CN112814647B - 厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，所述方法包括如下步骤：1)由厚松散层的地面向下钻孔；2)现场压水试验；3)现场高压注浆试验；4)压水试验与高压注浆试验的监测数据分析；5)求解厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力；6)计算现场高压注浆试验理论注浆总量；7)校核厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力。能够科学的确定临近既有深立井井筒的厚松散层地面注浆参数，为揭示厚松散层地面注浆浆液扩散机理及其注浆参数设计与施工提供更可靠的理论和试验依据。

Description

厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法

技术领域

本发明涉及煤矿立井井筒注浆技术领域，特别涉及一种临近既有深立井的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法。

背景技术

煤矿立井井筒是输送人员与材料等的咽喉，事关矿井的运行和安全生产。自上世纪80年代以来，我国黄淮地区已有200多个井筒发生破坏，严重影响矿井生产安全。经多年来国内外学者的大量研究，已对其破坏机理基本达成共识，且针对其破坏特征和破损机理，提出了“竖让横抗”和“地面注浆加固井筒周围地层”两种治理方案，并收到预期的良好效果。对立井井筒周围地层注浆的目的是封堵井筒周边含水地层的水利通道，阻滞含水地层疏水，减缓、减少井筒周边地层的沉降，降低立井井壁所受到的竖向附加力。进一步细分，“地面注浆加固井筒周围地层”的方法又包括井筒壁后注浆和地面注浆加固。

虽然目前关于立井表土地层的加固注浆已有一定的研究和工程实践，但是随着煤炭资源开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内部分矿井相继进人了深部煤炭开采状态，越来越多的立井井筒需要穿越深厚的冲积层(400m以上)。特别是，随着井筒穿越的冲积层越厚，其壁后土层的固结程度越大，可注性能越来越差。显然，已经不能按照常规表土地层的注浆方法进行深立井地层的加固注浆，若单纯通过的增大注浆压力，其注浆压力将达5～8MPa，极容易产生劈裂注浆，过大的注浆压力会直接作用于井筒，而造成井筒的破坏。

鉴于国内外有关深厚松散层地面高压注浆加固地层的工程案例较少，加之地层可注性的不确定性，根据不同地层条件科学合理确定注浆压力和注浆扩散半径一直是岩土工程界亟待解决的技术难题。因此，合理选取注浆压力和注浆半径，对科学制定注浆方案，确保既有井筒安全具有重要指导作用。如何确定既有井筒条件下深立井地层加固注浆压力和浆液扩散半径尚无相关工程实践确定方法，开展此方面的研究迫在眉睫。

因此，需要提供临近既有深立井的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法以解决上述问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，用于临近既有深立井井筒的厚松散层地面注浆参数的确定。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，所述方法包括如下步骤：1)由厚松散层的地面向下钻孔；2)现场压水试验；3)现场高压注浆试验；4)压水试验与高压注浆试验的监测数据分析；5)求解厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力；6)计算现场高压注浆试验理论注浆总量；7)校核厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，所述步骤1)中，所述钻孔的底端到达位于厚松散层底部的底部含水层，所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间具有距离；优选地，所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间的距离为h：4m<h<10m。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，所述步骤1)中，所述钻孔在厚松散层内以粘土层作为控制层段，所述钻孔在厚松散层内以砂层和砂层-粘土层互层作为注浆层段；压水试验和高压注浆试验的试验层段为所述注浆层段；钻孔结束后，在现场压水试验和现场高压注浆试验前，对所述钻孔的所述注浆层段进行洗井，在所述注浆层段的位置处放置滤管，在所述控制层段的位置处放置实套管；优选地，采用清水进行洗井，洗井时间t>12小时。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，步骤2)中，对所述压水试验的试验层段进行现场压水试验之前，测试试验层段的初始水位，并计算试验层段的静水压力值p_w；然后分别取大于、等于和小于静水压力值p_w的压力设定若干等级的压水试验的压力值，优选地，将所述压水试验的压力值设定n个等级、每个等级压水试验的压力值表示为p_ai、其中i＝1、2、3……n；根据n个等级压水试验的压力值设定2n-1个压水阶段进行所述压水试验；优选地，n为10-20；相邻的两个压水试验的压力值p_ai之间的压力差优选为0.2MPa～1MPa；优选地，在压水试验时，可根据实际情况适当减少或增加压水试验的压力值等级的数量，压水阶段的数量根据压水试验的压力值等级数量进行调整。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，步骤2)中，所述压水试验时，将压水试验的压力值调整到p_ai并保持稳定，开始进行压水试验的压力值和流量观测；所述压水试验的压力值p_ai和对应流量Q_ai的观测时间间隔为2～10min，当压水试验的压力值保持不变，流量Q_ai无持续增大趋势，且五次流量Q_ai读数中的最大值与最小值之差小于最终值的10％，或流量Q_ai的最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算值p_ai和Q_ai，压水试验结束后，按照压水阶段的压水试验顺序，重复该试验过程，直至完成压水试验。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，步骤3)中，将所述高压注浆试验的注浆压力值设定m个等级、每个等级高压注浆试验的注浆压力值表示为p_bi、其中i＝1、2、3……m，m优选为10-20；高压注浆试验的注浆压力值p_bi均为静水压力值p_w的倍数；根据m个等级高压注浆试验的注浆压力值设定多个注浆阶段进行所述高压注浆试验，注浆阶段分别为：

