CN112855072A - 利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法 - Google Patents

利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于地下工程封堵技术领域，具体公开一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法，该装置采用微生物干粉经活化后诱导其生成具有胶结性质的碳酸钙沉积以封堵岩层裂隙，控制裂隙水的流动并增强围岩稳定性，由环形止水帷幕封堵及关键孔注浆封堵组成，环形止水帷幕呈圆形均匀分布在关键孔外围，通过向环形注浆孔中注入水泥—水玻璃浆液降低裂隙水的流速及流量，并进行厘米级围岩裂隙的初级封堵；关键孔注浆封堵采用粗骨料+微生物诱导的碳酸钙沉淀对围岩裂隙中的毫米级裂隙实施二级封堵，采用微生物干粉经活化后诱导碳酸钙沉淀封堵围岩中的微米级裂隙进而实施三级封堵，逐级加强了围岩裂隙的封堵效果以及围岩的固化效果。

Description

利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法
技术领域
本发明属于地下工程封堵技术领域，尤其涉及一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法。
背景技术
我国地域辽阔、地质条件复杂，在地下工程施工过程中多遇富水岩溶裂隙、导水断层破碎等不良地质条件，而这些不良地质条件是造成突涌水灾害的根本原因。地下工程中突涌水是一种常见的施工灾害，轻则造成工期延误，重则造成人员伤亡，导致严重的经济损失。
巷道施工过程中，为了解决由于裂隙水引起的突涌水灾害，目前的主要治理方式为注浆封堵，按注浆材料性质可划分为：水泥基浆注浆和化学浆液注浆，水泥基浆注浆主要采用水泥浆注浆、水泥—水玻璃注浆，但由于其粘度较大，在微小裂隙中难以流动，故封堵效果较差；化学浆液注浆主要采用聚氨酯注浆、脲醛树脂浆液等，会对地下水造成污染、危害环境。近年来，利用微生物进行围岩结构的改善逐渐得到重视。微生物由于其具有流动性好、渗透性强、粘度低、无污染、固化半径大、对围岩中微小裂隙的封堵效果良好等特性广受欢迎。在注浆方式上，注浆封堵主要采取单一钻孔注浆封堵，对于大流量以及大范围裂隙水的封堵效果较差。
为了改善钻孔壁围岩松软的特性，对钻孔壁围岩周围裂隙进行封堵固化，“一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法”（CN 106837237 B）采用巴氏生孢八叠球菌诱导其在钻孔周围软弱煤岩层孔隙、裂隙中生成碳酸钙结晶，进而改善钻孔壁围岩松软特性。然而此方法主要用于封堵钻孔周边裂隙，不适用于多尺度裂隙中裂隙水的封堵，大尺度裂隙中裂隙水流速高，不适宜微生物成矿，对于裂隙水的封堵效果较差。“基岩裂隙发育富含地下水抗浮锚杆水下注浆的施工方法”（CN 107630452 A）采用注浆封堵对基岩裂隙发育的地下水进行封堵。然而此方法采用的单一钻孔进行注浆封堵，封堵范围小，由于浆液的颗粒粒径大、浆液粘度高，不能有效封堵小尺度、微观尺度裂隙。而且不适用于大流量裂隙水的封堵。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置及方法，利用微生物干粉经活化后诱导碳酸钙沉淀，采用环形止水帷幕封堵和关键注浆孔注浆封堵实施三级封堵，实现围岩裂隙水的有效封堵及围岩的固化，减少地下工程施工过程中的突涌水灾害。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，包括设置于关键注浆孔内的封堵组件一和分别设置于环形止水帷幕止水钻孔内的封堵组件二，所述环形止水帷幕包括以关键注浆孔为圆心、以0.8—1.5m距离为半径呈均匀辐射状设置的六个环形止水钻孔，所述封堵组件一包括位于关键注浆孔中心的锚杆，位于锚杆端部关键注浆孔孔口处的第一钻孔封堵塞，所述钻孔封堵塞上设有注浆管道一通道和注菌液管道三通道，所述注浆管道一和注菌液管道三分别通过通道向里延伸至关键注浆孔底部，所述封堵组件二包括位于每个止水钻孔端部的第二钻孔封堵塞，第二钻孔封堵塞上设有注浆管道二，注浆管道二通过注浆管道二向内延伸至止水钻孔底部。
