CN115262605A - 一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法，采用水平定向钻搅拌装置和无接头连续截水帷幕构筑装置，通过无接头连续截水帷幕构筑装置与水平定向钻搅拌装置，实现了浅部地层无接头连续截水帷幕构筑工艺和深部水平定向钻搅拌工艺的结合，通过先施工近三角形深部截水帷幕，后施工浅部无接头连续截水帷幕，将浅部截水帷幕嵌套入深部截水帷幕，实现了浅部与深部截水帷幕的有机连接，减少了过水接头数量和渗水断面，提高了矿山超深侧向截水帷幕的截水效果；此外，截水帷幕深度可突破200m，大幅度降低了矿山超深侧向截水帷幕的施工难度，提高了施工效率，保证了施工质量和截水效果，解决了采用现有技术中矿山超深截水帷幕构筑施工难度大的技术问题。

Description

一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法
技术领域
本发明属于矿山截水堵水和水资源保护技术领域，涉及截水帷幕构筑方法，具体是一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法。
背景技术
目前，金属、有色、黑色、建材、化工和煤矿等矿山数量众多、分布范围广，现有矿山大多受到地表松散含水层侧向补给，矿山开采过程中疏排水量巨大，并存在突水淹井的危险。为阻隔矿山或井筒与外侧含水层之间的水力联系，往往需通过构筑侧向截水帷幕将矿山或井筒与外侧含水层隔离。目前常用的方法有液压抓斗成槽、双轮铣成槽、搅拌桩、旋喷注浆、垂向钻孔注浆、无接头连续帷幕、防渗膜帷幕等，受机械能力影响，目前矿山侧向截水帷幕构筑深度大多小于80m，超过80m的机械功效大幅度降低、施工成本急剧增加、帷幕截水效果大受影响。例如，2010年，西藏旁多水利枢纽工程一期防渗墙工程的最深成墙深度达158.47m，创造了当时防渗墙施工深度的世界之最；2020年，青海柴达木盆地的那棱格勒河水利枢纽工程主坝防渗墙最深达到155.8m；2021年，华山沟大坝病害治理防渗墙工程26号槽段墙深161.75m，该槽段施工历时近4个月。可见，随着侧向截水帷幕深度的增加，施工难度、施工速度和质量均受到很大的影响。目前，矿山超深截水帷幕构筑过程存在施工难度大、效率低、质量差、效果差的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法，解决采用现有技术中矿山超深截水帷幕构筑施工难度大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种水平定向钻搅拌装置，包括支撑结构，所述的支撑结构上设置有钻孔结构、驾驶舱和动力系统，
所述的钻孔结构包括可调节设置在支撑结构上的导轨，所述的导轨上部设置有沿横向依次设置有液压推力端、动力杆和动力端，所述的液压推力端与动力系统通过液压管相连，所述的动力端上连接有钻杆，所述的钻杆上靠近钻头处设置有随钻测量系统；所述的导轨的侧面靠近动力端处设置有信号接收系统；
所述的钻孔结构还包括水平搅拌杆，所述的水平搅拌杆上沿轴向等间距设置有多组搅拌齿，每一组所述的搅拌齿之间设置有一组喷射嘴；
每一组所述的搅拌齿包括错位设置有的第一搅拌齿和第二搅拌齿；每一组所述的喷射嘴包括错位设置的第一喷射嘴和第二喷射嘴。
进一步，上述技术方案还给出了以下技术特征：
所述的支撑结构包括底盘和设置在底盘的两端的第一履带，所述的导轨通过铰支撑和液压斜撑设置在底盘的纵向前侧，所述的驾驶舱和动力系统沿横向依次设置在底盘的纵向后侧。
所述的导轨的横向前端和横向后端分别设置有前地撑和后地撑。
一种无接头连续截水帷幕构筑装置，包括支撑机构，所述的支撑机构上设置有动力机构、灌注机构和驾驶仓，所述的支撑机构上还设置有竖向移动机构，所述的竖向移动机构的下端连接有切削机构；
所述的竖向移动机构包括固定设置在支撑机构上的竖向定位杆和在竖向定位杆上可移动设置的移动板，所述的移动板的下端设置有竖向液压支撑；
所述的切削机构包括在移动板的竖向中部固定设置的主传动轮保护壳，所述的主传动轮保护壳的内部可转动安装有主传动轮；还包括在移动板的竖向下部设置的多节依次相连的刀具箱，所述的刀具箱中连通设置注浆管，顶部第一节所述的刀具箱固定安装在移动板的下部，底部第一节所述的刀具箱的下端可转动安装有从传动轮，所述的主传动轮和从传动轮之间设置有两排平行的链条，所述的链条绕刀具箱的外表面，所述的链条上等间距布设有多个菱形切削齿排；
