CN112879045B - 一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法。为解决现有矿山深埋含水层帷幕建造中存在的裂隙揭露率低造成截水率低、检查钻孔的检查范围小且不够灵活、有效钻探工程量占比低的问题。本发明采用的方法步骤包括：1)在帷幕线上布置有内外定向孔组，钻孔注浆套管进入到目标含水层顶部坚硬隔水层中，定向孔组的分支孔沿帷幕轴线方向顺目标含水层分段钻进；2)帷幕建造的注浆方法；3)当所有定向孔组注浆结束后，检查钻孔交叉检验注浆效果；4)根据分支孔揭露含水层问题，以及检查钻孔对帷幕质量检验结果，有针对性地布置垂直取芯孔，进行取芯验证；5)地孔瞬变电磁法探查帷幕薄弱段；6)利用分支孔按步骤2)的方法对帷幕薄弱段进行补充注浆加固。
Description
技术领域
本发明属于矿山帷幕截流工程技术领域，特别涉及一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法。
背景技术
对地下水丰富的矿山，为确保矿井安全生产，需要疏排地下水，但排水费用很高，企业负担重，同时造成水资源浪费和生态环境破坏。为此，上世纪60年代我国矿山防治水工作者借鉴水电大坝灌浆经验研发出矿山帷幕注浆堵水技术，即通过在含水层中建造截流帷幕截断地下水径流路径，将补给水源挡在帷幕外，再对帷幕内含水层水进行疏放，减小疏放水量和降低排水费用的同时在一定程度上保护了地下水资源和生态环境，实现了矿山安全绿色开采。经过近50年实践、发展，我国矿区帷幕注浆堵水技术已步入实用阶段，处于世界领先水平，可以说，帷幕注浆堵水技术势必成为大水矿山防治水的主要技术之一。
目前深埋含水层中帷幕建造的方法是在地面布置单排或两排帷幕注浆钻孔，钻孔为垂直孔，通过钻孔注浆封堵裂隙形成帷幕。目前这种帷幕建造方法的缺点是：1)由于含水层溶隙裂隙发育具有不均一性，采用垂直孔探查溶隙裂隙会存在间断和遗漏，尤其是对垂向溶隙裂隙的揭露率低，造成截水率低，现有帷幕工程截流率均小于80％；2)垂直孔孔间距小，注浆过程中窜浆频繁；3)检查钻孔只能对某一点进行检查，检查范围小且不够灵活机动；4)对帷幕薄弱段的探查是在帷幕建造完成后通过疏放水分析地下水流场来查找薄弱段，不够精细和超前。
发明内容
本发明提供一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法，解决现有矿山深埋含水层帷幕建造中存在的裂隙揭露率低造成截水率低、检查钻孔的检查范围小且不够灵活机动、有效钻探工程量占比低的问题。
为达到本发明的目的，本发明提供的技术方案为：一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层的帷幕建造的方法，依次包括下述步骤：
1)在帷幕线上布置有内定向孔组和外定向孔组，内定向孔组和外定向孔组相距15-20m，钻孔注浆套管进入到目标含水层顶部坚硬隔水层中，定向孔组的分支孔沿帷幕轴线方向顺目标含水层分段钻进；
2)帷幕建造的注浆方法
(1)注浆材料采用水泥单液浆，比重1.4～1.7；
(2)注浆结束标准：注浆孔口终压为5～8MPa，注浆终止流量40-60L/min，稳压时间20-30min；
(3)注浆方式，包括前进式控压注浆法和多回次控量注浆：
①钻进过程中钻井液消耗量小于5m3/h，单次钻进30-50m注浆，采用前进式控压注浆法；
②钻进过程中钻井液消耗量大于5m3/h，继续钻进5～15m起钻注浆，一次注浆达到注浆结束标准时停止，若一次达不到终压，采用多回次控量注浆法，直至达到注浆结束标准；
所述多回次控量注浆法中，回次极限注浆量采用公式Qi＝kiLηπr2/m计算，其中
式中：Qi是第i回次极限注浆量，m3；ki是回次透水率比值；qi是第i回次的透水率，Lu；L是注浆段长，m；η是岩溶率；r是浆液扩散控制半径，m；m是浆液结实率，取80％-98％；
所述多回次控量注浆法中，回次之间候凝48～72h；
3)当所有定向孔组注浆结束后，内定向孔组和外定向孔组分别向对面施工检查钻孔，交叉设置并自上而下延伸到对排的帷幕边界外侧目标含水层底部10～15m，进行分段压水试验检查注浆效果，透水率小于1Lu则继续钻进或者封孔，大于1Lu则进行补充加固注浆，注浆同步骤3，补充注浆后透水率小于1Lu，继续钻进或者封孔；
