CN114991710A - 定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，包括如下步骤：步骤(1)：收集区域水文地质参数，包括受注薄层灰岩厚度、受注薄层灰岩孔隙度以及受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例；步骤(2)：确定浆液结石率，通过水泥浆静置析水试验确定不同浆液配比下的水泥注浆浆液结石率；步骤(3)：根据钻孔施工情况确定注浆段的长度；步骤(4)：统计水泥注浆浆液参数，计算单次水泥注浆浆液的结石体积总和；步骤(5)：计算水平孔注浆扩散半径。本发明的计算方法可以解决定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆时，受注薄层灰岩注浆模型复杂，注浆扩散半径实验参数获取困难、计算结果不准确等问题。
Description
技术领域
本发明涉及高压注浆技术领域。具体地说是一种定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法。
背景技术
随着地面定向水平孔注浆技术的发展，该技术越来越广泛的应用于矿山防治水工程中，尤其对于煤矿底板薄层太灰含水层的加固改造。但在工程实践中，由于水平孔注浆工程中注浆段长达数百米至上千米，而受注薄层灰岩一般在十米以下，且受注薄层灰岩往往承受灰岩静水压力2～3倍的浆液压力，由于注浆扩散机理的复杂性，水泥浆液在受注层中扩散模型也相对较复杂，因此工程现场通常难以及时全面的获得计算注浆扩散半径的实验参数。因此，寻找一种较为简易概化的高压注浆受注层模型，是计算水平孔注浆浆液在薄层灰岩水泥高压注浆扩散半径的重要途径。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，在采用定向水平孔对薄层灰岩进行注浆时，利用等效体积法计算浆液扩散半径，假设注浆的结果是薄层灰岩孔隙内地下水均被浆液驱替填充，注浆量及注浆段长是已知的，则理论上注进空隙的浆液结石体积与被驱替地下水所占空隙体积相等，再根据地质条件，可反算出浆液扩散半径；该方法可以解决定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆时，受注薄层灰岩注浆模型复杂，注浆扩散半径实验参数获取困难、计算结果不准确等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：收集区域水文地质参数，包括受注薄层灰岩平均厚度H、受注薄层灰岩孔隙度以及受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例；200nm以上孔隙结构灰岩是指灰岩中的不规则孔隙等效成等体积的球体的直径在200nm以上；
步骤(2)：确定浆液结石率，通过水泥浆静置析水试验确定不同浆液配比下的水泥注浆浆液结石率；
步骤(3)：根据钻孔施工情况确定注浆段的长度；
步骤(4)：统计水泥注浆浆液参数，计算单次水泥注浆浆液的结石体积总和；
步骤(5)：根据步骤(1)至步骤(4)中得到的注浆参数计算水平孔注浆扩散半径。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(1)中，根据工程质量区域勘探钻孔资料，计算受注薄层灰岩平均厚度H。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(1)中，收集受注薄层灰岩样品，利用压汞实验获得受注薄层灰岩孔隙度n和受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm，压汞实验的操作步骤按照GB/T21650-2008进行；
受注薄层灰岩孔隙度n的计算公式为：
公式1中：n为受注薄层灰岩孔隙度，％；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；V为受注薄层灰岩总体积，m3；
受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm的计算公式为：
公式2中：n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％；Vn>200nm为受注薄层灰岩中孔径大于200nm的孔隙总体积，m3；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(2)中，浆液结石率的确定方法为：
步骤(2-1)：筛除粒径大于0.075mm的水泥颗粒，确保水泥无结块；
步骤(2-2)：根据工程水泥浆配比参数配制水泥注浆浆液，每种配比参数的水泥注浆浆液配制3份或3份以上；
步骤(2-3)：先采用电动搅拌机搅拌2min，得到水泥注浆浆液，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每份水泥注浆浆液重复3次或3次以上水泥浆静置析水试验，计算水泥注浆浆液的结石率η结；
公式3中：η结为浆液结石率，％；h为量筒中析出水的体积，mL。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(3)中，钻孔时，采用自然伽马无线随钻测量仪并根据上返岩粉的变化情况，确定钻孔在受注薄层灰岩中的钻孔长度L，即为注浆段的长度。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(4)的具体方法为：
步骤(4-1)：在注浆过程中，根据注浆时间和注浆泵量统计水泥注浆浆液的注浆量；然后根据水泥注浆浆液的结石率计算得到水泥注浆浆液的结石体积；
步骤(4-2)：将单次注浆过程中不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的结石体积相加，计算得到单次水泥注浆浆液的结石体积总和V结，其计算公式如下：