每一个所述的刀具箱的横向前端面和竖向前端面的下半部开设有多个注浆孔，所述的注浆孔与所述的灌注机构依次通过刀具箱内注浆管和注浆软管相连；
所述的动力机构与主传动轮之间通过第一油管相连。
进一步，上述技术方案还给出了以下技术特征：
所述的主传动轮保护壳的内部的固定设置有第一中心轴，所述的第一中心轴上可转动设置有主传动轮，所述的主传动轮与第一中心轴之间设置有轴承；底部第一节所述的刀具箱的下端设置有第二中心轴，所述的第二中心轴上可转动设置有从传动轮。
所述的支撑机构包括支撑底盘，第二履带，液压柱、圆形转盘和支架，所述的支撑底盘的两侧可转动设置有第二履带，所述的支撑底盘的上部设置有可转动的圆形转盘，所述的圆形转盘的纵向前侧设置有沿横向的支架，所述的圆形转盘的纵向后侧设置有动力机构和灌注机构和驾驶仓，所述的支架上的纵向前端面上固定安装竖向定位杆；所述的支架的横向两端的底部均设置液压柱。
每一节所述的刀具箱之间通过螺栓连接，每一节所述的刀具箱的长度为0.5～2m。
相邻的所述的菱形切削齿排之间的距离为0.4～1.5m。
所述的竖向移动杆横向前端面和和横向后端面上对称设置有限位槽。
所述的刀具箱的内部还设置有输气管，所述的输气管的一端与注浆孔相连，另一端与外部空气压缩机相连。
所述的支架上还设置有斜撑液压支柱。
一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法，采用所述的水平定向钻搅拌装置和所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，具体包括以下步骤：
步骤一，在矿山拟建造截水帷幕位置进行水文地质探查，得到矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征、补径排条件、各地层渗透系K、孔隙率e、标贯击实数N、粒径和单轴抗压强度fr、地层界线和埋深；
所述的水文地质探查包括物探和钻探、水化学分析和示踪试验；
步骤二，根据步骤一得到的矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征，选择过水区域、过水断面作为矿山截水帷幕施工位置，并依次确定截水帷幕平面位置、顶底界线、截水帷幕厚度D设计，确定底层的浅层截水帷幕和深层截水帷幕的临界深度值h0；
当所述的截水帷幕深度h≤h0，设定为浅层区，采用浅层截水帷幕构筑工艺，当所述的截水帷幕深度h＞h0，设定为深层区，采用深层截水帷幕构筑工艺；
步骤三，根据步骤二确定的截水帷幕平面位置以及确定的深层区，在地面布设水平定向钻搅拌装置，并采用水平定向钻搅拌装置沿截水帷幕平面位置方向施工水平定向钻孔；
步骤四，动力系统通过油压调整液压斜撑和铰支撑，进而改变导轨角度，动力系统通过液压管驱动液压推动端前进或后退，进而带动动力端转动，驱使动力杆旋转，带动钻杆转动，钻杆前端的钻头切削、破碎岩土体形成钻孔轨迹；
所述的钻头后端的随钻测量系统实时测量钻头的位置坐标，并将测得的位置坐标实时反馈给信号接受系统，信号接收系统接收随钻测量系统反馈的位置坐标，并对比随钻测量系统反馈的位置坐标与设计轨迹是否有偏差，若有则调整钻头的钻进方向；
步骤五，调整好钻头走向后沿着截水帷幕平面位置方向进行水平段钻孔，待施工至设计位置后，得到水平定向钻先导孔；
步骤六，将钻杆前端的钻头更换为水平搅拌杆，水平搅拌杆在水平定向钻先导孔的孔底采用后退式旋转、搅拌地层的方式施工第节水平定向钻搅拌桩；
所述的水平搅拌杆在旋转的过程中，通过第一搅拌齿和第二搅拌齿切削地层，切削过程中通过第一喷射嘴、第二喷射嘴向地层喷射水泥浆液，水平搅拌杆将切削得到的原位地层材料与水泥浆液搅拌混合为整体，形成圆柱状的水平定向钻搅拌桩；
所述的水平定向钻搅拌桩的半径为Rk且Rk-2＞Rk-1＞Rk；
所述的水平定向钻搅拌桩的强度fRk≥10MPa，水平定向钻搅拌桩的渗透系数KRk≤10-6cm/s；其中n≥k≥1；
步骤七，重复步骤四至步骤六，由底部隔水层位置向上依次施工至第k节水平定向钻搅拌桩；直至到达浅层区与深层区的帷幕分界线时，第一段深部截水帷幕施工作业结束，形成近三角形深部截水帷幕；
所述的第k节水平定向钻搅拌桩与第k-1节水平定向钻搅拌桩存在部分咬合，所述的咬合部分的咬合宽度为Sdi；
底部的所述的咬合部分的面积大于顶部的所述的咬合部分的面积；
其中：Sdi≥D设计，i＝1～n-1；
