影响到冒浆防治的效果。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种离层注浆的冒浆防治方法，用以解决当前在对离层带进行冒浆防治时，基于理论的研究方法难以准确判断出作业现场跑浆导通的位置，从而大大影响到冒浆防治的效果。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明在一方面提供了一种离层注浆的冒浆防治方法，包括：
S11，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2；
S12，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在注入离层带的导水构造上；
S13，计算水力导通点的位置坐标；
S14，对水力导通点进行封堵。
优选的，本发明中在步骤S11中，选用KMnO4试剂作为示踪剂，并通过紫外光分光光度计对冒浆中的示踪剂进行检测。
优选的，本发明中在步骤S12中，所述水力连通时间为采集到示踪剂的峰值时刻与示踪剂的投放时刻之差。
优选的，本发明中在步骤S12中，所述平均流速为浆液在t1到t3时刻的扩散速度V1与浆液在t3到t2时刻的扩散速度V2的算术平均值；
扩散速度V1与扩散速度V2通过如下时间位移方程获取：
V1(t3-t1)＝vd(t1-t0)＝r1；
V2(t2-t3)＝vd(t2-t0)＝r2；
其中，vd表示示踪剂的扩散速率；r1表示示踪剂在t1到t3时刻的扩散半径；r2表示浆液在t3到t2时刻的扩散半径。
优选的，本发明中在步骤S13中，根据水力连通时间与平均流速的乘积得到注浆口到水力导通点的路径长度，并将所述路径长度减去注浆管的长度得到水力导通点的水平位置坐标，注浆管的长度表征水力导通点的竖直位置坐标。
优选的，本发明在另一方面还提供了一种离层注浆的冒浆防治方法，包括：
S21，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2，并计算示踪剂的采集量与总投入量的比值λ；
S22，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在未注入离层带的注浆管路上；
S23，估算发生涌水的岩体空隙体积；
S24，计算发生涌水的导水构造的长度与水力导通点的位置坐标；
S25，对导水构造所在的区段进行封堵。
优选的，本发明中在步骤S23中，岩体空隙体积的计算公式如下：
V＝Q(t3-t0)/λ；
其中，V表示岩体空隙体积，Q表示单位时间涌水量。
优选的，本发明在步骤S24中，通过单位时间涌水量计算得到发生涌水的通道底面积，并通过岩体空隙体积除以通道底面积，以得到导水构造的长度。
优选的，本发明在步骤S24中，所述水力导通点位于注浆口的下侧，且距离注浆口的长度为所述水力连通时间与所述平均流速的乘积。
(三)技术效果
本发明提供的第一种离层注浆的冒浆防治方法，是针对注入离层带的导水构造上发生的冒浆，在对其进行防治时，首先，通过示踪试验来获取相关参数，直接得到在水力导通点的水力连通时间，然后，通过将浆液的流动路径概化为柱状通道，从而可采用本领域所公知的溶质随时间扩散的经验公式，得到浆液从注浆口到冒浆口的平均流速，接着，在注浆管路到离层的注浆深度已知的情况下，即可通过几何运算得到水力导通点的位置坐标，并对水力导通点进行相应的封堵。由此可见，本发明简单有效地对水力导通点的位置进行精确估算，可准确地解决发生在注入离层带的冒浆问题。
本发明提供的第二种离层注浆的冒浆防治方法，是针对未注入离层带的注浆管路上发生的冒浆，对其进行防治的方法与上述注入离层带的冒浆防治方法相似，它也是通过示踪试验来获取相关参数，计算得到水力连通时间和浆液流动的平均流速，以获取水力导通点的位置坐标的同时，还通过估算岩体空隙体积，以计算发生涌水的导水构造的长度，从而便于对导水构造所在的区段进行封堵。由此可见，本发明不仅简单有效地对水力导通点的位置进行精确估算，还便于实现在有效的区域对冒浆进行封堵，从而准确解决了发生在未注入离层带的冒浆问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的其中一个实施例所示的冒浆防治方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所示的在冒浆口采集到示踪剂的浓度相对于时间的曲线图；
图3为本发明实施例所示的在将浆液的流动路径概化为柱状通道时，投放至浆液中的示踪剂随水流方向扩散的示意图；
图4为本发明实施例所示的注入离层带冒浆的示意图；
图5为本发明的另一个实施例所示的冒浆防治方法的流程示意图；
图6为本发明实施例所示的注入离层带冒浆的示意图。
图中：1、离层带；2、上覆岩层；3、注浆管路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本发明的其中一个实施例提供了一种离层注浆的冒浆防治方法，包括：
S11，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2；
