CN113006111A - 一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，包括下述步骤：1.根据物探和钻探资料确定帷幕中断层的初步位置；2.在帷幕建造完成后，依据断层初步位置，选择地面平坦空旷位置作为定向孔开孔位置；3.施工地面定向孔，在帷幕顶以上0.5～1倍注浆扩散半径的距离进行水平钻进；4.钻进过程中遇到断层破碎带后起钻注浆；5.扫孔至孔底复注；6.进行压水试验；7.继续钻进重复步骤4步骤6，直到钻孔范围内对所有断层达到封堵效果；8.从原开孔位置施工分支孔，在帷幕底以下0.5～1倍注浆扩散半径的距离进行水平钻进，重复步骤4～步骤7；本发明有效克服了帷幕在高水压作用下经顶底界断层破碎带产生绕流的难题，使帷幕达到预期的防渗效果，通过控压控量注浆实现帷幕在断层带的局部增厚，达到全面封堵绕流通道的目标。

Description

一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法
技术领域
本发明属于矿山帷幕截流工程技术领域，特别涉及一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法。
背景技术
帷幕截流技术是利用钻孔注浆建造帷幕、堵截水源侧向补给的方法，但与水利和岩土工程的地下防渗连续墙不同，煤矿帷幕通常依靠钻孔注浆实现，其埋深较地下连续墙更深，施工和截流难度更大。与金属矿山帷幕不同，煤矿的煤层埋藏与分布范围更大，帷幕的建造规模、建造难度也更大，且多为不封闭或半封闭。
矿山帷幕建造应尽量避开断层破碎带，但由于地质条件限制可能无法完全避开或遇到未探明的断层切割帷幕，使帷幕外含水层中的水通过断层从帷幕顶底界绕流至帷幕内。断层的存在会对帷幕截流产生以下影响：(1)在帷幕建造过程中，断层破碎带可能是强径流通道，浆液在强径流的作用下被携带稀释，难以留存在预定区域固结，注浆加固效果差；(2)断层的切割造成帷幕顶底部隔水层的隔水性不连续，帷幕外地下水经顶底部断层带绕流补给帷幕内含水层，严重影响截流效果。所以封堵帷幕顶底界的绕流往往关乎帷幕建造的成败，是实现截流目标的一项关键技术难题,
现有封堵帷幕绕流的常规方法是采用直孔对帷幕顶底界断层进行探查并加固。但存在以下问题：(1)探查范围有限:直孔一般根据物探资料显示的断层位置进行探查，但是断层面的倾角很大，近垂直或者大角度与水平面相交，而且物探解释的断层形态和大小往往与实际情况差距较大，而利用垂直孔与断层面的接触为点状，很容易与实际断层位置发生偏差，施工过程中难以保证一定能钻遇断层，探查范围极其有限，一般情况下需要施工多个直孔才能探查到准确的断层位置；(2)封堵效率低下:即使一个直孔偶然探查到断层，也只能对一条断层的局部区域进行注浆加固，在构造复杂区一般发育多条断层切割帷幕，需要若干直孔才能达到对区域断层绕流进行封堵的目的，治理效率极低、工期长、成本高。
发明内容
本发明要提供一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，以解决现有方法存在的断层探查范围有限、封堵效率低、工期长和成本高的问题。
为达到本发明的目的，所提供的技术方案是，一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，依次包括下述步骤：
步骤一、根据物探和钻探资料确定帷幕中断层的初步位置；
步骤二、在帷幕建造完成后，依据断层初步位置，选择地面平坦空旷位置作为定向孔开孔位置；
步骤三、施工地面定向孔，距离帷幕顶界面以上注浆扩散半径的0.5～1倍进行水平钻进：
注浆扩散半径根据公式1确定：
Figure BDA0002931404760000021
式中r为浆液扩散半径(m)，k为受注岩层的渗透率(m2)，h为注浆压力水头(m)；t注浆时间(h)；n为受注岩层孔隙率；β为浆液黏度与水粘度之比；r0为注浆钻孔半径。