V结＝∑iQi×ti×η结i (公式4)；
公式4中：V结为注浆结石体积，m3；Qi为注浆泵量，m3/h；ti为注浆时间，h；η结i为不同水泥浆配比下的浆液结石率。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(5)中，注浆扩散半径R的计算公式为如下：
公式5中：R为水平孔注浆扩散半径，m；H为受注薄层灰岩平均厚度，m；L为注浆段的长度，m；V结为注浆结石体积，m3；n为受注薄层灰岩孔隙度，％；n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％。
上述定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，步骤(1)中，根据工程质量区域勘探钻孔资料，计算受注薄层灰岩平均厚度H；
步骤(1)中，收集受注薄层灰岩样品，利用压汞实验获得受注薄层灰岩孔隙度n和受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm，压汞实验的操作步骤按照GB/T21650-2008进行；
受注薄层灰岩孔隙度n的计算公式为：
公式1中：n为受注薄层灰岩孔隙度，％；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；V为受注薄层灰岩总体积，m3；
受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm的计算公式为：
公式2中：n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％；Vn>200nm为受注薄层灰岩中孔径大于200nm的孔隙总体积，m3；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；
步骤(2)中，浆液结石率的确定方法为：
步骤(2-1)：筛除粒径大于0.075mm的水泥颗粒，确保水泥无结块；
步骤(2-2)：根据工程水泥浆配比参数配制水泥注浆浆液，每种配比参数的水泥注浆浆液配制3份或3份以上；
步骤(2-3)：先采用电动搅拌机搅拌2min，得到水泥注浆浆液，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每份水泥注浆浆液重复3次或3次以上水泥浆静置析水试验，计算水泥注浆浆液的结石率η结；
公式3中：η结为浆液结石率，％；h为量筒中析出水的体积，mL；
步骤(3)中，钻孔时，采用自然伽马无线随钻测量仪并根据上返岩粉的变化情况，确定钻孔在受注薄层灰岩中的钻孔长度L，即为注浆段的长度；
步骤(4)的具体方法为：
步骤(4-1)：在注浆过程中，根据注浆时间和注浆泵量统计水泥注浆浆液的注浆量；然后根据水泥注浆浆液的结石率计算得到水泥注浆浆液的结石体积；
步骤(4-2)：将单次注浆过程中不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的结石体积相加，计算得到单次水泥注浆浆液的结石体积总和V结，其计算公式如下：
V结＝∑iQi×ti×η结i (公式4)；
公式4中：V结为注浆结石体积，m3；Qi为注浆泵量，m3/h；ti为注浆时间，h；η结i为不同水泥浆配比下的浆液结石率；
步骤(5)中，注浆扩散半径R的计算公式为如下：
公式5中：R为水平孔注浆扩散半径，m；H为受注薄层灰岩平均厚度，m；L为注浆段的长度，m；V结为注浆结石体积，m3；n为受注薄层灰岩孔隙度，％；n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
现有的浆液扩散半径计算模型均为竖直孔段，计算公式需要考虑浆液流变性，计算公式复杂，且定向水平孔注浆浆液扩散环境为极高地层压力及复杂地质条件，现场地面条件难以满足复杂条件的试验要求。工程实践表明薄层灰岩水泥注浆时间很长，压力大，受地层条件限制浆液扩散形状较为简单。本发明定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法简化了受注层扩散半径的计算模型，相关参数获得容易，计算结果准确性高，可以更好地用于指导定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆施工。
附图说明
图1本发明实施例中注浆扩散半径计算模型图。
图中附图标记表示为：1-水平注浆钻孔；2-注浆段的长度L；3-受注薄层灰岩厚度H；4-扩散半径R；5-理论扩散体积V。
具体实施方式
本实施例以某施工区的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆为应用实例，采用本发明的计算方法进行扩散半径的计算，本实施例中注浆扩散半径计算模型如图1所示，定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：收集区域水文地质参数，包括受注薄层灰岩平均厚度H、受注薄层灰岩孔隙度以及受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例；200nm以上孔隙结构灰岩是指灰岩中的不规则孔隙等效成等体积的球体的直径在200nm以上；
具体参数的获取方法为：根据工程质量区域勘探钻孔资料，计算受注薄层灰岩平均厚度H；收集受注薄层灰岩样品，利用压汞实验获得受注薄层灰岩孔隙度n和受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm，压汞实验的操作步骤按照GB/T21650-2008进行；因为一般水泥浆液悬浮颗粒大于200nm，因此根据压汞实验的孔隙结构分布，计算孔径大于200nm的空隙结构灰岩所占比例；
受注薄层灰岩孔隙度n的计算公式为：
公式1中：n为受注薄层灰岩孔隙度，％；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；V为受注薄层灰岩总体积，m3；