S12，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在注入离层带的导水构造上；
S13，计算水力导通点的位置坐标；
S14，对水力导通点进行封堵。
具体的，由图2所示的曲线图可知，函数f(t)表示在进行示踪试验时，在冒浆口采集到示踪剂的浓度相对于时间的曲线，其中，纵坐标u表示示踪剂的浓度，横坐标t表示时间，S表示检测到示踪剂的区域。
在试验时，示踪剂在注浆口的投放时刻标记为t0，选用KMnO4试剂作为示踪剂，并通过紫外光分光光度计对冒浆中的示踪剂进行浓度检测。在冒浆口，从起始时刻t1到消失时刻t2为检测到有示踪剂的时间区间，在此时间区间中，示踪剂的浓度呈先逐渐增大，到逐渐减小的曲线变化，并且在峰值时刻t3时，示踪剂的浓度达到最大值，从而峰值时刻t3也表征着在该时间点水力导通点为完全连通状态，其中，水力导通点为导水构造与涌水区域的连通点，并且水力连通时间为采集到示踪剂的峰值时刻t3与示踪剂的投放时刻t0之差。
进一步的，在对浆液流动的平均流速进行计算时，由于示踪剂主要在浆液中(随着浆液的流动)沿着离层裂隙或管道方向进行扩散，而垂直方向上的示踪剂弥散对结果影响不大，分析中可以不予以考虑，从而可以将浆液的流动路径概化为柱状通道，具体可概化为圆柱通道，参见图3。在该简化条件下，没有考虑地下水的绕流与对流作用，而地下水的绕流与对流影响在以管道和裂隙为主的岩体介质中是相对微弱的，故忽略不计。
参见图3，设定示踪剂的投放位置(注浆口)为位置A，示踪剂的接收位置(冒浆口)为位置B，图中的横向箭头表示浆液的流动方向，则浆液流经的路径长度为图3所示的L，设定示踪剂的投放时刻为t0，示踪剂扩散半径为r，则可得到相应于起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2的时间位移方程：
V1(t3-t1)＝vd(t1-t0)＝r1；
V2(t2-t3)＝vd(t2-t0)＝r2；
其中，vd表示示踪剂的扩散速率；r1表示示踪剂在t1到t3时刻的扩散半径，r2表示浆液在t3到t2时刻的扩散半径。在示踪剂已知的情况下，其扩散速率vd，及r1与r2均可通过对示踪剂在等同条件下以其它方式获取，从而可得到扩散速度V1与扩散速度V2。
由此，平均流速可通过浆液在t1到t3时刻的扩散速度V1与浆液在t3到t2时刻的扩散速度V2的算术平均值来求取。
进一步的，由图4所示的结构可知，在图4中示意出了进行离层注浆时，离层带1、上覆岩层2和注浆管路3的排布位置，设定水力导通点的位置为P1。在水力导通点P1的水力连通时间与浆液的平均流速已知的情况下，根据水力连通时间与平均流速的乘积，可计算得到注浆口到水力导通点的路径长度。由于注浆管路3处注浆管的长度H为已知，从而将求得的路径长度减去注浆管的长度H，即可得到水平距离L1，该水平距离L1表征着水力导通点P1的水平位置坐标，而注浆管的长度H表征着水力导通点P1的竖直位置坐标。
由现有的离层注浆工程可知，解决冒浆问题缺少对地下水运动影响下浆液位置分布情况的系统全面研究，仅重视浆液的运移扩散情况，忽视了对冒浆点位置的精准研究，将冒浆的问题复杂化，致使注浆位置准确性缺乏保障；同时存在注浆的盲目性，照抄照搬已有的注浆范例，造成了浆液的浪费。
相反，由上述方案可知，本实施例所示的冒浆防治方法在解决冒浆的问题时，将冒浆的位置概化为一个点，并将浆液扩散路径概化为柱状通道，通过计算可获得跑浆点的坐标位置，从而确定注浆位置，增加注浆效果的准确性，减少浆液的浪费和冒浆带来的损失。由此，在对注入离层带的导水构造上发生的冒浆进行防治时，不仅简单有效地实现了对水力导通点的位置进行精确估算，而且可准确地解决发生在注入离层带的冒浆问题
进一步的，参见图5，本实施例在另一方面还提供了一种基于上述实施例所示的冒浆防治方法，包括：
S21，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2，并计算示踪剂的采集量与总投入量的比值λ；
S22，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在未注入离层带的注浆管路上；
S23，估算发生涌水的岩体空隙体积；
S24，计算发生涌水的导水构造的长度与水力导通点的位置坐标；
S25，对导水构造所在的区段进行封堵。
具体的，本实施例是针对未注入离层带的注浆管路上发生的冒浆，对其进行防治的方法与上述注入离层带的冒浆防治方法相似，它也是通过示踪试验来获取相关参数，计算得到水力连通时间和浆液流动的平均流速，在获取水力导通点的位置坐标的同时，还通过估算岩体空隙体积，以计算发生涌水的导水构造的长度，从而便于对导水构造所在的区段进行封堵。
由此可见，本实施例所示的冒浆防治方法，不仅可简单有效地对水力导通点的位置进行精确估算，还便于实现在有效的区域对冒浆进行封堵，从而准确解决了发生在未注入离层带的冒浆问题。另外，由于未注入离层带冒浆主要是由注浆管路上的套管破碎及其它因素引起的，从而本实施例所示的冒浆防治方法大大方便了现场工作人员在实际操作中，可视情况选择更换破碎套管或选择在水力导通点的深度处的导水构造所在的区段进行注浆封堵。