进一步的，所述第一钻孔封堵塞上还设有一个返浆管，返浆管底部穿透第一钻孔封堵塞本体。
进一步的，所述注浆管道一伸出第一钻孔封堵塞的端部设有两个分支管道，分别为支路一和支路二，所述支路一和支路二端部分别与液压式双联泵固定连接，所述支路一和支路二上分别设有流量计和闸阀。
进一步的，所述注菌液管道三伸出第一钻孔封堵塞的端部管道上设有泥浆泵和溢流阀。
进一步的，所述注浆管道二伸出第二钻孔封堵塞的端部管道上也设有泥浆泵和溢流阀。
一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置进行封堵的方法，包括以下步骤：
（1）通过泥浆泵将水泥和水玻璃的混合物通过注浆管道二注入环形止水帷幕止水钻孔内进行封堵，将厘米级围岩裂隙进行初级封堵；
（2）采用粗骨料+微生物诱导的碳酸钙沉淀对围岩裂隙中的毫米级裂隙实施二级封堵；
（3）采用经活化后的微生物干粉进行碳酸钙的诱导沉淀，以封堵围岩中的微米级裂隙进而实施三级封堵。
进一步的，所述步骤（1）的具体操作包括以下步骤：
a.使用钻机进行钻孔，孔径为90mm，钻至围岩塑性区以内，比如五米时进行停钻、退钻，在钻孔内设置锚杆；
b.采用第二钻孔封堵塞封堵止水钻孔，封孔时预设一条注浆管道二；
c.开启泥浆泵，进行注浆操作，向止水钻孔内注入水泥—水玻璃浆液；
d.设置注浆终压为3MPa，当注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆；
e.重复以上操作步骤，使其共实现六次钻孔，并使钻孔的孔间距为1.0m，呈圆形均匀分布在关键注浆孔的四周。
进一步的，所述水泥—水玻璃浆液采用传统配比方案，所述水泥浆与水玻璃体积比1：0.5；水泥浆水灰比1：1；水玻璃浓度Be'=35；水玻璃模数M=2.8。
进一步的，所述步骤（3）的具体操作包括以下步骤：
a.使用钻机进行关键注浆孔钻孔，孔径为110mm，钻至围岩塑性区以内，比如五米时进行停钻、退钻操作，在关键注浆孔内设置锚杆；
b.采用第一钻孔封堵塞封堵注浆孔钻孔，并在封孔时预设一条注浆管道一和注菌液管道三；
c.将微生物巴氏生孢八叠球菌干粉兑水进行活化制成浓度OD600为2.0的菌液，并在30℃的温室内放置12小时；
d.向菌液及粗骨料的固液两相混合物中加入煤粉，使其混合至悬浮液通过泥浆泵注入至关键注浆孔内，其容积比为菌液：粗骨料：煤粉为10：1：2；
e.开启液压式双联泵，通过控制支路一闸阀通入CaCl2溶液，5—10小时后，关闭泥浆泵，控制闸阀通过支路二通入尿素溶液5小时，使尿素与CaCl2溶液混合成为胶凝液进行封堵；
f.开启返浆管闸阀，使废液流出，重复步骤e—f，直至关键注浆孔注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆即可。
进一步的，所述粗骨料为石英砂或河沙，岩体裂隙开度为1—3mm时，粗骨料粒径为14目占16%—20%，18目占25%—30%，20目占40%—60%；岩体裂隙开度大于3mm时，粗骨料粒径为12目占10%—15%，14目占20%—25%，18目占25%—30%，20目占35%—40%；所述固定液为CaCl2溶液，浓度为0.3mol/L；所述胶凝液为CaCl2和尿素的混合液，所述CaCl2溶液与尿素溶液浓度相同，为0.3mol/L，体积比为1:1；所述菌液、CaCl2、尿素溶液的流量应为1—25L/min。
本发明具有的优点是：
1.本发明采用微生物诱导碳酸钙沉淀，微生物菌液及胶结液粘度低、流动性好、渗透性强、固化半径大，对围岩中微小裂隙的封堵效果良好，且当岩层岩性为碳酸岩时，其围岩内富含Ca2+的岩石水可以提高碳酸钙的絮凝效果；利用离子膜将岩层水中Ca2+的浓度提升至1mol/L，以此增强微生物的沉淀效果；