步骤八，重复步骤三～七，直至施工完成截水帷幕平面位置上每一段的近三角形深部截水帷幕；
步骤九，在截水帷幕线处布设无接头连续截水帷幕构筑装置，动力机构通过第一油管的油压驱动主传动轮转动，主传动轮带动刀具箱外侧的链条环状转动，链条上等间距布置的菱形切削齿排向下切削原位地层；
其中，每当切削深度达到1节刀具箱的长度时增设1节刀具箱，直至切削到浅层区与深层区的帷幕分界线；
步骤十，切削到浅层区与深层区的帷幕分界线后，履带沿截水帷幕线方向向前移动，动力机构通过第一油管的油压驱动主传动轮转动，主传动轮带动刀具箱外侧的链条环状转动，链条上等间距布置的菱形切削齿排沿着截水帷幕线方向向前切削原位地层；
步骤十一，灌注机构进行制浆和注浆，浆液由灌注机构经过注浆软管输送至刀具箱内部的注浆管，最终输送至注浆孔并高压喷出，与菱形切削齿排切削的地层破碎屑混合，形成连续的浅部原位截水帷幕；
步骤十二，步骤三～八形成的深部截水帷幕与步骤九～十一形成的浅部原位截水帷幕有机连接，得到超深侧向截水帷幕。
步骤三中，所述的钻头的位置坐标的计算方式如公式1所示：
Figure BDA0003723040280000071
其中：
X表示测量点X轴坐标值；
Y表示测量点Y轴坐标值；
Z表示测量点Z轴坐标值；
L表示测量点的斜深；
H表示测量点的垂深；
ΔX表示测量点X轴坐标增值；
ΔY表示测量点Y轴坐标增值；
ΔZ表示测量点Z轴坐标增值；
ΔL表示测量点的斜深增值；
ΔH表示测量点的垂深增值。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明通过无接头连续截水帷幕构筑装置与水平定向钻搅拌装置，实现了浅部地层无接头连续截水帷幕构筑工艺和深部水平定向钻搅拌工艺的结合，通过先施工近三角形深部截水帷幕，后施工浅部无接头连续截水帷幕，将浅部截水帷幕嵌套入深部截水帷幕，实现了浅部与深部截水帷幕的有机连接，减少了过水接头数量和渗水断面，提高了矿山超深侧向截水帷幕的截水效果；此外，截水帷幕深度可突破200m，大幅度降低了矿山超深侧向截水帷幕的施工难度，提高了施工效率，保证了施工质量和截水效果，解决了采用现有技术中矿山超深截水帷幕构筑施工难度大的技术问题。
(Ⅱ)本发明的近三角形深部截水帷幕采用先导孔引孔、后退式搅拌成桩方法，实现了深部截水帷幕精准导向、连续构筑和有效连接，减少了钻孔无效进尺和注浆材料，增大了侧向截水帷幕的构筑深度。
(Ⅲ)本发明的浅部无接头连续截水帷幕具有连续构筑、一次成型功能，减少了截水帷幕的接头数量，保证了防渗效果。
附图说明
图1为本发明中的无接头连续截水帷幕构筑装置的结构示意图；
图2为本发明中的无接头连续截水帷幕构筑装置的侧视示意图；
图3为本发明中的无接头连续截水帷幕构筑装置中刀具箱的结构示意图；
图4为本发明中水平定向钻搅拌装置的结构示意图；
图5为本发明中水平定向钻搅拌装置中水平搅拌杆的结构示意图；
图6为矿山超深截水帷幕施工地层示意图；
图7为本发明的超深侧向截水帷幕建造示意图；
图8为本发明的超深侧向截水帷幕纵剖面示意图；
图9为本发明的超深侧向截水帷幕横剖面示意图。
图中各个标号的含义为：1-支撑机构，2-动力机构，3-灌注机构，4-驾驶仓，5-竖向移动机构，6-切削机构，8-第一油管，11-支撑结构，12-钻孔结构，13-驾驶舱，14-动力系统，15-铰支撑，16-液压斜撑，17-前地撑，18-后地撑，19-浅层区与深层区的帷幕分界线，20-浅部原位截水帷幕，21-近三角形深部截水帷幕，22-水平定向钻搅拌桩，23-水平定向钻先导孔，24-嵌入段，25-钻孔轨迹；
101-支撑底盘，102-第二履带，103-液压柱，104-圆形转盘，105-支架，106-斜撑液压支柱；
501-竖向定位杆，502-移动板，503-竖向液压支撑，504-限位槽；
601-主传动轮保护壳，602-主传动轮，603-刀具箱，604-注浆管，605-从传动轮，606-链条，607-菱形切削齿排，608-注浆孔，609-注浆软管，6010-第一中心轴，6011-轴承，6012-第二中心轴，6013-输气管；
1101-底盘，1102-第一履带；
1201-导轨，1202-液压推力端，1203-动力杆，1204-动力端，1205-液压管，1206-钻杆，1207-钻头，1208-随钻测量系统，1209-信号接收系统；
12010-水平搅拌杆，12011-搅拌齿，12012-喷射嘴；