4)根据分支孔揭露含水层的漏失严重程度、异常掉块和塌孔，以及检查钻孔对帷幕质量检验结果，有针对性地布置垂直取芯孔，进行取芯验证；
5)地孔瞬变电磁法探查帷幕薄弱段：
(1)在取芯孔周围布置不接地回线并与发射设备相连组成发射系统；
(2)在取芯孔内放置接收探头，接收探头与接收设备相连，组成接收系统；
(3)给不接地回线供入直流电，建立稳定的人工磁场；
(4)截断不接地回线内的电流，利用接收探头采集测点的三分量数据并进行多测道成图、电流环反演计算，电磁响应异常的区域即为帷幕薄弱段；
6)利用分支孔按步骤2)的方法对帷幕薄弱段进行补充注浆加固。
步骤1)中，帷幕线长度小于目标含水层埋深M的，内定向孔组和外定向孔组各设置1个。
上述帷幕线长度大于目标含水层埋深M的，每M米布置1对内定向孔组和外定向孔组，超出部分增设一个定向孔组，两个相邻定向孔组的分支孔重合搭接长度为30-50m。
上述内定向孔组和外定向孔组的分支孔垂向上每15-20m平行布置一个，定向孔组包括多个分支孔时，内定向孔组和外定向孔组的分支孔在与帷幕垂直的垂向投影上是错位且等距的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.钻孔网格状交错，充分揭露和充填溶隙裂隙
在帷幕横向上，同排定向孔组的分支孔之间搭接，两排定向孔组的分支孔错位，形成网格状注浆阻水段，完成帷幕主体建造；然后通过交叉检查钻孔对帷幕进行贯穿式的检查和补充注浆，尤其对两排定向孔组之间的含水层进行加固，使帷幕在横向上和垂向上连接搭；
2.对垂向裂隙的揭露率高，封堵效果好
钻孔顺目标含水层钻进，百分之百揭露垂向裂隙，浆液沿裂隙扩散，直接封堵裂隙而不是通过渗透扩散的方式封堵裂隙，能够充分封堵垂向的裂隙，提高截流率；
3.多次重复注浆，质量有保障
定向孔组分支孔顺目标含水层钻进，每个分支孔钻进距离长要比常规的垂直孔长，通过分段注浆的方式，能连续多回次在目标含水层中钻进注浆，后续钻进中能不断对前序注浆段的注浆效果进行检查并补充注浆，比起垂直孔检查及补充注浆次数多，帷幕质量更有保障；
4.减少窜浆
定向孔组之间有数百米的距离，距离远大于直孔，工程前期不会发生窜浆现象，大大加快了工程进度，减少了工程组织难度；
5.定向孔组之间交叉检验，检查范围广且灵活机动
利用原有定向孔组增加分支孔作为检查钻孔进行质量检查，检查钻孔有效工程量比例达到百分之百。常规的双排垂直孔帷幕，两排钻孔之间可能存在浆液未扩散到、未达接好的渗水间隙，直孔检查常常不能精确探明这些渗水间隙。检查钻孔采用定向钻进，可以专门针对钻井液漏失量大的区域、发生掉钻或掉块等钻探异常区域和注浆量大的区域设计检查钻孔，检查范围广且在空间上灵活机动，可以实现高效精准检查；
6.利用地孔瞬变电磁法地面侧向激发，孔内接收的方式，近距离精准探查帷幕薄弱段，在疏放水之前封堵薄弱段，提高截流率。
附图说明：
图1是某煤矿五含帷幕工程平面示意图；
图2是帷幕钻孔布置平面示意图；
图3是图2的A-A'方向剖面投影示意图；
图4是图2的B-B'方向剖面投影示意图；
图5是不接地回线布置平面图；
图6是电磁响应曲线；
图7是帷幕薄弱段的空间位置图；
图中标记为：1-二叠系8煤；2-五含边界；3-帷幕；4-孔口；5-套管；6-内排分支孔；7-外排分支孔；8-检查钻孔；9-搭接区域；10-取芯孔；11-不接地回线；12-电磁响应曲线低阻区；13-薄弱段。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
工程概况：参见图1，安徽省某煤矿主采二叠系8煤1，井田北侧88采区处于向斜扬起端，该区分布一层主要由灰岩砾石、角砾组成的巨厚极强富水含水层(俗称五含)，埋深220-530m，厚度60-80m，岩溶率8％～13％，在井田内五含边界2圈定的面积为2.8km2。向斜扬起处五含端覆盖在奥陶系灰岩强富水含水层之上，奥陶系灰岩水动储量大，直接大量补给五含，五含下压煤1800万吨。采掘生产过程中，受人为扰动影响，五含水和参与补给的奥灰水可通过各类导水通道进入矿井造成水害，例如2015年1月30日工作面发生了7人死亡的五含溃水溃砂事故，造成重大损失。五含水已严重威胁下伏煤炭的安全开采，经计算如果采用直接疏放的方法，疏放水量不小于2000m3/h，超出了矿井排水能力，而且不能保证疏放完全，五含水害问题亟需解决。为了保障88采区煤炭资源安全开采，经反复研究论证，最终制定了在二叠系8煤1和奥陶系灰岩之间的五含中建造一道帷幕3，截断奥陶系灰岩水补给路径，然后对帷幕内五含水进行疏干的治水方案。
