CN111997687A - 一种采空区满管注浆及效果实时检测方法 - Google Patents

一种采空区满管注浆及效果实时检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种注浆效果实时检测方法，属于煤矿开采沉陷防治领域，具体是涉及一种采空区满管注浆效果实时检测方法。该方法通过在高浓度充填注浆孔中逐级设置缓冲装置，高浓度浆液完全按照泵送压力将浆液输送采空区位置，实现注浆管内高浓度浆液一直处于满管流动状态，确保注浆管内浆液不离析，注浆管内地下水位不上升，并达到采空区内高浓度浆液堆积扩散距离更远的目的；通过注浆孔联合观测方式，利用特制的液面监测装置，实时监测注浆孔周围钻孔液位变化，根据3个定量检查评判注浆效果的系数指标，精准的对采空区注浆效果进行实时检测，保证采空区治理效果。

Description

一种采空区满管注浆及效果实时检测方法
技术领域
本发明涉及一种注浆效果实时检测方法，属于煤矿开采沉陷防治领域，具体是涉及一种采空区满管注浆效果实时检测方法。
背景技术
煤炭开采形成了大量的采空区，其中有很多采空区是作为非充分开采方式形成的大空洞采空区，这些采空区还存在特殊的富水问题。虽然现在注浆充填是采空区治理中常用的手段，但是稀浆充填时浆液在水中难以形成有一定强度的结石体；如使用高浓度浆液进行充填虽然会比稀浆充填效果好，但高浓度浆液充填时浆液与注浆孔内部的地下水结合容易产生离析现象，进而发生堵管。究其原因：一是采空区埋深较大，注浆管内浆液充填无法达到满管，非满管流浆液易冲刷孔壁，产生掉块，导致钻孔堵塞；二是非满管流浆液无法将钻孔内地下水整体挤压至采空区中，非满管浆液在孔内将与水混合发生离析。同时，非满管浆液在注浆过程中会促使浆液在采空区内部扩散的动力源头(即充填泵送压力)存在大成度的损失，影响高浓度浆液在采空区内扩散，且注浆阻力较大时，浆液自由面会逐渐升高，也会在钻孔内固料沉积造成堵孔。
对于采空区注浆效果检测方法主要有治理后一段时间在采空区位置布置监测网监测或利用钻探、物探、开挖等方法，检测所治理区域是否还存在空洞，进而评价注浆效果。其中，监测网线是在采空区上部地层表面进行变形监测，这种检测方法属于间接检测，其检测所需时间较长，检测效果不明显。钻探方法是一般在采空区处理后6个月，选择一些点位，利用钻探手段，进行取芯，观测注浆结石体，这种检测方法耗时较长，若结石体未达到预期效果，再进行补充注浆，则工期较长。物探手段由于地层数据反演具有很多不确定性，注浆效果不直观。开挖方法对于埋深较大的采空区也并不适用。
现有技术中存在关于公路采空区处治效果检测方法，其在采空区处治6个月后，按注浆孔的2％确定检测孔，对检测孔进行钻孔取芯，直观观测采空区充填效果，并利用纯水泥浆向检测孔中压浆的方法进行采空区治理效果评价。该方法所需时间较长，检测具有随机性。
因此，为解决上述问题，需要一种确保采空区注浆过程满管流且采空区注浆效果实时检测方法。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种采空区满管注浆效果实时检测方法。该方法通过在高浓度充填注浆孔中逐级设置缓冲装置，浆液重力与缓冲装置产生的阻力平衡，导致浆液流动到采空区时在管道内形成柱塞流，即仅受泵送压力影响，因此高浓度浆液完全按照泵送压力将浆液输送采空区位置，实现注浆管内高浓度浆液一直处于满管流动状态，确保注浆管内浆液不离析，注浆管内地下水位不上升，并达到采空区内高浓度浆液堆积扩散距离更远的目的；通过注浆孔联合观测方式，利用特制的液面检测装置，实时监测注浆孔周围钻孔液位变化，根据3个定量检查评判注浆效果的系数指标，精准的对采空区注浆效果进行实时检测，保证采空区治理效果。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种采空区满管注浆方法，包括：
在注浆孔中设置若干个缓冲装置，所述缓冲装置在承压达到阈值时会形成流体通道；
向注浆孔内注浆并利用所述缓冲装置保持高浓度浆液于注浆管中处于满管流动状态。
优选的，上述的一种采空区满管注浆方法，其特征在于，基于下式确定注浆泵的总注浆压力Pz：
Pz＝nPr-ρmgh+Pf
其中，Pz为总注浆压力，n缓冲装置数量，Pr缓冲装置阻力，Pf为注浆管输送浆液时产生的阻力，ρm为浆液的密度，g重力加速度，h注浆深度。
一种采空区满管注浆效果实时检测方法，包括：
将注浆孔以及其周围设置的若干个未注浆的后序孔划分为一个注浆单元；
基于注浆孔的注浆量以及后序孔的浆液高度变化位置评估注浆效果。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，包括：在注浆孔内设置有若干个缓冲装置，所述缓冲装置在承压达到阈值时会形成流体通道；