1201101-第一搅拌齿，1201102-第二搅拌齿，1201201-第一喷射嘴，1201202-第二喷射嘴。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明的附图中的h1和h2分别表示浅层截水帷幕的深度和深层截水帷幕的深度。
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明给出了一种水平定向钻搅拌装置，如图4至图5所示，包括支撑结构11，支撑结构11上设置有钻孔结构12、驾驶舱13和动力系统14，
钻孔结构12包括可调节设置在支撑结构11上的导轨1201，导轨1201上部设置有沿横向依次设置有液压推力端1202、动力杆1203和动力端1204，液压推力端1202与动力系统14通过液压管1205相连，动力端1204上连接有钻杆1206，钻杆1206上靠近钻头1207处设置有随钻测量系统1208；导轨1201的侧面靠近动力端1204处设置有信号接收系统1209；
钻孔结构12还包括水平搅拌杆12010，水平搅拌杆12010上沿轴向等间距设置有多组搅拌齿12011，每一组搅拌齿12011之间设置有一组喷射嘴12012；
每一组搅拌齿12011包括错位设置有的第一搅拌齿1201101和第二搅拌齿1201102；每一组喷射嘴12012包括错位设置的第一喷射嘴1201201和第二喷射嘴1201202。
具体的，支撑结构11包括底盘1101和设置在底盘1101的两端的第一履带1102，导轨1201通过铰支撑15和液压斜撑16设置在底盘1101的纵向前侧，驾驶舱13和动力系统14沿横向依次设置在底盘1101的纵向后侧。
具体的，导轨1201的横向前端和横向后端分别设置有前地撑17和后地撑18，用于支撑导轨1201并保持一定的方向。
本发明给出了一种无接头连续截水帷幕构筑装置，如图1至图3所示，包括支撑机构1，支撑机构1上设置有动力机构2、灌注机构3和驾驶仓4，支撑机构1上还设置有竖向移动机构5，竖向移动机构5的下端连接有切削机构6；
竖向移动机构5包括固定设置在支撑机构1上的竖向定位杆501和在竖向定位杆501上可移动设置的移动板502，移动板502的下端设置有竖向液压支撑503；
切削机构6包括在移动板502的竖向中部固定设置的主传动轮保护壳601，主传动轮保护壳601的内部可转动安装有主传动轮602；还包括在移动板502的竖向下部设置的多节依次相连的刀具箱603，刀具箱603中连通设置注浆管604，顶部第一节刀具箱603固定安装在移动板502的下部，底部第一节刀具箱603的下端可转动安装有从传动轮605，主传动轮602和从传动轮605之间设置有两排平行的链条606，链条606绕刀具箱603的外表面，链条606上等间距布设有多个菱形切削齿排607；
每一个刀具箱603的横向前端面和竖向前端面的下半部开设有多个注浆孔608，注浆孔608与灌注机构4依次通过刀具箱603内注浆管604和注浆软管609相连；
动力机构3与主传动轮602之间通过第一油管8相连。
在上述技术方案中，通过支撑机构1、动力机构2、灌注机构3、切削机构6，在保证了帷幕深度的同时，实现了截水帷幕原位横向连续切削、注浆、搅拌、插筋施工，将常规的横向2～8m设置1个接头的帷幕施工方式改变为原位无接头施工方式，实现了截水帷幕横向连续成墙、原位构筑帷幕施工，避免了出现截水帷幕接头，减少了防渗墙渗漏点，增强了截水帷幕的施工效率和截水效果，解决了现有技术中帷幕墙强度不够且截水帷幕接头数量多导致截水效率差的技术问题。
具体的，主传动轮保护壳601的内部的固定设置有第一中心轴6010，第一中心轴6010上可转动设置有主传动轮602，主传动轮602与第一中心轴6010之间设置有轴承6011；底部第一节刀具箱603的下端设置有第二中心轴6012，第二中心轴6012上可转动设置有从传动轮605。
具体的，支撑机构包括支撑底盘101，第二履带102，液压柱103、圆形转盘104和支架105，支撑底盘101的两侧可转动设置有第二履带102，支撑底盘101的上部设置有可转动的圆形转盘104，圆形转盘104的纵向前侧设置有沿横向的支架105，圆形转盘104的纵向后侧设置有动力机构2和灌注机构3和驾驶仓4，支架105上的纵向前端面上固定安装竖向定位杆501；支架的横向两端的底部均设置液压柱103。
具体的，每一节刀具箱603之间通过螺栓连接，每一节刀具箱603的长度为0.5～2m，螺栓连接方便安装与拆卸。
具体的，相邻的菱形切削齿排607之间的距离为0.4～1.5m。