步骤四、钻进过程中遇到断层破碎带后起钻注浆，水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内逐步提高注浆比重，降低注浆流量，直至注浆压力达到设计终压0.5倍时停止注浆，候凝，所述设计终压为注浆段含水层水压的1.5～2倍；
步骤五、扫孔至孔底，重复步骤四的注浆过程，直至注浆压力达到设计终压并持续15～30min后，候凝；
步骤六、扫孔至孔底进行压水试验，若透水率小于1Lu本次注浆结束，若大于1Lu，重复步骤4)和5),直至透水率小于1Lu
所述透水率根据公式2确定：q＝Q/(pL)，式中q为透水率(Lu)；Q为每分钟流量(L/min)；p为作用在试段内的压力(MPa)；L为试段长度(m)
步骤七、继续钻进重复步骤四～步骤六，直到钻孔范围内对所有断层达到封堵效果；
步骤八、从原开孔位置施工分支孔，距离帷幕底以下注浆扩散半径的0.5～1倍，进行水平钻进，钻进方法同步骤四～步骤七。
进一步的，上述步骤四或五中，单回次吃浆量在300t以内压力未达到注浆结束终压0.5倍时，采用连续注浆法。
进一步的，上述步骤四或五中，单回次吃浆量超过300t，注浆时可采用间歇式注浆法，注入1h停注0.5h，如此循环往复，直至达到注浆结束终压0.5倍。
进一步的，上述步骤四或五中，浆液采用纯水泥浆液，浆液比重范围1.5～1.7，流量范围为50～500L/min。
进一步的，上述步骤一中，定向孔有N个，N个定向孔同时或者接续施工。
进一步的，上述步骤四中，断层破碎带识别方法采用随钻物探测井或原位取心方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明是在帷幕方向上利用地面定向钻探查帷幕顶底界断层带并注浆封堵绕流，而现有技术采用的直孔探查和封堵方法，是一个单点探查过程。本发明有效克服了帷幕在高水压作用下经顶底界断层破碎带产生绕流的难题，使帷幕达到预期的防渗效果，通过控压控量注浆实现帷幕在断层带的局部增厚，达到全面封堵绕流通道的目标。
2、本发明提出的方法极大地提高了断层的探查范围：直孔为点状探查断层进行治理，难以形成有效的连贯，而本发明给出的方法是沿帷幕方向持续延伸线状探查顶底界断层并进行治理的特点，并通过多个阶段连续工序实现水平钻孔沿帷幕走向方向接续。
3、提高探查靶向性，大幅减少探查工程量：本发明无需准确地探查断层位置，只需要根据物探与钻探资料确定的断层大致范围，顺帷幕走向探查断层，由于大型断层在空间延展范围很大，只要水平延帷幕顶底界面钻进就一定能遇到切割帷幕的断层，钻孔就可以探查到帷幕顶底界断层破碎带的准确位置，靶向性高，彻底解决了确定断层破碎带位置的问题。一个定向孔通过上下两层分支孔可以探查钻进方向上帷幕顶底界的多条断层，显著减少封堵多条断层的钻探工程量，减少注浆材料的浪费；
4、控压控量注浆，控制浆液扩散范围：本发明不是采用传统单次大量注浆的方式满足注浆标准，而是采用多回次、注浆比重逐渐增加的方式。在注浆过程中首先采用高流量低比重方式进行注浆，逐渐封堵断层裂隙，使裂隙率逐渐变小，再逐步降低注浆流量，增大注浆比重，降低流量可使浆液更多的滞留在断层破碎带内加固断层，防治浆液沿断层发育方向无效扩散范围过大，使浆液充填断层裂隙更加密实、高效，且采用多回次注浆方法，增加帷幕抗压强度，减小透水性；
5、适用范围:本方法适用于存在顶底界断层绕流问题的各种帷幕的建造施工中，特别适用于巨厚、高承压含水层条件下的帷幕顶底界断层带封堵。
附图说明
图1是水平孔组探查帷幕顶底界断层带剖面示意图；
图2是水平孔探查帷幕顶底界断层带俯视图。
图中，1-断层,2-帷幕，3-定向孔，4-帷幕顶界面，5-帷幕底界面，6-五含含水层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
淮北矿区某煤矿北翼分布一层主要由灰岩砾石、角砾组成的深埋、巨厚、极强含水层—侏罗系角砾岩(俗称五含)，五含角度不整合覆盖于太原组灰岩、奥陶系灰岩含水层及煤系之上。五含与四含、太奥灰含水层之间存在极其密切的水力联系。五含具有静储量大、水压高、导水性好、补给强的水害特征，已严重威胁下伏煤炭的安全开采，需在“五含”内建造一道帷幕，截流奥陶系灰岩对五含的直接补给，达到安全开采。