p_w→1.2p_w→1.4p_w→1.6p_w→1.8p_w→2p_w→2.2p_w→2.4p_w→2.6p_w→2.8p_w→3p_w→…(0.8+0.2m)p_w→…→3p→…p_w，按上述注浆阶段的顺序依次进行所述高压注浆试验；所述高压注浆试验，在每一阶段高压注浆前均进行洗井；优选地，在现场高压注浆试验时，可根据实际情况适当减少或增加注浆压力等级的数量，注浆阶段的数量根据注浆压力等级的数量进行调整。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，在步骤4)中，具体包括如下步骤：4.1)通过对各钻孔不同试验层段压水试验的压力值p_ai和清水流量Q_ai进行监测，建立压水试验的压力值p_ai与清水流量Q_ai的特征曲线，根据《工程地质手册》可获得各钻孔各层位地层透水率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；通过下式计算获得各钻孔各层位在不同压水压力下的透水率：

其中，q_ai为透水率，Lu；L为试段长度，m；p_ai为压水试验的压力值，MPa；Q_ai为压水试验的清水流量，L/min。

优选地，通过p_ai-Q_ai曲线计算出每一级压水试验的压力值和每一阶段压水试验的透水率，取透水率大于1Lu时的压水试验的压力值作为压水目标值P₁；

4.2)通过对各钻孔不同试验层段高压注浆试验的注浆压力值p_bi和实际浆液流量Q_bi进行监测，建立高压注浆试验的注浆压力值p_bi与实际浆液流量Q_bi的特征曲线，获得各钻孔各层位地层透浆率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；

通过下式计算获得各钻孔各层位在不同高压注浆试验的注浆压力值p_bi下的透浆率：

其中，q_bi为透浆率，Lu；L为试段长度，m；p_bi为高压注浆试验的注浆压力值，MPa；Q_bi为高压注浆试验的实际浆液流量，L/min。

优选地，通过p_bi-Q_bi曲线计算出每一级和每一阶段注浆试验的透浆率，取透浆率大于1Lu时的压力值作为注浆压力目标值P₂，曲线p_bi-Q_bi对应P₂处的实际浆液流量为Q₂。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，步骤5)中，在所述注浆层段注浆时，将所述注浆层段视作均质地层，考虑浆液具有一定的黏度时变性，可获得不同注浆压力目标值P₂下的浆液扩散半径R满足：

其中，R为浆液扩散半径、m；k为受注土层渗透系数、m/h，由室内试验测定；t为浆液扩散所需时间、h，由注浆试验测定；h为采用水柱高度表示注浆压力、m，由注浆试验测定；r₀为注浆管半径、m；n为受注煤岩体有效孔隙率，由室内试验测定；μ_w为水的黏度、mPa·s；μ_s0为浆液初始黏度、mPa·s；α为浆液黏度时变系数；A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，所述步骤6)中，将所述注浆层段的浆液扩散区域等效为圆柱体体积，根据公式(3)计算所获得不同注浆压力下的浆液扩散半径R，按照下式计算该注浆压力、注浆扩散半径R和注浆时间t等参数时的所述注浆层段理论注浆总量Q：

Q＝πR²Hη公式(4)