具体的，竖向移动杆501横向前端面和和横向后端面上对称设置有限位槽504，限位槽用于限制移动板移动方向和位置，保证移动板在移动时不会发生偏移。
具体的，刀具箱603的内部还设置有输气管6013，输气管6013的一端与注浆孔608相连，另一端与外部空气压缩机相连，输气管用于在注浆管发生堵塞是进行疏通，以及在油压不足时，对注浆孔加压，使得浆液能够从注浆孔高压喷出。
具体的，支架105上还设置有斜撑液压支柱106，用于保证支架105的稳定性。
本发明还给出了一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法，如图6至图9所示，采用水平定向钻搅拌装置和无接头连续截水帷幕构筑装置，具体包括以下步骤：
步骤一，在矿山拟建造截水帷幕位置进行水文地质探查，得到矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征、补径排条件、各地层渗透系K、孔隙率e、标贯击实数N、粒径和单轴抗压强度fr、地层界线和埋深；
水文地质探查包括物探和钻探、水化学分析和示踪试验；
步骤二，根据步骤一得到的矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征，选择过水区域、过水断面作为矿山截水帷幕施工位置，并依次确定截水帷幕平面位置、顶底界线、截水帷幕厚度D设计，确定底层的浅层截水帷幕和深层截水帷幕的临界深度值h0；
当截水帷幕深度h≤h0，设定为浅层区，采用浅层截水帷幕构筑工艺，当截水帷幕深度h＞h0，设定为深层区，采用深层截水帷幕构筑工艺；
步骤三，根据步骤二确定的截水帷幕平面位置以及确定的深层区，在地面布设水平定向钻搅拌装置，并采用水平定向钻搅拌装置沿截水帷幕平面位置方向施工水平定向钻孔；
步骤四，动力系统14通过油压调整液压斜撑16和铰支撑15，进而改变导轨1201角度，动力系统14通过液压管1205驱动液压推动端1202前进或后退，进而带动动力端1204转动，驱使动力杆1203旋转，带动钻杆1206转动，钻杆1206前端的钻头1207切削、破碎岩土体形成钻孔轨迹25；
钻头1207后端的随钻测量系统1208实时测量钻头1207的位置坐标，并将测得的位置坐标实时反馈给信号接受系统1209，信号接收系统1209接收随钻测量系统1208反馈的位置坐标，并对比随钻测量系统1208反馈的位置坐标与设计轨迹是否有偏差，若有则调整钻头1207的钻进方向；
步骤五，调整好钻头1207走向后沿着截水帷幕平面位置方向进行水平段钻孔，待施工至设计位置后，得到水平定向钻先导孔23；
步骤六，将钻杆1206前端的钻头1207更换为水平搅拌杆12010，水平搅拌杆12010在水平定向钻先导孔23的孔底采用后退式旋转、搅拌地层的方式施工第节水平定向钻搅拌桩22；
水平搅拌杆在旋转的过程中，通过第一搅拌齿1201101和第二搅拌齿1201102切削地层，切削过程中通过第一喷射嘴1201201、第二喷射嘴1201201向地层喷射水泥浆液，水平搅拌杆12010将切削得到的原位地层材料与水泥浆液搅拌混合为整体，形成圆柱状的水平定向钻搅拌桩22；
水平定向钻搅拌桩22的半径为Rk且Rk-2＞Rk-1＞Rk；
水平定向钻搅拌桩22的强度fRk≥10MPa，水平定向钻搅拌桩22的渗透系数KRk≤10-6cm/s；
其中：n≥k≥1；
步骤七，重复步骤四至步骤六，由底部隔水层位置向上依次施工至第k节水平定向钻搅拌桩22；直至到达浅层区与深层区的帷幕分界线19时，第一段深部截水帷幕施工作业结束，形成近三角形深部截水帷幕21；
第k节水平定向钻搅拌桩22与第k-1节水平定向钻搅拌桩22存在部分咬合，咬合部分的咬合宽度为Sdi；
底部的咬合部分的面积大于顶部的咬合部分的面积；
其中：Sdi≥D设计，i＝1～n-1；
步骤八，重复步骤三～七，直至施工完成截水帷幕平面位置上每一段的近三角形深部截水帷幕21；
步骤九，在深部截水帷幕上方截水帷幕平面位置上布设无接头连续截水帷幕构筑装置，动力机构2通过第一油管8的油压驱动主传动轮602转动，主传动轮602带动刀具箱603外侧的链条606环状转动，链条606上等间距布置的菱形切削齿排607向下切削原位地层；
其中，每当切削深度达到1节刀具箱的长度时增设1节刀具箱603，直至切削到浅层区与深层区的帷幕分界线19；