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，包括：采用具有自动调节注浆压力功能的浆液注浆泵进行注浆。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，采用液面检测装置测量后序孔的浆液高度变化情况，所述液面检测装置包括：液面检测探头，通过网线所述液面检测探头相连的数显灯，其中，所述液面检测探头随液面上升或下降。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，在所述注浆孔周围设置8个后序孔，8个后序孔排列成一正方形，所述中心注浆孔位于正方形中心。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，基于后序孔浆液位置高度系数i对注浆效果进行评价，其中，所述后序孔浆液位置高度系数i基于下式计算得到：
Figure BDA0002622359420000041
其中，Hh为后序孔浆液数显灯亮位置至采空区底板的距离，Hq为注浆孔A在未注浆之前所检测的循环液全漏位置至采空区底板的距离。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，基于钻孔注浆量衰减系数q对注浆效果进行评价，其中，所述钻孔注浆量衰减系数q基于下式计算得到：
Figure BDA0002622359420000042
其中，Qa为所述注浆孔的注浆量，Qh为后序孔注浆量。
优选的，上述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，基于后序孔循环液全漏位置下行系数h对注浆效果进行评价，其中，所述后序孔循环液全漏位置下行系数h基于下式计算得到：
Figure BDA0002622359420000051
其中，Xh为对注浆孔A注浆后，后序孔循环液全漏位置至采空区底板的距离，Xq为注浆孔A未注浆时，后序孔的循环液全漏位置至采空区底板距离。
因此，本发明提出一种采空区满管注浆及效果实时检测方法，与现有技术相比，具有以下优点：通过在高浓度充填逐级设置缓冲装置，可实现注浆管内高浓度浆液满管流动；可以防止高浓度浆液在注浆孔内堵孔；可利用较大的泵送压力将高浓度浆液充填，促进空区内部堆积体扩散；可解决富水采空区浆液不易形成结石体的问题；可解决治理深部采空区时易堵管的问题；联合注浆孔周围未注浆孔对注浆孔注浆效果进行检测与效果判断，特制的液面检测装置可对未注浆孔中浆液液面变化进行实时监测，进而为评价注浆孔注浆效果提供支撑；注浆孔注浆效果检测可实现实时检测，避免了传统检测手段中检测时间过长的问题，防止了采空区注浆治理过程因注浆效果未达到标准而二次施工导致的工期过长的问题
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1为本发明的实施例中注浆孔布设平面图。
图2为本发明的实施例中满管注浆示意图。
图3为本发明的实施例中无压力时缓冲装置示意图。
图4为本发明的实施例中有压力时缓冲装置示意图。
图5为本发明的实施例中特制的液面检测装置示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
本实施例提供了一种采空区满管注浆及效果实时检测方法。
如图1所示，本实施例中，将中心注浆孔A和周围未注浆孔1、未注浆孔2、未注浆孔3、未注浆孔4、未注浆孔5、未注浆孔6、未注浆孔7、未注浆孔8划分为一个注浆控制单元，对注浆孔A进行满管流注浆，利用当前注浆孔A周边的未注浆的孔进行实时监测；注浆孔A中设置注浆管。具体地，9地面数据采集装置、10数据传输线、11浆液液面测试探头、1-1数据显示屏、1-2数据解译装置、1-3供电电池、1-4无线传输信号源。
如图2所示，本实施例中，在注浆管内部逐级设置缓冲装置。其中，缓冲装置为遇一定压力时形成一个中空通道的环，低压力时环口闭合的装置，其结构如图3-4所示。
采空区地表设置高浓度浆液充填站，浆液利用高压泵泵送。高浓度浆液注浆开始，高压泵将高浓度浆液从充填站输送至注浆管，浆液经过注浆管，传送至第一级缓冲装置中，在第一级缓冲装置至压力泵之间注浆管道充满高浓度浆液后，注浆泵压力增大，高浓度浆液将在注浆压力和浆液自重的共同作用下，进入第二级缓冲装置，待第二级缓冲装置至压力泵之间注浆管道充满高浓度浆液后，注浆泵压力继续增大，高浓度浆液将在注浆压力和浆液自重的共同作用下，进入第三级(下一级)缓冲装置，依此注浆使高浓度浆液到达采空区，从而实现高浓度浆液满管流动。在现有技术中，由于未设置缓冲装置，在输送管道内浆液无法形成满管流，浆液无法有效受压力推动，更无法通过控制压力控制扩散距离。由于不是满管流，浆液容易产生离析，造成堵管，无法完成有效注浆。