一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层的帷幕建造的方法，包括如下步骤：
1)综合考虑地形、补给水源、地下水径流方向和矿井采掘系统的空间关系，布置一条帷幕3，其平面位置在二叠系8煤1和奥陶系灰岩之间，与8煤露头线的平面距离是100m，帷幕建造在五含中，为落底式帷幕，将矿井采掘面与补给水源隔开，帷幕平面布置参加图1，帷幕长3.2km。
在帷幕线上平行布置内定向孔组和外定向孔组，帷幕线长度为3200米，大于目标含水层平均埋深，因此两排均为10个孔口4，参见图2，排距20m，内排分支孔6和外排分支孔7平行于帷幕线布置。
参加图3，以内定向孔组为例，套管5通过孔口4进入到五含顶部坚硬隔水层中，内排分支孔6顺五含钻进，垂向上均为每20m平行布置一个；相邻两个定向孔组的分支孔钻探方向可以是对向的，也可以是沿该排轴线同向设置的，两个定向孔组之间重合搭接区域9的长度为50m。
外排分支孔的布置方式与内排分支孔相同，特别的是外排分支孔7和内排分支孔6在与帷幕垂直的垂向投影上是错位且等距布置的(参见图4)。
相邻内定向孔组和外定向孔组同时钻进和注浆。
对于每个定向孔组，按由上至下的顺序施工分支孔。
每个分支孔分段钻进和注浆。
2)帷幕建造的注浆方法
(1)注浆材料采用水泥单液浆，比重1.4～1.7。
(2)注浆结束标准：注浆终压为5MPa，注浆终止流量40-60L/min，稳压时间20-30min。
(3)注浆方式，包括前进式控压注浆法和多回次控量注浆：
①钻进过程中钻井液消耗量小于5m3/h，单次钻进50m注浆，采用孔口封闭止浆前进式注浆法对五含进行注浆，注浆终压为5MPa，注浆终止流量52L/min，稳压时间30min。
注浆前先进行压水试验，计算透水率；然后注入比重1.4的水泥浆液，注浆24h或压力升至4MPa并稳定30min时，调整比重为1.5；继续注浆24h或压力升至4.5MPa并稳定30min时，调整比重为1.6；继续注浆24h或压力升至5MPa并稳定30min时，逐渐减小逐渐流量，直至达到结束标准。
②钻进过程中钻井液消耗量大于5m3/h，继续钻进10m起钻注浆。按照①的方法一次注浆达到注浆结束标准时停止，若一次达不到终压，采用多回次控量注浆法，直至达到注浆结束标准。
所述多回次控量注浆法中，回次极限注浆量采用公式Qi＝kiLηπr2/m计算，其中
式中：Qi是第i回次极限注浆量，m3；ki是回次透水率比值，i＝1时k1取1；qi是第i回次的透水率，Lu；L是注浆段长，m；η是岩溶率，根据勘探资料为13％；r是浆液扩散控制半径，10m；m是浆液结实率，取95％。
所述多回次控量注浆法中，回次之候凝72h。
本实施例中，第三个内定向孔组的第一个分支孔孔深415m～454m段，444m漏失10m3/h，钻进10m起钻注浆，注前压水试验透水率1.60Lu，第一回次注浆达到极限注浆量Q1＝1675m3，孔口压力3MPa，未达到结束标准，候凝72h；扫孔至454m，压水试验透水率1.30Lu，第二回次注浆达到极限注浆量Q2＝838m3，孔口压力4.5MPa，未达到结束标准，候凝72h；扫孔至454m，压水试验透水率1.03Lu，第三回次注浆52m3，孔口压力达到5MPa，调整注浆流量至52L/min，稳压30min停止。
3)当所有定向孔组注浆结束后，每对定向孔组分别向对面施工一个检查钻孔8，检查钻孔8交叉设置并延伸到对面的帷幕边界外侧五含底部3m(参见图2、图3和图4)，每钻进50m进行一次压水试验检查注浆效果，本实施例中，共施工20个检查钻孔，进行了53次分段压水试验，透水率0.01～0.08Lu，均满足要求。利用检查钻孔进行了注浆加固，注浆量远小于分支孔，注浆终压达到了设计要求。
4)在分支孔揭露含水层漏失严重、掉块和塌孔的区域，以及注浆量较大的区域，布置垂直取芯孔10，进行取芯验证。
5)地孔瞬变电磁法探查帷幕薄弱段，本实施例中，在外面沿线的5个取芯孔10中进行了地孔瞬变电磁法探查，探明了帷幕薄弱段。