进一步的，本实施例中在步骤S23中，岩体空隙体积的计算公式如下：V＝Q(t3-t0)/λ；其中，V表示岩体空隙体积，Q表示单位时间涌水量。
具体的，将注浆工程影响区域内的岩体空隙体积V定义为示踪剂注入后扩散的空隙体积，同时认为在浆液注入后，充填的空隙体积与示踪剂扩散的空隙体积相同，因而，含有示踪剂的涌水体积所占总空隙体积的比例，对应地等于在冒浆口示踪剂的采集量与总投入量的比值λ。由于单位时间涌水量可通过试验手段获取，在投放时刻t0、峰值时刻t3及比值λ已知的情况下，可根据上述计算公式，计算得到岩体空隙体积V。
进一步的，在步骤S24中，将单位时间涌水量通过浆液的平均流速与单位时间及通道底面积的乘积进行计算，在单位时间取1时，且单位时间涌水量已知的情况下，可计算得到发生涌水的通道底面积；再通过岩体空隙体积除以通道底面积，以得到导水构造的长度L2，参见图6，其中，在图6中示意出了进行离层注浆时，离层带1、上覆岩层2和注浆管路3的排布位置，设定水力导通点的位置为P2。
另外，由于水力导通点P2位于注浆口的下侧，且距离注浆口的长度h为水力连通时间与平均流速的乘积，则在对该水力导通点P2产生的冒浆进行防治时，只需对导水构造所在的长度为L2的区段进行封堵即可，其中，本实施例所示的封堵操作是采用向相应的封堵区域进行钻孔，并结合注浆的方式进行施工封堵。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，包括：
S11，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2；
S12，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在注入离层带的导水构造上；
S13，计算水力导通点的位置坐标；
S14，对水力导通点进行封堵。
2.根据权利要求1所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S11中，选用KMnO4试剂作为示踪剂，并通过紫外光分光光度计对冒浆中的示踪剂进行检测。
3.根据权利要求1所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S12中，所述水力连通时间为采集到示踪剂的峰值时刻与示踪剂的投放时刻之差。
4.根据权利要求1所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S12中，所述平均流速为浆液在t1到t3时刻的扩散速度V1与浆液在t3到t2时刻的扩散速度V2的算术平均值；
扩散速度V1与扩散速度V2通过如下时间位移方程获取：
V1(t3-t1)＝vd(t1-t0)＝r1；
V2(t2-t3)＝vd(t2-t0)＝r2；
其中，vd表示示踪剂的扩散速率；r1表示示踪剂在t1到t3时刻的扩散半径；r2表示浆液在t3到t2时刻的扩散半径。
5.根据权利要求1所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S13中，根据水力连通时间与平均流速的乘积得到注浆口到水力导通点的路径长度，并将所述路径长度减去注浆管的长度得到水力导通点的水平位置坐标，注浆管的长度表征水力导通点的竖直位置坐标。
6.一种离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，包括：
S21，进行示踪试验，记录示踪剂在注浆口的投放时刻t0，及在冒浆口采集到示踪剂的起始时刻t1、峰值时刻t3及消失时刻t2，并计算示踪剂的采集量与总投入量的比值λ；
S22，获取水力导通点的水力连通时间，并将浆液的流动路径概化为柱状通道，以计算得到浆液流动的平均流速，其中，水力导通点发生在未注入离层带的注浆管路上；
S23，估算发生涌水的岩体空隙体积；
S24，计算发生涌水的导水构造的长度与水力导通点的位置坐标；
S25，对导水构造所在的区段进行封堵。
7.根据权利要求6所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S23中，岩体空隙体积的计算公式如下：
V＝Q(t3-t0)/λ；
其中，V表示岩体空隙体积，Q表示单位时间涌水量。
8.根据权利要求7所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S24中，通过单位时间涌水量计算得到发生涌水的通道底面积，并通过岩体空隙体积除以通道底面积，以得到导水构造的长度。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的离层注浆的冒浆防治方法，其特征在于，在步骤S24中，所述水力导通点位于注浆口的下侧，且距离注浆口的长度为所述水力连通时间与所述平均流速的乘积。
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| CN110671075B (zh) | 2021-07-23 |
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