受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm的计算公式为：
公式2中：n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％；Vn>200nm为受注薄层灰岩中孔径大于200nm的孔隙总体积，m3；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；
表1为本实施例中受注区域水文地质参数的计算结果。
表1
步骤(2)：确定浆液结石率，通过水泥浆静置析水试验确定不同浆液配比下的水泥注浆浆液结石率；浆液结石率的确定方法为：
步骤(2-1)：筛除粒径大于0.075mm的水泥颗粒，确保水泥无结块；
步骤(2-2)：根据工程水泥浆配比参数配制水泥注浆浆液，每种配比参数的水泥注浆浆液配制3份或3份以上；
步骤(2-3)：先采用电动搅拌机搅拌2min，得到水泥注浆浆液，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每份水泥注浆浆液重复3次或3次以上水泥浆静置析水试验，计算水泥注浆浆液的结石率η结；
公式3中：η结为浆液结石率，％；h为量筒中析出水的体积，mL。
表2为本实施例中不同浆液配比下水泥注浆浆液的水泥浆静置析水试验参数表。
表2
步骤(3)：根据钻孔施工情况确定注浆段的长度；钻孔时，采用自然伽马无线随钻测量仪并根据上返岩粉的变化情况，确定钻孔在受注薄层灰岩中的钻孔长度L，即为注浆段的长度；本实施例测得注浆段的长度L为862.55m；
步骤(4)：统计水泥注浆浆液参数，计算单次水泥注浆浆液的结石体积总和；步骤(4)的具体方法为：
步骤(4-1)：在注浆过程中，根据注浆时间和注浆泵量统计水泥注浆浆液的注浆量；然后根据水泥注浆浆液的结石率计算得到水泥注浆浆液的结石体积；
步骤(4-2)：将单次注浆过程中不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的结石体积相加，计算得到单次水泥注浆浆液的结石体积总和V结，其计算公式如下：
V结＝∑iQi×ti×η结i (公式4)；
公式4中：V结为注浆结石体积，m3；Qi为注浆泵量，m3/h；ti为注浆时间，h；η结i为不同水泥浆配比下的浆液结石率；
表3为本实施例施工过程中，不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的注浆泵量和注浆时间参数；根据表中数据计算得到本实施例V结的值为3422.1m3。
表3
步骤(5)：根据步骤(1)至步骤(4)中得到的注浆参数计算水平孔注浆扩散半径；水平孔注浆扩散半径R的计算公式为如下：
公式5中：R为水平孔注浆扩散半径，m；H为步骤(1)测得的受注薄层灰岩平均厚度，m；L为步骤(3)测得的注浆段的长度，m；V结为步骤(4)计算得到的注浆结石体积，m3；n为步骤(1)中计算得到的受注薄层灰岩孔隙度，％；n>200nm为步骤(1)中计算得到的受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％。
经计算，本实施例计算得到了定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆扩散半径R为36.57m；在本实施例钻孔注浆过程中投加示踪剂，以示踪注浆浆液的扩散轨迹，在邻近钻孔岩屑中追踪示踪剂，结果发现含水泥样品和示踪剂样品主要分布在孔本示例钻孔36～42m以内，且距离越近，样品比例越明显，综合现场示踪剂检测结果，本实施例钻孔浆液扩散范围为36～42m。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (8)
1.定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：收集区域水文地质参数，包括受注薄层灰岩平均厚度H、受注薄层灰岩孔隙度以及受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例；
步骤(2)：确定浆液结石率，通过水泥浆静置析水试验确定不同浆液配比下的水泥注浆浆液结石率；
步骤(3)：根据钻孔施工情况确定注浆段的长度；
步骤(4)：统计水泥注浆浆液参数，计算单次水泥注浆浆液的结石体积总和；
步骤(5)：根据步骤(1)至步骤(4)中得到的注浆参数计算水平孔注浆扩散半径。
2.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据工程质量区域勘探钻孔资料，计算受注薄层灰岩平均厚度H。
3.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(1)中，收集受注薄层灰岩样品，利用压汞实验获得受注薄层灰岩孔隙度n和受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm，压汞实验的操作步骤按照GB/T21650-2008进行；
受注薄层灰岩孔隙度n的计算公式为：
公式1中：n为受注薄层灰岩孔隙度，％；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；V为受注薄层灰岩总体积，m3；
受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm的计算公式为：
公式2中：n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％；Vn>200nm为受注薄层灰岩中孔径大于200nm的孔隙总体积，m3；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3。
4.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(2)中，浆液结石率的确定方法为：