(1)在取芯孔周边布置600m×600m不接地回线11并与发射设备相连组成发射系统，参加图5；
(2)在取芯孔内放置接收探头，接收探头与接收设备相连，组成接收系统；
(3)给不接地回线11供入电流为18A的直流电，建立稳定的人工磁场；
(4)截断不接地回线内的电流，从取芯孔的套管处开始采用2m点距进行测量，利用接收探头采集测点的三分量数据并进行多测道成图、电流环反演计算，获得电磁响应异常曲线，通过电磁响应曲线低阻区12，参加图6，确定了帷幕薄弱段13的空间位置，参加图7。
6)利用内定向孔组施工分支孔，定向钻进至帷幕薄弱段，按步骤2)的方法对帷幕薄弱段进行补充注浆加固。
帷幕建造完成后，经过矿井疏放水检验，稳定疏放水量小于50m3/h，截流率达到了98％，远高于以往矿山帷幕的截流率。
Claims (4)
1.一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法，其特征在于：依次包括下述步骤：
1)在帷幕线上布置有内定向孔组和外定向孔组，内定向孔组和外定向孔组相距15-20m，钻孔注浆套管进入到目标含水层顶部坚硬隔水层中，内定向孔组和外定向孔组的分支孔沿帷幕轴线方向顺目标含水层分段钻进；
2)帷幕建造的注浆方法
(1)注浆材料采用水泥单液浆，比重1.4～1.7；
(2)注浆结束标准：注浆孔口终压为5～8MPa，注浆终止流量40-60L/min，稳压时间20-30min；
(3)注浆方式，包括前进式控压注浆法和多回次控量注浆：
①钻进过程中钻井液消耗量小于5m3/h，单次钻进30-50m注浆，采用前进式控压注浆法；
②钻进过程中钻井液消耗量大于5m3/h，继续钻进5～15m起钻注浆，一次注浆达到注浆结束标准时停止，若一次达不到终压，采用多回次控量注浆法，直至达到注浆结束标准；
所述多回次控量注浆法中，回次极限注浆量采用公式Qi＝kiLηπr2/m计算，其中
式中：Qi是第i回次极限注浆量，m3；ki是回次透水率比值；qi是第i回次的透水率，Lu；L是注浆段长，m；η是岩溶率；r是浆液扩散控制半径，m；m是浆液结实率，取80％-98％；
所述多回次控量注浆法中，回次之间候凝48～72h；
3)当所有定向孔组注浆结束后，内定向孔组和外定向孔组分别向对面施工检查钻孔，交叉设置并自上而下延伸到对排的帷幕边界外侧目标含水层底部10～15m，进行分段压水试验检查注浆效果，透水率小于1Lu则继续钻进或者封孔，大于1Lu则进行补充加固注浆，注浆方式同步骤(3)，补充注浆后透水率小于1Lu，继续钻进或者封孔；
4)根据分支孔揭露含水层的漏失严重程度、异常掉块和塌孔，以及检查钻孔对帷幕质量检验结果，有针对性地布置垂直取芯孔，进行取芯验证；
5)地孔瞬变电磁法探查帷幕薄弱段：
(1)在取芯孔周围布置不接地回线并与发射设备相连组成发射系统；
(2)在取芯孔内放置接收探头，接收探头与接收设备相连，组成接收系统；
(3)给不接地回线供入直流电，建立稳定的人工磁场；
(4)截断不接地回线内的电流，利用接收探头采集测点的三分量数据并进行多测道成图、电流环反演计算，电磁响应异常的区域即为帷幕薄弱段；
6)利用分支孔按步骤2)的方法对帷幕薄弱段进行补充注浆加固。
2.根据权利要求1所述的一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法，其特征在于：所述步骤1)中，帷幕线长度小于目标含水层埋深M的，内定向孔组和外定向孔组各设置1个。
3.根据权利要求1所述的一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法，其特征在于：所述帷幕线长度大于目标含水层埋深M的，每M米布置1对内定向孔组和外定向孔组，超出部分增设一个定向孔组，两个相邻定向孔组的分支孔重合搭接长度为30-50m。
4.根据权利要求1或2所述的一种深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造的方法，其特征在于：所述内定向孔组和外定向孔组的分支孔垂向上每15-20m平行布置一个，定向孔组包括多个分支孔时，内定向孔组和外定向孔组的分支孔在与帷幕垂直的垂向投影上是错位且等距的。
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