步骤十，切削到浅层区与深层区的帷幕分界线19后，第一履带1102沿截水帷幕线方向向前移动，动力机构2通过第一油管8的油压驱动主传动轮602转动，主传动轮602带动刀具箱603外侧的链条606环状转动，链条606上等间距布置的菱形切削齿排607沿着截水帷幕线方向向前切削原位地层；
步骤十一，灌注机构4进行制浆和注浆，浆液由灌注机构4经过注浆软管609输送至刀具箱603内部的注浆管604，最终输送至注浆孔608并高压喷出，与菱形切削齿排607切削的地层破碎屑混合，形成连续的浅部原位截水帷幕20；
步骤十二，步骤三～八形成的深部截水帷幕与步骤九～十一形成的浅部原位截水帷幕有机连接，得到超深侧向截水帷幕。
在上述技术方案中，通过无接头连续截水帷幕构筑装置与水平定向钻搅拌装置，实现了浅部地层无接头连续截水帷幕构筑工艺和深部水平定向钻搅拌工艺的结合，通过先施工近三角形深部截水帷幕21，后施工浅部无接头连续截水帷幕，将浅部截水帷幕嵌套入深部截水帷幕，实现了浅部与深部截水帷幕的有机连接，减少了过水接头数量和渗水断面，提高了矿山超深侧向截水帷幕的截水效果；此外，截水帷幕深度可突破200m，大幅度降低了矿山超深侧向截水帷幕的施工难度，提高了施工效率，保证了施工质量和截水效果，解决了采用现有技术中矿山超深截水帷幕构筑施工难度大的技术问题。
在上述技术方案中，浅部无接头连续截水帷幕具有连续构筑、一次成型功能，减少了截水帷幕的接头数量，保证了防渗效果；近三角形深部截水帷幕21采用先导孔引孔、后退式搅拌成桩方法，实现了深部截水帷幕精准导向、连续构筑和有效连接，减少了钻孔无效进尺和注浆材料，增大了侧向截水帷幕的构筑深度。
具体的，步骤三中，钻头的位置坐标的计算方式如公式1所示：
Figure BDA0003723040280000161
其中：
X表示测量点X轴坐标值；
Y表示测量点Y轴坐标值；
Z表示测量点Z轴坐标值；
L表示测量点的斜深；
H表示测量点的垂深；
ΔX表示测量点X轴坐标增值；
ΔY表示测量点Y轴坐标增值；
ΔZ表示测量点Z轴坐标增值；
ΔL表示测量点的斜深增值；
ΔH表示测量点的垂深增值。

Claims (13)

1.一种水平定向钻搅拌装置，包括支撑结构(11)，所述的支撑结构(11)上设置有钻孔结构(12)、驾驶舱(13)和动力系统(14)，其特征在于，
所述的钻孔结构(12)包括可调节设置在支撑结构(11)上的导轨(1201)，所述的导轨(1201)上部设置有沿横向依次设置有液压推力端(1202)、动力杆(1203)和动力端(1204)，所述的液压推力端(1202)与动力系统(14)通过液压管(1205)相连，所述的动力端(1204)上连接有钻杆(1206)，所述的钻杆(1206)上靠近钻头(1207)处设置有随钻测量系统(1208)；所述的导轨(1201)的侧面靠近动力端(1204)处设置有信号接收系统(1209)；
所述的钻孔结构(12)还包括水平搅拌杆(12010)，所述的水平搅拌杆(12010)上沿轴向等间距设置有多组搅拌齿(12011)，每一组所述的搅拌齿(12011)之间设置有一组喷射嘴(12012)；
每一组所述的搅拌齿(12011)包括错位设置有的第一搅拌齿(1201101)和第二搅拌齿(1201102)；每一组所述的喷射嘴(12012)包括错位设置的第一喷射嘴(1201201)和第二喷射嘴(1201202)。
2.如权利要求1所述的水平定向钻搅拌装置，其特征在于，所述的支撑结构(11)包括底盘(1101)和设置在底盘(1101)的两端的第一履带(1102)，所述的导轨(1201)通过铰支撑(15)和液压斜撑(16)设置在底盘(1101)的纵向前侧，所述的驾驶舱(13)和动力系统(14)沿横向依次设置在底盘(1101)的纵向后侧。
3.如权利要求1所述的水平定向钻搅拌装置，其特征在于，所述的导轨(1201)的横向前端和横向后端分别设置有前地撑(17)和后地撑(18)。
4.一种无接头连续截水帷幕构筑装置，包括支撑机构(1)，所述的支撑机构(1)上设置有动力机构(2)、灌注机构(3)和驾驶仓(4)，其特征在于，所述的支撑机构(1)上还设置有竖向移动机构(5)，所述的竖向移动机构(5)的下端连接有切削机构(6)；
所述的竖向移动机构(5)包括固定设置在支撑机构(1)上的竖向定位杆(501)和在竖向定位杆(501)上可移动设置的移动板(502)，所述的移动板(502)的下端设置有竖向液压支撑(503)；