2.本发明采用微生物干粉活化处理后诱导碳酸钙沉淀的生成，进行微小裂隙的封堵，方便现场应用，降低微生物培养成本，采用菌液及固定液和胶凝液同时注入的方式，与逐层分步注入微生物—固定液—胶凝液的方式相比：本发明显著缩短了微生物的固定及絮凝时长，为后者时长的0.42倍；本发明显著提高了微生物的暴露面积，为后者的6.3倍；
3.本发明利用环形帷幕进行厘米级围岩裂隙的封堵，采用粗骨料进行毫米级裂隙的封堵，而后由微生物诱导碳酸钙沉淀进行微米级裂隙的封堵，逐级增强围岩裂隙的封堵效果；
4.本发明添加的粗骨料可在较大裂隙内留存，堵塞导水通道，减缓水流，同时也为微生物的附着絮凝提供场所，显著提高了微生物的暴露面积，为连续逐级注入微生物暴露面积的6.3倍；
5.本发明在微生物诱导碳酸钙的沉淀过程中可通过离子膜增加围岩内岩石水中钙离子的浓度，以增强碳酸钙的絮凝作用；
6.本发明采用菌液及固定液和胶凝液同时注入的方式，显著缩短了微生物的固定及絮凝时长，为连续逐级注入微生物—固定液—胶凝液时长的0.42倍；
7.本发明采用环形止水帷幕封堵及粗骨料相结合，提高了菌液及浆液的留存率，加强了围岩裂隙的封堵效果及固化效果。
附图说明
图1为本发明的系统装置示意图；
图2为关键注浆孔注浆封堵结构外围装置示意图；
图3环形止水帷幕封堵结构外围装置示意图；
图4为关键注浆孔及环形帷幕相对位置示意图。
1、围岩结构；2、围岩裂隙；3、关键注浆孔；4、止水钻孔；5、锚杆；6.第一钻孔封堵塞；7.注浆管道二；8.注浆管道一；9.注菌液管道三；10.返浆管；11.压力表；12.泥浆泵；13.溢流阀；14.流量计；15.第二钻孔封堵塞；16.闸阀；17.液压式双联泵。
具体实施方式
如图所示，一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，包括设置于关键注浆孔3内的封堵组件一和分别设置于环形止水帷幕止水钻孔4内的封堵组件二，所述环形止水帷幕包括以关键注浆孔3为圆心、以0.8—1.5m距离为半径呈均匀辐射状设置的六个环形止水钻孔4，所述封堵组件一包括位于关键注浆孔3中心的锚杆5，位于锚杆5端部关键注浆孔3孔口处的第一钻孔封堵塞6，所述第一钻孔封堵塞6上设有注浆管道一8通道和注菌液管道三9通道，所述注浆管道一8和注菌液管道三9分别通过通道向里延伸至关键注浆孔3底部，所述封堵组件二包括位于每个止水钻孔4端部的第二钻孔封堵塞15，第二钻孔封堵塞15上设有注浆管道二7通道，注浆管道二7通过注浆管道二向内延伸至止水钻孔底部，所述第一钻孔封堵塞6上还设有一个返浆管10，返浆管10底部穿透第一钻孔封堵塞6本体；所述注浆管道一8伸出第一钻孔封堵塞6的端部设有两个分支管道，分别为支路一和支路二，所述支路一和支路二端部分别与液压式双联泵17固定连接，所述支路一和支路二上分别设有流量计14和闸阀15；所述注菌液管道三9伸出第一钻孔封堵塞6的端部管道上设有泥浆泵12和溢流阀13；所述注浆管道二7伸出第二钻孔封堵塞1的端部管道上也设有泥浆泵12和溢流阀13，本装置通过关键注浆孔3封堵和环形止水帷幕4封堵相结合进行裂隙水的封堵及围岩的固化；
所述环形止水帷幕封堵由六个止水钻孔组成，孔间距为1.0m，孔径为90mm，呈圆形均匀分布在关键注浆孔四周；所述环形止水帷幕封堵通过木塞封堵锚杆5孔口，在封口时预设注浆管道二7用于通入水泥—水玻璃进行注浆封堵，并由泥浆泵18将其压出；开启返浆管10的闸阀，使废液流出，防止造成原生裂隙扩展；本装置每管道设置一溢流阀13，设置注浆终压为3MPa，当注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆。
所述关键注浆孔3封堵包括锚杆5孔口，在采用木塞封堵孔口时预设两条管道；所述注菌液管道三9用于注入菌液与粗骨料的固液两相混合物，所述注浆管道一8用于通入浓度为0.3mol/L的CaCl2溶液与0.3mol/L的尿素溶液混合生成的固定液和胶凝液；注浆管道一8连接两条支管，一条支管用于通入0.3mol/L的CaCl2溶液，另一条支管用于通入0.3mol/L的尿素溶液，当需要通入固定液时，胶凝液管道闸阀16处于关闭状态，支管中单独输入0.3mol/L的CaCl2溶液，即为固定液；当需要输入胶凝液时，两个支管闸阀皆处于打开状态，支管通入0.3mol/L的CaCl2溶液的同时另一支管通入0.3mol/L的尿素溶液，在注浆管道一8中两种溶液充分混合即为胶凝液。