其中，Q为理论注浆总量、m³；η为注浆层段土体综合孔隙率，砂层取5％～8％；粘土、砂质粘土、粘土层取2％～3％；H为注浆层段的厚度、m；R扩散半径。

进一步地，在上述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法中，所述步骤7)中，将所述步骤6)获得的注浆层段理论注浆总量Q与步骤4)获得的采用对应的注浆压力进行注浆所注实际浆液流量Q₂进行对比分析，若两者误差在±10％之间时，则该厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值满足工程实际需求；若两者误差大于±10％时，根据实际浆液流量降低或增大注浆压力，然后按照步骤1)-步骤7)重新校核厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值以致获得满足工程实际需求的注浆参数。

分析可知，本发明公开一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，填补了目前在厚松散层地面注浆工程中尚无高压注浆参数确定方法的空白。通过地层钻孔进行现场分级分阶段压水试验和现场高压分级分阶段注浆试验，根据试验监测数据得到地层透水率和单位吸水量与深度、注浆压力的变化关系，以及各层位受注点注浆压力与静水比值和压水流量与注浆流量比值确定注浆压力、注浆量的大小。该厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法能够科学的确定临近既有深立井井筒的厚松散层地面注浆参数，为揭示厚松散层地面注浆浆液扩散机理及其注浆参数设计与施工提供更可靠的理论和试验依据。对后续揭示厚松散层地面注浆扩散机理具有重要的理论意义，是后续开展煤矿立井井筒地面高压注浆关键技术的基础研究。

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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法的流程图。

图2为本发明一实施例钻孔压水(高压注浆)试验的原理图；

附图标记说明：1厚松散层；2风化基岩；3套管；31实套管；32滤管；4试验层段；5栓塞；6高压水管；7水源和/或浆液；8压力表；9泵；10钻孔；11控制层段；

h为钻孔的底端与风化基岩的顶面之间的距离；

A处为钻孔后孔内水的表面的高度；

H为钻孔后孔内水的表面与地表之间的距离。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

根据本发明的实施例，提供了一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，所述方法包括如下步骤：

1)由厚松散层的地面向下钻孔；

所述钻孔的底端到达位于厚松散层底部的底部含水层，所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间具有距离；

优选地，所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间的距离为h：4m<h<10m。

所述钻孔在厚松散层内以粘土层作为控制层段，所述钻孔在厚松散层内以砂层和砂层-粘土层互层作为注浆层段；压水试验和高压注浆试验的试验层段为所述注浆层段。

钻孔结束后，在现场压水试验和现场高压注浆试验前，对所述钻孔的所述注浆层段进行洗井，在所述注浆层段的位置处放置滤管32，在所述控制层段的位置处放置实套管31；优选地，采用清水进行洗井，洗井时间t>12小时。

如图2所示，厚松散层1的下方为风化基岩2，钻孔10的底端与风化基岩2的顶面之间的距离为h，钻孔10内放置有套管3，套管3在控制层段11内是实套管31、在试验层段4内是滤管32。钻孔10的下段为试验层段4，在套管3的外部并位于试验层段4的上方设置有栓塞5。栓塞5也就是止浆塞，地面预注浆时，栓塞5安设在注浆孔中的控制层段11(暂不注浆层段)，栓塞5是浆液控制装置。常用的栓塞5主要有机械式、水力膨胀式两种。套管3与高压水管6连通，高压水管6与水源和/或浆液7连通，高压水管6上设置有压力表8和泵9。水源或者浆液7通过高压水管6进入套管3进行压水试验和/或高压注浆试验。钻孔后孔内水的表面的高度是A处，钻孔后孔内水的表面与地表之间的距离为H。

2)现场压水试验；

对所述压水试验的试验层段进行现场压水试验之前，测试试验层段的初始水位，并计算试验层段的静水压力值p_w；

然后分别取大于、等于和小于静水压力值p_w的压力设定若干等级的压水试验的压力值。

优选地，将所述压水试验的压力值设定n个等级、每个等级压水试验的压力值表示为p_ai、其中i＝1、2、3……n，n优选为10-20；相邻的两个压水试验的压力值p_ai之间的压力差优选为0.2MPa～1MPa。具体地，p_ai的值在p_w±1MPa内时，相邻的压水试验的压力值p_ai之间的压力差优选取0.2MPa；p_ai的值在p_w-2MPa～p_w-1MPa和p_w+1MPa～p_w+2MPa两个区间内时，相邻的压水试验的压力值p_ai之间的压力差优选取0.5；其余情况相邻的压水试验的压力值p_ai之间的压力差优选取1MPa。传统的压水试验等级较少，仅能测出对应等级的压水量，难以指导厚松散层深部高压注浆。本申请中n优选为10-20，采用基于实际地层的静水压力值确定多级多阶段压水试验方案，即10-20个等级的压水试验的压力值(对应2n-1压水阶段)，可准确确定待注浆地层的渗透参数和注浆参数，同时为后续揭示厚松散层注浆加固机理提供试验基础。