针对上述工况，本发明提供的一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，包括如下步骤：
步骤一、该矿采用高密度三维地震勘探发现帷幕2范围内切割到五含含水层6的断层1共计3个，落差在15～40m，断层的存在使帷幕外的地下水绕流进入帷幕外，严重影响帷幕截流效果；
步骤二、在帷幕2建造完成后，依据断层初步位置，选择地面平坦空旷位置作为定向孔开孔位置，本实施例中，参见图1，定向孔3有2组，以实现水平钻孔沿帷幕2走向方向的接续；
步骤三、施工地面定向孔，一次性钻进至基岩下入孔径244.5mm壁厚8.05mm套管，钻进至帷幕顶板侏罗系砂泥岩隔水层中，下入孔径177.8mm壁厚8.94mm套管，根据浆液扩散半径沿帷幕顶界面4以上10m水平钻进；
注浆扩散半径根据公式1确定：
Figure BDA0002931404760000041
式中r为浆液扩散半径(m)，k为受注岩层的渗透率(m2)取4.071×10-12m2，h为注浆压力水头(m)；t注浆时间(h)；n为受注岩层孔隙率，取0.2；β为浆液黏度与水粘度之比；r0为注浆钻孔半径，取0.076m。经考虑不同注浆压力水头和注浆时间计算后，实例中的r＝10m；
步骤四、钻进至580m时，采用随钻物探测井方法测到断层破碎带，起钻注浆，采用纯水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内，浆液比重1.5，流量500L/min，当注浆压力达到1.5MPa时，比重升高至1.55，流量降低至320L/min。注浆220t时注浆压力达到2.5MPa(设计终压为5MPa)时，停止注浆，候凝48h，所述设计终压为注浆段含水层水压的1.6倍；
此过程中，水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内，随着注浆量的增加，断层裂隙逐渐被封堵，裂隙率变小，逐步降低注浆流量，升高比重，直至注浆压力达到设计终压0.5倍时停止注浆，候凝48h，所述终压为注浆段含水层水压的1.5～2倍；随着注浆回次和注浆量的增加，断层裂隙逐渐被封堵，裂隙率变小，使得浆液充填饱满、密实，帷幕抗压强度增加，透水性显著减小，达到截流抗渗的目的，而且浆液扩散范围也可以通过控制注浆回次和注浆量来控制，不致发生浆液沿断层发育方向无效扩散距离过大,参见图2。
步骤五、扫孔至孔底，采用纯水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内，浆液比重1.6，注浆流量180L/min，本回次注浆100t时，注浆压力达到4.5MPa，比重升高至1.7，注浆流量降低至52L/min。注浆200t时，注浆压力达到设计终压5MPa并持续30min后完成注浆，候凝48h；
步骤六、扫孔至孔底进行压水试验，根据公式2:q＝Q/(pL)Q为每分钟流量(L/min)，取250L/min；p为作用在试段内的压力(MPa)，取5MPa；L为试段长度200(m)经计算后q＝0.25Lu，满足透水率小于1Lu的要求认为本次注浆结束；
步骤七、重复步骤四～步骤六：
首先继续钻进至孔深680m出现钻井液漏失现象，起钻注浆，采用纯水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内，浆液比重1.5，流量500L/min，当注浆150t时，注浆压力达到1.5MPa，比重升高至1.55，流量降低至320L/min。当注浆200t时，注浆压力达到2.5MPa，停止注浆，候凝48h；
然后扫孔至孔底，采用纯水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内，浆液比重1.6，注浆流量180L/min，当本回次注浆100t时，注浆压力达到4.5MPa，比重升高至1.7，注浆流量降低至52L/min。，当本回次注浆150t时，注浆压力达到设计终压5MPa并持续30min后完成注浆，候凝48h；