所述关键注浆孔注浆封堵中，第一步需要通入菌液及粗骨料的固液两相混合物、固定液，此时需要打开闸阀16并开启泥浆泵12及液压式双联泵17；第二步需要间歇性通入胶凝液，此时打开闸阀17，关闭泥浆泵12，重复多次间歇式分层封堵即可实现关键注浆孔的封堵，间隙时长为5—10个小时，注入时间为5小时，设置注浆终压为3MPa，当注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆。
一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置进行封堵的方法，包括以下步骤：
（1）通过泥浆泵将水泥和水玻璃的混合物通过注浆管道二注入环形止水帷幕止水钻孔内进行封堵，将厘米级围岩裂隙进行初级封堵；
（2）采用粗骨料+微生物诱导的碳酸钙沉淀对围岩裂隙中的毫米级裂隙实施二级封堵；
（3）采用经活化后的微生物干粉进行碳酸钙的诱导沉淀，以封堵围岩中的微米级裂隙进而实施三级封堵。
所述环形帷幕封堵包括以下步骤：
a.使用钻机进行钻孔，孔径为90mm，钻至围岩塑性区以内，比如五米时进行停钻、退钻，在钻孔内设置锚杆；
b.采用第二钻孔封堵塞封堵止水钻孔，封孔时预设一条注浆管道二；
c.开启泥浆泵，进行注浆操作，向止水钻孔内注入水泥—水玻璃浆液；
d.设置注浆终压为3MPa，当注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆；
e.重复以上操作步骤，使其共实现六次钻孔，并使钻孔的孔间距为1m，呈圆形均匀分布在关键注浆孔的四周。
所述关键注浆孔封堵包括以下步骤：
a.使用钻机进行关键注浆孔钻孔，孔径为110mm，钻至围岩塑性区以内，比如五米时进行停钻、退钻操作，在关键注浆孔内设置锚杆；
b.采用第一钻孔封堵塞封堵注浆孔钻孔，并在封孔时预设一条注浆管道一和注菌液管道三；
c.将微生物巴氏生孢八叠球菌干粉兑水进行活化制成浓度OD600为2.0的菌液，并在30℃的温室内放置12小时；
d.向菌液及粗骨料的固液两相混合物中加入煤粉，使其混合至悬浮液通过泥浆泵注入至关键注浆孔内，其容积比为菌液：粗骨料：煤粉为10：1：2；
e.开启液压式双联泵，通过控制支路一闸阀通入CaCl2溶液，5—10小时后，关闭泥浆泵，控制闸阀通过支路二通入尿素溶液5小时，使尿素与CaCl2溶液混合成为胶凝液进行封堵；
f.开启返浆管闸阀，使废液流出，重复步骤e—f，直至关键注浆孔注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆即可。

Claims (10)

1.一种利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，其特征在于：包括设置于关键注浆孔内的封堵组件一和分别设置于环形止水帷幕钻孔内的封堵组件二，所述环形止水帷幕包括以关键注浆孔为圆心、以0.8—1.5m距离为半径呈均匀辐射状设置的六个环形止水钻孔，所述封堵组件一包括位于关键注浆孔中心的锚杆，位于锚杆端部关键注浆孔孔口处的第一钻孔封堵塞，所述钻孔封堵塞上设有注浆管道一通道和注菌液管道三通道，所述注浆管道一和注菌液管道三分别通过通道向里延伸至关键注浆孔底部，所述封堵组件二包括位于每个止水钻孔端部的第二钻孔封堵塞，第二钻孔封堵塞上设有注浆管道二，注浆管道二通过注浆管道二向内延伸至止水钻孔底部。
2.如权利要求1所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，其特征在于：所述第一钻孔封堵塞上还设有一个返浆管，返浆管底部穿透第一钻孔封堵塞本体。
3.如权利要求2所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，其特征在于：所述注浆管道一伸出第一钻孔封堵塞的端部设有两个分支管道，分别为支路一和支路二，所述支路一和支路二端部分别与液压式双联泵固定连接，所述支路一和支路二上分别设有流量计和闸阀。