根据n个等级压水试验的压力值设定2n-1个压水阶段进行所述压水试验，2n-1个压水阶段的压水顺序如下所示：p_a1→p_a2→p_a3→p_a4→...→p_a(n-1)→p_an→…→p_a4→p_a3→p_a2→p_a1。

比如，将所述压水试验的压力值设定14个等级、那么压水阶段为2n-1＝27个。压水试验的压力值为p_w条件下的27个压水阶段按(p_w-1MPa)→(p_w-0.8MPa)→(p_w-0.6MPa)→(p_w-0.4MPa)→(p_w-0.2MPa)→p_w→(p_w+0.2MPa)→(p_w+0.4MPa)→(p_w+0.6MPa)→(p_w+0.8MPa)→(p_w+1MPa)→(p_w+1.5MPa)→(p_w+2MPa)→(p_w+3MPa)→(p_w+2MPa)→(p_w+1.5MPa)→(p_w+1MPa)→(p_w+0.8MPa)→(p_w+0.6MPa)→(p_w+0.4MPa)→(p_w+0.2MPa)→p_w→(p_w-0.2MPa)→(p_w-0.4MPa)→(p_w-0.6MPa)→(p_w-0.8MPa)→(p_w-1MPa)的顺序依次进行；

优选地，在压水试验时，可根据实际情况适当减少或增加压水试验的压力值等级的数量，压水阶段的数量根据压水试验的压力值等级数量进行调整。具体地，需要根据实际的压水试验的试验层段的深度进行选择，如果压水试验的试验层段比较浅，则p_w比较小，此时压水等级可以设置的少点；反之，如果压水试验的试验层段比较深，则p_w比较大，此时压水等级可以增加。

比如对埋深100米的试验层段进行压水时，一般p_w为1MPa，此时可将压水试验的压力值p_ai设置在1-0.5MPa...1+0.5MPa的范围内进行压水试验；若对埋深500米的试验层段进行压水时，一般p_w为5MPa，此时可将压水试验的压力值p_ai设置在5-2MPa...5+2MPa的范围内进行压水试验。

所述压水试验时，将压水试验的压力值调整到p_ai并保持稳定，开始进行压水试验的压力值和流量观测；所述压水试验的压力值p_ai和对应流量Q_ai的观测时间间隔为2～10min，当压水试验的压力值保持不变，流量Q_ai无持续增大趋势，且五次流量Q_ai读数中的最大值与最小值之差小于最终值的10％，或流量Q_ai的最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算值p_ai和Q_ai，压水试验结束后，按照压水阶段的压水试验顺序，重复该试验过程，直至完成压水试验。

3)现场高压注浆试验；

高压注浆，指的是在厚松散层的深度达到400米以上是注浆层段。

将所述高压注浆试验的注浆压力值设定m个等级、每个等级高压注浆试验的注浆压力值表示为p_bi、其中i＝1、2、3……m，m优选为10-20；高压注浆试验的注浆压力值p_bi均为静水压力值p_w的倍数。由于厚松散层深部地层的注浆缺乏对应理论与试验经验，增加注浆压力等级(10-20个等级)，目的是准确确定注浆参数，优化注浆方案，安全高效注浆。

根据m个等级高压注浆试验的注浆压力值设定多个注浆阶段进行所述高压注浆试验，注浆阶段分别为：

p_w→1.2p_w→1.4p_w→1.6p_w→1.8p_w→2p_w→2.2p_w→2.4p_w→2.6p_w→2.8p_w→3p_w→…(0.8+0.2m)p_w→…→3p→…p_w，按上述注浆阶段的顺序依次进行所述高压注浆试验。