所述的切削机构(6)包括在移动板(502)的竖向中部固定设置的主传动轮保护壳(601)，所述的主传动轮保护壳(601)的内部可转动安装有主传动轮(602)；还包括在移动板(502)的竖向下部设置的多节依次相连的刀具箱(603)，所述的刀具箱(603)中连通设置注浆管(604)，顶部第一节所述的刀具箱(603)固定安装在移动板(502)的下部，底部第一节所述的刀具箱(603)的下端可转动安装有从传动轮(605)，所述的主传动轮(602)和从传动轮(605)之间设置有两排平行的链条(606)，所述的链条(606)绕刀具箱(603)的外表面，所述的链条(606)上等间距布设有多个菱形切削齿排(607)；
每一个所述的刀具箱(603)的横向前端面和竖向前端面的下半部开设有多个注浆孔(608)，所述的注浆孔(608)与所述的灌注机构(4)依次通过刀具箱(603)内注浆管(604)和注浆软管(609)相连；
所述的动力机构(3)与主传动轮(602)之间通过第一油管(8)相连。
5.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，所述的主传动轮保护壳(601)的内部的固定设置有第一中心轴(6010)，所述的第一中心轴(6010)上可转动设置有主传动轮(602)，所述的主传动轮(602)与第一中心轴(6010)之间设置有轴承(6011)；底部第一节所述的刀具箱(603)的下端设置有第二中心轴(6012)，所述的第二中心轴(6012)上可转动设置有从传动轮(605)。
6.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，所述的支撑机构包括支撑底盘(101)，第二履带(102)，液压柱(103)、圆形转盘(104)和支架(105)，所述的支撑底盘(101)的两侧可转动设置有第二履带(102)，所述的支撑底盘(101)的上部设置有可转动的圆形转盘(104)，所述的圆形转盘(104)的纵向前侧设置有沿横向的支架(105)，所述的圆形转盘(104)的纵向后侧设置有动力机构(2)和灌注机构(3)和驾驶仓(4)，所述的支架(105)上的纵向前端面上固定安装竖向定位杆(501)；所述的支架的横向两端的底部均设置液压柱(103)。
7.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，每一节所述的刀具箱(603)之间通过螺栓连接，每一节所述的刀具箱(603)的长度为0.5～2m。
8.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，相邻的所述的菱形切削齿排(607)之间的距离为0.4～1.5m。
9.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，所述的竖向移动杆(501)横向前端面和和横向后端面上对称设置有限位槽(504)。
10.如权利要求4所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，所述的刀具箱(603)的内部还设置有输气管(6013)，所述的输气管(6013)的一端与注浆孔(608)相连，另一端与外部空气压缩机相连。
11.如权利要求6所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，其特征在于，所述的支架(105)上还设置有斜撑液压支柱(106)。
12.一种矿山超深侧向截水帷幕构筑方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的水平定向钻搅拌装置和权利要求4至11任一项所述的无接头连续截水帷幕构筑装置，具体包括以下步骤：
步骤一，在矿山拟建造截水帷幕位置进行水文地质探查，得到矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征、补径排条件、各地层渗透系K、孔隙率e、标贯击实数N、粒径和单轴抗压强度fr、地层界线和埋深；
所述的水文地质探查包括物探和钻探、水化学分析和示踪试验；
步骤二，根据步骤一得到的矿山拟建截水帷幕区域的水文地质特征，选择过水区域、过水断面作为矿山截水帷幕施工位置，并依次确定截水帷幕平面位置、顶底界线、截水帷幕厚度D设计，确定底层的浅层截水帷幕和深层截水帷幕的临界深度值h0；
当所述的截水帷幕深度h≤h0，设定为浅层区，采用浅层截水帷幕构筑工艺，当所述的截水帷幕深度h＞h0，设定为深层区，采用深层截水帷幕构筑工艺；