最后扫孔至孔底进行压水试验，根据公式1:q＝Q/(pL),其中Q为每分钟流量(L/min)，取250L/min；p为作用在试段内的压力(MPa)，取5MPa；L为试段长度300(m)经计算后q＝0.167Lu，满足透水率小于1Lu的要求认为本次注浆结束；
再向前钻进至孔深750m未出现塌孔、掉块、岩屑杂乱、含泥量增多、钻井液漏失等现象，随钻物探测井或原位取心也未发现断层，在钻孔范围内的帷幕顶界面断层带绕流封堵完成；
步骤八、从步骤三的原开孔位置施工分支孔，参见图1沿帷幕底界面5以下10m水平钻进；重复步骤四～步骤七；
步骤九、本实施例中，在上述的定位孔施工完成后，再重复上述步骤三到步骤八，也就是接续施工，参见图1，多个定向孔组对帷幕沿线顶底界断层带绕流进行注浆封堵。
以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (6)

1.一种封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，依次包括下述步骤：
步骤一、根据物探和钻探资料确定帷幕中断层的初步位置；
步骤二、在帷幕建造完成后，依据断层初步位置，选择地面平坦空旷位置作为定向孔开孔位置；
步骤三、施工地面定向孔，距离帷幕顶界面以上注浆扩散半径的0.5～1倍进行水平钻进：
注浆扩散半径根据公式1确定：
Figure FDA0002931404750000011
式中r为浆液扩散半径(m)，k为受注岩层的渗透率(m2)，h为注浆压力水头(m)；t注浆时间(h)；n为受注岩层孔隙率；β为浆液黏度与水粘度之比；r0为注浆钻孔半径。
步骤四、钻进过程中遇到断层破碎带后起钻注浆，水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内逐步提高注浆比重，降低注浆流量，直至注浆压力达到设计终压0.5倍时停止注浆，候凝，所述设计终压为注浆段含水层水压的1.5～2倍；
步骤五、扫孔至孔底，注浆至注浆压力达到设计终压并持续15～30min后停注，候凝；
步骤六、扫孔至孔底进行压水试验，若透水率小于1Lu本次注浆结束，若大于1Lu，重复步骤4)和5),直至透水率小于1Lu；
所述透水率根据公式2确定：q＝Q/(pL)，式中q为透水率(Lu)；Q为每分钟流量(L/min)；p为作用在试段内的压力(MPa)；L为试段长度(m)；
步骤七、继续钻进重复步骤四～步骤六，直到钻孔范围内对所有断层达到封堵效果；
步骤八、从原开孔位置施工分支孔，距离帷幕底以下注浆扩散半径的0.5～1倍，进行水平钻进，重复步骤四～步骤七。
2.根据权利要求1所述封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，上述步骤四或五中，单回次吃浆量在300t以内压力未达到注浆结束终压0.5倍时，采用连续注浆法。
3.根据权利要求1所述封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，上述步骤四或五中，单回次吃浆量超过300t，注浆时可采用间歇式注浆法，注入1h停注0.5h，如此循环往复，直至达到注浆结束终压0.5倍。
4.根据权利要求2或3所述封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，上述步骤四或五中，浆液采用纯水泥浆液，浆液比重范围1.5～1.7，流量范围为50～500L/min。
5.根据权利要求4所述封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，上述步骤一中，定向孔有N个，N个定向孔同时或者接续施工。
6.根据权利要求5所述封堵帷幕顶底界断层带绕流的方法，其特征在于，上述步骤四中，断层破碎带识别方法采用随钻物探测井或原位取心方法。
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