所述高压注浆试验，在每一阶段高压注浆前均进行洗井；

优选地，在现场高压注浆试验时，可根据实际情况适当减少或增加注浆压力等级的数量，注浆阶段的数量根据注浆压力等级的数量进行调整。

4)压水试验与高压注浆试验的监测数据分析；

在步骤4)中，具体包括如下步骤：

4.1)通过对各钻孔不同试验层段压水试验的压力值p_ai和清水流量Q_ai进行监测，建立压水试验的压力值p_ai与清水流量Q_ai的特征曲线，根据《工程地质手册》可获得各钻孔各层位地层透水率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；

通过下式计算获得各钻孔各层位在不同压水压力下的透水率：

其中，q_ai为透水率，Lu；L为试段长度，m；p_ai为压水试验的压力值，MPa；Q_ai为压水试验的清水流量，L/min。

优选地，通过p_ai-Q_ai曲线计算出每一级压水试验的压力值每一阶段压水试验的透水率，取透水率大于1Lu时的压水试验的压力值作为压水目标值P₁；

4.2)通过对各钻孔不同试验层段高压注浆试验的注浆压力值p_bi和实际浆液流量Q_bi进行监测，建立高压注浆试验的注浆压力值p_bi与实际浆液流量(实际注浆总量)Q_bi的特征曲线，根据《工程地质手册》可获得各钻孔各层位地层透浆率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；

通过下式计算获得各钻孔各层位在不同高压注浆试验的注浆压力值p_bi下的透浆率：

其中，q_bi为透浆率，Lu；L为试段长度，m；p_bi为高压注浆试验的注浆压力值，MPa；Q_bi为高压注浆试验的实际浆液流量，L/min。

优选地，通过p_bi-Q_bi曲线计算出每一级和每一阶段注浆试验的透浆率，取透浆率大于1Lu时的压力值作为注浆压力目标值P₂，曲线p_bi-Q_bi对应P₂处的实际浆液流量为Q₂。

5)求解厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力；

在所述注浆层段注浆时，将所述注浆层段视作均质地层，考虑浆液具有一定的黏度时变性，可获得不同注浆压力目标值P₂下的浆液扩散半径R满足：

其中，R为浆液扩散半径、m；k为受注土层渗透系数、m/h，由室内试验测定；t为浆液扩散所需时间、h，由注浆试验测定；h为采用水柱高度表示注浆压力、m，由注浆试验测定；r₀为注浆管半径、m；n为受注煤岩体有效孔隙率，由室内试验测定；μ_w为水的黏度、mPa·s；μ_s0为浆液初始黏度、mPa·s；α为浆液黏度时变系数；A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数。

6)计算现场高压注浆试验理论注浆总量；

将所述注浆层段的浆液扩散区域等效为圆柱体体积，根据公式(3)计算所获得不同注浆压力下的浆液扩散半径R，按照下式计算该注浆压力、注浆扩散半径R和注浆时间t等参数时的所述注浆层段理论注浆总量Q：

Q＝πR²Hη公式(4)

其中，Q为理论注浆总量、m³；η为注浆层段土体综合孔隙率，砂层取5％～8％；粘土、砂质粘土、粘土层取2％～3％；H为注浆层段的厚度、m；R扩散半径。

7)校核厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力。

将所述步骤6)获得的注浆层段理论注浆总量Q与步骤4)获得的采用对应的注浆压力进行注浆所注实际浆液流量(实际注浆总量)Q₂进行对比分析，若两者误差在±10％之间时，则该厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值满足工程实际需求；实际注浆总量Q₂为步骤4.2)中监测的浆液流量Q_bi。

若两者误差大于±10％时，根据实际浆液流量降低或增大注浆压力，然后按照步骤1)-步骤7)重新校核厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值以致获得满足工程实际需求的注浆参数。

通过注浆总量的校核结果，来修正注浆压力。如实际注浆总量Q₂大于理论注浆总量Q，可以适当降低注浆压力；反之增大注浆压力。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，用于临近既有深立井井筒的厚松散层地面注浆参数的确定。某煤矿风井周边厚松散层钻孔1深度为574.9m，孔径为190mm，套管直径为139.7*6.2mm，套管在厚松散层底部含水层试验层段的长度34.44m(埋深540.46～574.90m)。按本发明所提供的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，依次进行现场压水试验和高压注浆试验，得出部分监测结果如下：