本实施例中，高浓度浆液注浆泵具有自动调节注浆压力功能，当浆液逐级穿越缓冲装置时，注浆压力均会增加，以满足浆液的继续连续输送。
整个高浓度浆液满管注浆装置中的总注浆压力根据注浆深度、注浆管长度、缓冲装置数量而定。
Pz＝nPr-ρmgh+Pf
其中，Pz为总注浆压力，n缓冲装置数量，Pr缓冲装置阻力，Pf为注浆管输送浆液时产生的阻力，ρm为浆液的密度，g重力加速度，h注浆深度。
进一步的，从上至下，每增加一级缓冲装置所增加的注浆压力，即缓冲装置阻力根据下面公式计算得出：
Figure BDA0002622359420000071
式中，Pr为每增加一级缓冲装置所增加的注浆压力，MPa；ξ为局部阻力系数，根据缓冲装置直径与注浆管直径比值查表1得出；ρm为浆液的密度，v为浆液管内流速。
表1管径突然缩小的局部阻力系数
Figure BDA0002622359420000072
进一步的，注浆管输送浆液时产生的阻力为：
Figure BDA0002622359420000073
式中，Di、Li、vi和λi分别为对应第i段管路的直径、管长、浆液速度和范宁阻力系数。ρm为浆液的密度，Pf为注浆管输送浆液时产生的阻力。
范宁阻力λi由以下公式计算：
Figure BDA0002622359420000081
Rec为考虑管壁滑移及流变性质综合作用的雷诺数，称其为综合雷诺数，有Rec＝XRes，X为修正系数，取15～73。Res为根据有效粘度μe计算的有效雷诺数，
Figure BDA0002622359420000082
μp为浆液的塑性粘度，D为管径，ρm为浆液的密度，v为浆液管内流速。
进一步的，缓冲装置从钻孔孔口以下3～5m开始设置，需综合考虑注浆泵压力量程、注浆深度、注浆管输送浆液时产生的阻力与缓冲装置阻力对浆液缓冲装置数量进行设计。
本实施例中，在未注浆孔中设置液面检测装置(图5)，该装置包括：地面数据采集装置9、数据传输线10、浆液液面测试探头11；
地面数据采集装置9由数据显示屏1-1、数据解译装置1-2、供电电池1-3、无线传输信号源1-4组成；
特制的液面检测装置中的数据传输线具有刻度，可根据下放置未注浆的孔中的距离确定初始浆液位置，用以校准探头所测数据。
特制的液面检测装置中的探头接触到浆液液面后，浆液液面测试探头可直接测出孔内浆液液面标高，并将数据信号通过数据传输线传输至数据解译装置中，再继续传输至数据显示屏中，同时，数据信息通过无线传输信号源输送至云端，电脑实时同步记录浆液液面标高变化，为定量检查评判注浆效果的系数指标提供依据。
在同一个注浆控制单元内，利用定量检查评判注浆效果的系数指标对注浆效果进行实时评价。此时周围未注浆孔1、未注浆孔2、未注浆孔3、未注浆孔4、未注浆孔5、未注浆孔6、未注浆孔7、未注浆孔8统称为后序孔。后续孔主要目的是辅助检查注浆效果，根据后续孔距离注浆孔A的远近，可先对2/4/5/7孔进行检测，待反映出注浆孔A有较好注浆效果时，对1/3/6/8进行检测。最后，根据1～8进行综合评价。
基于测试结果，计算后序孔浆液位置高度系数i、钻孔注浆量衰减系数q、后序孔循环液全漏位置下行系数h。
本实施例中，基于下式计算后序孔浆液位置高度系数i。
Figure BDA0002622359420000091
其中，Hh为后序孔浆液数显灯亮位置至采空区底板的距离，Hq为注浆孔A在未注浆之前所检测的循环液全漏位置至采空区底板的距离，i大于1满足代表注浆以达到注浆要求。
本实施例中，为防止注浆孔A周围存在大型裂隙通道，浆液沿某一方向的通道流失，在注浆孔A周围10～50米设置分别位于钻孔A的方位角为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°的后序孔1、2、3、4、5、6、7、8。
本实施例中，根据采空区探测结果，预估钻孔A的注浆量，当A孔注浆量达到预估值时，分别向后序孔1、2、3、4、5、6、7、8注浆，根据后序孔1、2、3、4、5、6、7、8钻孔注浆量衰减系数q对注浆效果进行检测。
Figure BDA0002622359420000092
其中，Qa为注浆孔A的注浆量，Qh为后序孔注浆量。
本实施例中，每一个控制单元，在电脑中均存在一个实时检测平台，注浆量，q为0.3-0.5时注浆效果较好。当q<0.3时，说明在后序孔所在的方位角方向上存在较大裂隙通道，导致浆液流失，注浆效果较差。需在此方向进行注浆材料或工艺的改进。