步骤(2-1)：筛除粒径大于0.075mm的水泥颗粒，确保水泥无结块；
步骤(2-2)：根据工程水泥浆配比参数配制水泥注浆浆液，每种配比参数的水泥注浆浆液配制3份或3份以上；
步骤(2-3)：先采用电动搅拌机搅拌2min，得到水泥注浆浆液，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每份水泥注浆浆液重复3次或3次以上水泥浆静置析水试验，计算水泥注浆浆液的结石率η结；
公式3中：η结为浆液结石率，％；h为量筒中析出水的体积，mL。
5.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(3)中，钻孔时，采用自然伽马无线随钻测量仪并根据上返岩粉的变化情况，确定钻孔在受注薄层灰岩中的钻孔长度L，即为注浆段的长度。
6.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(4)的具体方法为：
步骤(4-1)：在注浆过程中，根据注浆时间和注浆泵量统计水泥注浆浆液的注浆量；然后根据水泥注浆浆液的结石率计算得到水泥注浆浆液的结石体积；
步骤(4-2)：将单次注浆过程中不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的结石体积相加，计算得到单次水泥注浆浆液的结石体积总和V结，其计算公式如下：
V结＝∑iQi×ti×η结i (公式4)；
公式4中：V结为注浆结石体积，m3；Qi为注浆泵量，m3/h；ti为注浆时间，h；η结i为不同水泥浆配比下的浆液结石率。
7.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(5)中，水平孔注浆扩散半径R的计算公式为如下：
公式5中：R为水平孔注浆扩散半径，m；H为受注薄层灰岩平均厚度，m；L为注浆段的长度，m；V结为注浆结石体积，m3；n为受注薄层灰岩孔隙度，％；n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％。
8.根据权利要求1所述的定向水平孔薄层灰岩水泥高压注浆计算扩散半径的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据工程质量区域勘探钻孔资料，计算受注薄层灰岩平均厚度H；
步骤(1)中，收集受注薄层灰岩样品，利用压汞实验获得受注薄层灰岩孔隙度n和受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm，压汞实验的操作步骤按照GB/T21650-2008进行；
受注薄层灰岩孔隙度n的计算公式为：
公式1中：n为受注薄层灰岩孔隙度，％；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；V为受注薄层灰岩总体积，m3；
受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例n>200nm的计算公式为：
公式2中：n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％；Vn>200nm为受注薄层灰岩中孔径大于200nm的孔隙总体积，m3；Vn为受注薄层灰岩孔隙总体积，m3；
步骤(2)中，浆液结石率的确定方法为：
步骤(2-1)：筛除粒径大于0.075mm的水泥颗粒，确保水泥无结块；
步骤(2-2)：根据工程水泥浆配比参数配制水泥注浆浆液，每种配比参数的水泥注浆浆液配制3份或3份以上；
步骤(2-3)：先采用电动搅拌机搅拌2min，得到水泥注浆浆液，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每份水泥注浆浆液重复3次或3次以上水泥浆静置析水试验，计算水泥注浆浆液的结石率η结；
公式3中：η结为浆液结石率，％；h为量筒中析出水的体积，mL；
步骤(3)中，钻孔时，采用自然伽马无线随钻测量仪并根据上返岩粉的变化情况，确定钻孔在受注薄层灰岩中的钻孔长度L，即为注浆段的长度；
步骤(4)的具体方法为：
步骤(4-1)：在注浆过程中，根据注浆时间和注浆泵量统计水泥注浆浆液的注浆量；然后根据水泥注浆浆液的结石率计算得到水泥注浆浆液的结石体积；
步骤(4-2)：将单次注浆过程中不同水泥浆配比下的水泥注浆浆液的结石体积相加，计算得到单次水泥注浆浆液的结石体积总和V结，其计算公式如下：
V结＝∑iQi×ti×η结i (公式4)；
公式4中：V结为注浆结石体积，m3；Qi为注浆泵量，m3/h；ti为注浆时间，h；η结i为不同水泥浆配比下的浆液结石率；
步骤(5)中，水平孔注浆扩散半径R的计算公式为如下：
公式5中：R为水平孔注浆扩散半径，m；H为受注薄层灰岩平均厚度，m；L为注浆段的长度，m；V结为注浆结石体积，m3；n为受注薄层灰岩孔隙度，％；n>200nm为受注薄层灰岩中200nm以上孔隙结构灰岩所占比例，％。
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| CN107740701A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-02-27 | 山东省邱集煤矿 | 一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法 |
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| Title |
|---|
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| 胡长勤等: "多分支水平井注浆技术在防治灰岩水害中的研究与应用", 能源与环保, vol. 42, no. 07, pages 65 - 69 * |
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