1)现场压水试验时，受注点静水压力p_w为5.75MPa，受注点压水试验的压力值p_ai选择为(5.75+3.0)MPa、(5.75+4.0)MPa、(5.75+5.0)MPa和(5.75+6.0)MPa，压水试验的清水流量Q_ai分别为49.83L/min、122.00L/min、222.33L/min和281.67L/min，最大透水率为1.36Lu，表明厚松散层底部含水层在注水压力达到近两倍静水压力p_w时具有可注性。

2)根据现场压水试验结果，在进行现场高压注浆时，注浆压力选择为2.0～2.5倍静水压力p_w，即受注点压力为11.82～13.92MPa，浆液流量Q_bi可达7.5m³/h，水泥浆液可顺利注入底部含水层。同一注浆段，在压力相同的情况下，注浆流量是压水试验的清水流量的一半左右。

3)根据注浆扩散半径计算公式，可计算得该实施例时注浆扩散半径R计算值为7.74m～8.14m。

4)将所计算的浆液扩散半径带入注浆量计算公式，可得理论注浆总量Q计算值为297m³，实际注浆量为290m³，误差2.36％。

利用本发明计算厚松散层注浆参数能够满足设计要求。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明所述的方法能够科学的确定临近既有深立井井筒的厚松散层地面注浆参数，为揭示厚松散层地面注浆浆液扩散机理及其注浆参数设计与施工提供更可靠的理论和试验依据。对后续揭示厚松散层地面注浆扩散机理具有重要的理论意义，是后续开展煤矿立井井筒地面高压注浆关键技术的基础研究。本发明方法简洁、实用、现场极易操作，具有很强的推广应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)由厚松散层的地面向下钻孔；

2)现场压水试验；

对所述压水试验的试验层段进行现场压水试验之前，测试试验层段的初始水位，并计算试验层段的静水压力值p_w；

然后分别取大于、等于和小于静水压力值p_w的压力设定若干等级的压水试验的压力值，

将所述压水试验的压力值设定n个等级、每个等级压水试验的压力值表示为p_ai、其中i＝1、2、3……n；

根据n个等级压水试验的压力值设定2n-1个压水阶段进行所述压水试验；

n为10-20；

相邻的两个所述压水试验的压力值p_ai之间的压力差为0.2MPa～1MPa；

在所述压水试验时，可根据实际情况适当减少或增加所述压水试验的压力值等级的数量，压水阶段的数量根据所述压水试验的压力值等级数量进行调整；

3)现场高压注浆试验；

4)压水试验与高压注浆试验的监测数据分析；

在步骤4)中，具体包括如下步骤：

4.1)通过对各钻孔不同试验层段压水试验的压力值p_ai和清水流量Q_ai进行监测，建立压水试验的压力值p_ai与清水流量Q_ai的特征曲线，获得各钻孔各层位地层透水率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；

通过下式计算获得各钻孔各层位在不同压水压力下的透水率：

其中，q_ai为透水率，Lu；L为试段长度，m；p_ai为压水试验的压力值，MPa；Q_ai为压水试验的清水流量，L/min；

通过p_ai-Q_ai曲线计算出每一级压水试验的压力值和每一阶段压水试验的透水率，取透水率大于1Lu时的压水试验的压力值作为压水目标值P₁；

4.2)通过对各钻孔不同试验层段高压注浆试验的注浆压力值p_bi和实际浆液流量Q_bi进行监测，建立高压注浆试验的注浆压力值p_bi与实际浆液流量Q_bi的特征曲线，获得各钻孔各层位地层透浆率与深度、单位吸水量与压水压力的关系；

通过下式计算获得各钻孔各层位在不同高压注浆试验的注浆压力值p_bi下的透浆率：

其中，q_bi为透浆率，Lu；L为试段长度，m；p_bi为高压注浆试验的注浆压力值，MPa；Q_bi为高压注浆试验的实际浆液流量，L/min；

通过p_bi-Q_bi曲线计算出每一级和每一阶段注浆试验的透浆率，取透浆率大于1Lu时的压力值作为注浆压力目标值P₂，曲线p_bi-Q_bi对应P₂处的实际浆液流量为Q₂；

5)求解厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力；

6)计算现场高压注浆试验理论注浆总量；

7)校核厚松散层地面注浆的扩散半径及注浆压力。

2.根据权利要求1所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，

所述钻孔的底端到达位于厚松散层底部的底部含水层，所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间具有距离。