4.如权利要求3所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，其特征在于：所述注菌液管道三伸出第一钻孔封堵塞的端部管道上设有泥浆泵和溢流阀。
5.如权利要求4所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置，其特征在于：所述注浆管道二伸出第二钻孔封堵塞的端部管道上也设有泥浆泵和溢流阀。
6.如权利要求1-5任一所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的装置进行封堵的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过泥浆泵将水泥和水玻璃的混合物通过注浆管道二注入环形止水帷幕止水钻孔内进行封堵，将厘米级围岩裂隙进行初级封堵；
（2）采用粗骨料+微生物诱导的碳酸钙沉淀对围岩裂隙中的毫米级裂隙实施二级封堵；
（3）采用经活化后的微生物干粉进行碳酸钙的诱导沉淀，以封堵围岩中的微米级裂隙进而实施三级封堵。
7.如权利要求6所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体操作包括以下步骤：
a.使用钻机进行钻孔，孔径为90mm，钻至围岩塑性区以内，进行停钻、退钻，在钻孔内设置锚杆；
b.采用第二钻孔封堵塞封堵止水钻孔，封孔时预设一条注浆管道二；
c.开启泥浆泵，进行注浆操作，向止水钻孔内注入水泥—水玻璃浆液；
d.设置注浆终压为3MPa，当注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆；
e.重复以上操作步骤，使其共实现六次钻孔，并使钻孔的孔间距为1.0m，呈圆形均匀分布在关键注浆孔的四周。
8.如权利要求6所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体操作包括以下步骤：
a.使用钻机进行关键注浆孔钻孔，孔径为110mm，钻至围岩塑性区以内，进行停钻、退钻操作，在关键注浆孔内设置锚杆；
b.采用第一钻孔封堵塞封堵注浆孔钻孔，并在封孔时预设一条注浆管道一和一条注菌液管道三；
c.将微生物巴氏生孢八叠球菌干粉兑水进行活化制成浓度OD600为2.0的菌液，并在30℃的温室内放置12小时；
d.向菌液及粗骨料的固液两相混合物中加入煤粉，使其混合至悬浮液通过泥浆泵注入至关键注浆孔内，其容积比为菌液：粗骨料：煤粉为10：1：2；
e.开启液压式双联泵，通过控制支路一闸阀通入固定液CaCl2溶液，5—10小时后，关闭泥浆泵，控制闸阀通过支路二通入尿素溶液5小时，使尿素与CaCl2溶液混合成为胶凝液进行封堵；
f.开启返浆管闸阀，使废液流出，重复步骤e—f，直至关键注浆孔注浆压力达到3MPa，或溢流阀出现跑浆现象时，停止注浆即可。
9.如权利要求7所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的方法，其特征在于：所述水泥浆与水玻璃体积比1：0.5；水泥浆水灰比1：1；水玻璃浓度Be'为35；水玻璃模数M为2.8。
10.如权利要求8所述的利用浆液及微生物矿化多级封堵围岩裂隙水的方法，其特征在于：所述粗骨料为石英砂或河沙，岩体裂隙开度为1—3mm时，粗骨料粒径为14目占16%—20%，18目占25%—30%，20目占40%—60%；岩体裂隙开度大于3mm时，粗骨料粒径为12目占10%—15%，14目占20%—25%，18目占25%—30%，20目占35%—40%，所述固定液CaCl2溶液的浓度为0.3mol/L；所述胶凝液为CaCl2和尿素的混合液，所述CaCl2溶液与尿素溶液浓度均为0.3mol/L，体积比为1:1；所述菌液、CaCl2、尿素溶液的流量为1—25L/min。
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