本实施例中，基于下式计算后序孔循环液全漏位置下行系数h。
Figure BDA0002622359420000101
其中，Xh为对注浆孔A注浆后，后序孔循环液全漏位置至采空区底板的距离，Xq为注浆孔A未注浆时，后序孔的循环液全漏位置至采空区底板距离。h越小，表明注浆孔A中的浆液贯通至后序孔中，并将后序孔中的弯曲下沉带、导水裂隙带等小裂隙填充，导致循环液全漏位置下行。当h处于0.1-0.3时，注浆效果较好。
注浆数据、检测数据和检测指标均有反应，可直观看出注浆效果。
本发明提出一种采空区注浆效果实时检测方法，与现有技术相比，具有以下优点：通过在高浓度充填逐级设置缓冲装置，可实现注浆管内高浓度浆液满管流动；可以防止高浓度浆液在注浆孔内堵孔；可利用较大的泵送压力将高浓度浆液充填，促进空区内部堆积体扩散；可解决富水采空区浆液不易形成结石体的问题；可解决治理深部采空区时易堵管的问题；联合注浆孔周围未注浆孔对注浆孔注浆效果进行检测与效果判断，特制的液面检测装置可对未注浆孔中浆液液面变化进行实时监测，进而为评价注浆孔注浆效果提供支撑，注浆孔注浆效果检测可实现实时检测，避免了传统检测手段中检测时间过长的问题，防止了采空区注浆治理过程因注浆效果未达到标准而二次施工导致的工期过长的问题。
本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种采空区满管注浆方法，其特征在于，包括：
在注浆孔中设置若干个缓冲装置，所述缓冲装置在承压达到阈值时会形成流体通道；
向注浆孔内注浆并利用所述缓冲装置保持高浓度浆液于注浆管中处于满管流动状态。
2.根据权利要求1所述的一种采空区满管注浆方法，其特征在于，基于下式确定注浆泵的总注浆压力Pz：
Pz＝nPr-ρmgh+Pf
其中，Pz为总注浆压力，n缓冲装置数量，Pr缓冲装置阻力，Pf为注浆管输送浆液时产生的阻力，ρm为浆液的密度，g重力加速度，h注浆深度。
3.一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，包括：
将注浆孔以及其周围设置的若干个未注浆的后序孔划分为一个注浆单元；
基于注浆孔的注浆量以及后序孔的浆液高度变化位置评估注浆效果。
4.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，包括：在注浆孔内设置有若干个缓冲装置，所述缓冲装置在承压达到阈值时会形成流体通道。
5.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，包括：采用具有自动调节注浆压力功能的浆液注浆泵进行注浆。
6.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，采用液面检测装置测量后序孔的浆液高度变化情况，所述液面检测装置包括：液面检测探头，通过网线所述液面检测探头相连的数显灯，其中，所述液面检测探头随液面上升或下降。
7.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，在所述注浆孔周围设置8个后序孔，8个后序孔排列成一正方形，所述中心注浆孔位于正方形中心。
8.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，基于后序孔浆液位置高度系数i对注浆效果进行评价，其中，所述后序孔浆液位置高度系数i基于下式计算得到：
Figure FDA0002622359410000021
其中，Hh为后序孔浆液数显灯亮位置至采空区底板的距离，Hq为注浆孔A在未注浆之前所检测的循环液全漏位置至采空区底板的距离。
9.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，基于钻孔注浆量衰减系数q对注浆效果进行评价，其中，所述钻孔注浆量衰减系数q基于下式计算得到：
Figure FDA0002622359410000022
其中，Qa为所述注浆孔的注浆量，Qh为后序孔注浆量。
10.根据权利要求3所述的一种采空区满管注浆效果实时检测方法，其特征在于，基于后序孔循环液全漏位置下行系数h对注浆效果进行评价，其中，所述后序孔循环液全漏位置下行系数h基于下式计算得到：
Figure FDA0002622359410000023
其中，Xh为对注浆孔A注浆后，后序孔循环液全漏位置至采空区底板的距离，Xq为注浆孔A未注浆时，后序孔的循环液全漏位置至采空区底板距离。
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