3.根据权利要求2所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，

所述钻孔的底端与风化基岩的顶面之间的距离为h：4m<h<10m。

4.根据权利要求1所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，

所述钻孔在厚松散层内以粘土层作为控制层段，所述钻孔在厚松散层内以砂层和砂层-粘土层互层作为注浆层段；

压水试验和高压注浆试验的试验层段为所述注浆层段；

钻孔结束后，在现场压水试验和现场高压注浆试验前，对所述钻孔的所述注浆层段进行洗井，在所述注浆层段的位置处放置滤管，在所述控制层段的位置处放置实套管。

5.根据权利要求4所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，

采用清水进行洗井，洗井时间t>12小时。

6.根据权利要求1所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，步骤2)中，

所述压水试验时，将所述压水试验的压力值调整到p_ai并保持稳定，开始进行所述压水试验的压力值和流量观测；

所述压水试验的压力值p_ai和对应流量Q_ai的观测时间间隔为2～10min，当压水试验的压力值保持不变，流量Q_ai无持续增大趋势，且五次流量Q_ai读数中的最大值与最小值之差小于最终值的10％，或流量Q_ai的最大值与最小值之差小于1L/min时，本阶段试验即可结束，取最终值作为计算值p_ai和Q_ai，压水试验结束后，按照压水阶段的压水试验顺序，重复该试验过程，直至完成压水试验。

7.根据权利要求1所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，步骤3)中，

将所述高压注浆试验的注浆压力值设定m个等级、每个等级高压注浆试验的注浆压力值表示为p_bi、其中i＝1、2、3……m，高压注浆试验的注浆压力值p_bi均为静水压力值p_w的倍数；

根据m个等级高压注浆试验的注浆压力值设定多个注浆阶段进行所述高压注浆试验，注浆阶段分别为：

p_w→1.2p_w→1.4p_w→1.6p_w→1.8p_w→2p_w→2.2p_w→2.4p_w→2.6p_w→2.8p_w→3p_w→…(0.8+0.2m)p_w→…→3p→…p_w，按上述注浆阶段的顺序依次进行所述高压注浆试验；

所述高压注浆试验，在每一阶段高压注浆前均进行洗井。

8.根据权利要求7所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，步骤3)中，

m为10-20。

9.根据权利要求7所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，步骤3)中，

在现场高压注浆试验时，可根据实际情况适当减少或增加注浆压力等级的数量，注浆阶段的数量根据注浆压力等级的数量进行调整。

10.根据权利要求1所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，步骤5)中，

在所述注浆层段注浆时，将所述注浆层段视作均质地层，可获得不同注浆压力目标值P₂下的浆液扩散半径R满足：

其中，R为浆液扩散半径、m；k为受注土层渗透系数、m/h，由室内试验测定；t为浆液扩散所需时间、h，由注浆试验测定；h为采用水柱高度表示注浆压力、m，由注浆试验测定；r₀为注浆管半径、m；n为受注煤岩体有效孔隙率，由室内试验测定；μ_w为水的黏度、mPa·s；μ_s0为浆液初始黏度、mPa·s；α为浆液黏度时变系数；A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数。

11.根据权利要求10所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤6)中，

将所述注浆层段的浆液扩散区域等效为圆柱体体积，根据公式(3)计算所获得不同注浆压力下的浆液扩散半径R，按照下式计算该注浆压力、注浆扩散半径R和注浆时间t等参数时的所述注浆层段理论注浆总量Q：

Q＝πR²Hη 公式(4)

其中，Q为理论注浆总量、m³；η为注浆层段土体综合孔隙率，砂层取5％～8％；粘土、砂质粘土、粘土层取2％～3％；H为注浆层段的厚度、m；R扩散半径。

12.根据权利要求11所述的厚松散层地面高压注浆压力及注浆扩散半径的确定方法，其特征在于，所述步骤7)中，

将所述步骤6)获得的注浆层段理论注浆总量Q与步骤4)获得的采用对应的注浆压力进行注浆所注实际浆液流量Q₂进行对比分析，若两者误差在±10％之间时，则该厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值满足工程实际需求；

若两者误差大于±10％时，根据实际浆液流量降低或增大注浆压力，然后按照步骤1)-步骤7)重新校核厚松散层地面注浆扩散半径及注浆压力的确定值以致获得满足工程实际需求的注浆参数。

Images