步骤三，根据步骤二确定的截水帷幕平面位置以及确定的深层区，在地面布设水平定向钻搅拌装置，并采用水平定向钻搅拌装置沿截水帷幕平面位置方向施工水平定向钻孔；
步骤四，动力系统(14)通过油压调整液压斜撑(16)和铰支撑(15)，进而改变导轨(1201)角度，动力系统(14)通过液压管(1205)驱动液压推动端(1202)前进或后退，进而带动动力端(1204)转动，驱使动力杆(1203)旋转，带动钻杆(1206)转动，钻杆(1206)前端的钻头(1207)切削、破碎岩土体形成钻孔轨迹(25)；
所述的钻头(1207)后端的随钻测量系统(1208)实时测量钻头(1207)的位置坐标，并将测得的位置坐标实时反馈给信号接受系统(1209)，信号接收系统(1209)接收随钻测量系统(1208)反馈的位置坐标，并对比随钻测量系统(1208)反馈的位置坐标与设计轨迹是否有偏差，若有则调整钻头(1207)的钻进方向；
步骤五，调整好钻头(1207)走向后沿着截水帷幕平面位置方向进行水平段钻孔，待施工至设计位置后，得到水平定向钻先导孔(23)；
步骤六，将钻杆(1206)前端的钻头(1207)更换为水平搅拌杆(12010)，水平搅拌杆(12010)在水平定向钻先导孔(23)的孔底采用后退式旋转、搅拌地层的方式施工第节水平定向钻搅拌桩(22)；
所述的水平搅拌杆在旋转的过程中，通过第一搅拌齿(1201101)和第二搅拌齿(1201102)切削地层，切削过程中通过第一喷射嘴(1201201)、第二喷射嘴(1201201)向地层喷射水泥浆液，水平搅拌杆(12010)将切削得到的原位地层材料与水泥浆液搅拌混合为整体，形成圆柱状的水平定向钻搅拌桩(22)；
所述的水平定向钻搅拌桩(22)的半径为Rk且Rk-2＞Rk-1＞Rk；
所述的水平定向钻搅拌桩(22)的强度fRk≥10MPa，水平定向钻搅拌桩(22)的渗透系数KRk≤10-6cm/s；其中n≥k≥1；
步骤七，重复步骤四至步骤六，由底部隔水层位置向上依次施工至第k节水平定向钻搅拌桩(22)；直至到达浅层区与深层区的帷幕分界线(19)时，第一段深部截水帷幕施工作业结束，形成近三角形深部截水帷幕(21)；
所述的第k节水平定向钻搅拌桩(22)与第k-1节水平定向钻搅拌桩(22)存在部分咬合，所述的咬合部分的咬合宽度为Sdi；
底部的所述的咬合部分的面积大于顶部的所述的咬合部分的面积；
其中：Sdi≥D设计，i＝1～n-1；
步骤八，重复步骤三～七，直至施工完成截水帷幕平面位置上每一段的近三角形深部截水帷幕(21)；
步骤九，在深部截水帷幕上方截水帷幕平面位置上布设无接头连续截水帷幕构筑装置，动力机构(2)通过第一油管(8)的油压驱动主传动轮(602)转动，主传动轮(602)带动刀具箱(603)外侧的链条(606)环状转动，链条(606)上等间距布置的菱形切削齿排(607)向下切削原位地层；
其中，每当切削深度达到1节刀具箱的长度时增设1节刀具箱(603)，直至切削到浅层区与深层区的帷幕分界线(19)；
步骤十，切削到浅层区与深层区的帷幕分界线(19)后，第一履带(1102)沿截水帷幕线方向向前移动，动力机构(2)通过第一油管(8)的油压驱动主传动轮(602)转动，主传动轮(602)带动刀具箱(603)外侧的链条(606)环状转动，链条(606)上等间距布置的菱形切削齿排(607)沿着截水帷幕线方向向前切削原位地层；
步骤十一，灌注机构(4)进行制浆和注浆，浆液由灌注机构(4)经过注浆软管(609)输送至刀具箱(603)内部的注浆管(604)，最终输送至注浆孔(608)并高压喷出，与菱形切削齿排(607)切削的地层破碎屑混合，形成连续的浅部原位截水帷幕(20)；
步骤十二，步骤三～八形成的深部截水帷幕与步骤九～十一形成的浅部原位截水帷幕有机连接，得到超深侧向截水帷幕。
13.如权利要求12所述的矿山超深侧向截水帷幕原位构筑方法，其特征在于，步骤三中，所述的钻头的位置坐标的计算方式如公式1所示：
Figure FDA0003723040270000071
其中：
X表示测量点X轴坐标值；
Y表示测量点Y轴坐标值；
Z表示测量点Z轴坐标值；
L表示测量点的斜深；
H表示测量点的垂深；
ΔX表示测量点X轴坐标增值；
ΔY表示测量点Y轴坐标增值；
ΔZ表示测量点Z轴坐标增值；
ΔL表示测量点的斜深增值；
ΔH表示测量点的垂深增值。
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