一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法

1.本发明涉及地下矿井施工技术领域，具体涉及一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法。


背景技术：

2.目前，地下矿井水害的防治技术原理主要是封堵充水通道和/或疏排充水水源。对于水量小、水压低的水源采用疏排的方法很容易疏干，强排即可解决矿井涌水问题。如果水源充沛且水量、水压较大以致涌水量超过矿井排水系统能力时，强排不仅造成排水成本高，不能充分解决矿井涌水问题，而且还造成了地下水的失衡。例如，我国西南地区岩层多为碳酸岩类，岩溶裂隙发育且富水性较强，井巷揭露时水源点较为分散且水力联系复杂，巷道涌水呈现全断面线式淋水状态且出水量较大，这种情况下分散的岩溶水不易精准探测且难以疏干，而封堵充水通道是有效防治这类水的关键。目前，工程中主要是通过注浆技术对井巷围岩裂隙进行封堵，如水泥单液注浆、水泥-水玻璃双液注浆和化学注浆等。当前注浆存在的问题是难以实现定向精准封堵围岩裂隙充水通道，受随机裂隙和地应力及浆液材料等因素影响，浆液扩散不均匀且存在跑浆、漏浆、窜浆现象，注浆已成为“黑箱”问题致使注浆效果现场难以直观判断，以致往往达不到理想注浆目的且注浆成本较高。因此，亟需发明一种岩溶裂隙巷道围岩注浆堵水方法，实现低成本、高效率的注浆堵水目的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，解决现有注浆难以精准定向进行封堵、注浆效果不理想的问题。
4.为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
5.s1.确定浆液最小扩散半径：在井下岩体中钻凿不同方向的试验钻孔，利用压裂注浆系统进行岩体注浆扩散半径实验，注浆结束后借助地质雷达和钻孔电视综合确定浆液在设计压力和流量下的最小扩散半径；
6.s2.测定巷道围岩松动圈厚度：沿巷道四周间隔钻凿若干松动圈钻孔，采用钻孔电视测定巷道围岩松动圈范围，确定巷道围岩松动圈厚度；
7.s3.施工注浆钻孔：在涌水区域巷道四周围岩中均匀钻凿孔深度大于松动圈厚度、孔底距小于浆液扩散直径的注浆钻孔；
8.s4.安装压裂注浆系统：将浆液泵出口通过输浆软管依次与控制阀门、输浆钢管连接，输浆钢管端部连接有注浆花管，注浆花管两端固定有封孔器，输液泵与浆液槽相连，注浆花管置于注浆钻孔孔底；
9.s5.压裂注浆构筑封闭圈：先用水对压裂注浆系统冲洗并进行调试，然后设定压裂注浆压力和流量自巷道底板至顶板逐孔进行压裂注浆直至流量骤减且相邻注浆钻孔出浆为止，各注浆钻孔周边扩散的浆液凝固后，即在巷道松动圈外围构筑形成具有隔水性能的
人造环形封闭圈；
10.s6.拆除设备和封堵钻孔：压裂注浆完成后，关闭浆液泵，拆除压裂注浆设备并及时进行注浆钻孔封堵。
11.更进一步的技术方案是所述步骤s1中试验钻孔孔径40～90mm，孔深5～10m；设计注浆压力为10～30mpa，设计注浆流量额定值为200～400l/min，浆液成分为水泥浆、水泥水玻璃双液浆或化学浆。
12.更进一步的技术方案是所述步骤s2中松动圈钻孔孔径30～60mm，钻孔孔深3～5m，数量5～8个。
13.更进一步的技术方案是所述步骤s5中浆液泵对浆液槽输送的浆液进行加压，由输浆软管经控制阀门输送到注浆钻孔中的输浆钢管，再输送到孔底两封孔器之间的注浆花管中，由注浆花管的喷嘴喷出，在封孔器的两端封堵密闭下，浆液以高压方式压裂周边围岩并进行扩散，通过巷道四周多个注浆钻孔的联合压裂注浆，最终在巷道松动圈外围形成具有隔水性能的人造环形封闭圈。
14.更进一步的技术方案是所述输浆钢管为由每节1～2m长的耐高压无缝钢管通过螺纹连接、直径40～60mm，输浆钢管头部与等径的注浆花管通过封孔器螺纹相连，尾部通过控制阀门与输浆软管相连。
15.更进一步的技术方案是所述注浆花管材质为耐高压无缝钢管，压裂注浆时位于注浆钻孔孔底，注浆花管长度0.5～1.5m，直径不超过输浆钢管，喷嘴沿其管身径向均匀成排布置，每排布置3～6个，排距20～30cm，喷嘴直径1～3cm。
16.更进一步的技术方案是所述封孔器安装在注浆花管两端，密封方式为两端双封，在高压浆液输送过来时封孔器会迅速膨胀封闭注浆钻孔产生密闭空间，促使注浆花管喷出的浆液保压压裂围岩并进行扩散；所述封孔器为橡胶材质，长度0.5～1.5m，直径比输浆钢管大1～3cm，径向膨胀量2～3cm，耐高压70mpa以上。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.(1)通过前期的试验钻孔和松动圈钻孔，结合地质雷达和钻孔电视，确定岩体最小扩散半径和松动圈厚度，为后续的注浆钻孔深度和孔距、高压注浆等提供依据，使注浆封堵方向更加精准和有效。
19.(2)采用压裂注浆方式在涌水巷道围岩松动圈外人工构筑具有全断面隔水性能的封闭圈，能够在远场有效切断充水通道，不受近场复杂采动裂隙影响，避免了传统注浆过程中产生的漏浆、窜浆和跑浆现象。
20.(3)通过在注浆钻孔中布置两个封堵器进行双封密闭压裂，实现了浆液的定向有序扩散，通过压裂方式提高了浆液扩散速度和扩散距离，同比以往浆液盲目扩散的自由注浆方法大大减小了浆液用量和近场采动裂隙吃浆造成的浪费。
21.(4)该方法对于单液浆、双液浆及化学浆均具有较好的适应性，通过相邻注浆孔是否出浆可以直观判断浆液扩散是否到位，克服了以往注浆效果难以现场直观检测的缺陷。
附图说明
22.图1为岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水示意图；
23.图2为压裂注浆系统结构示意图；
24.图3为花管结构示意图；
25.图中：1-涌水巷道，2-松动圈，3-封闭圈，4-围岩，5-水源，6-注浆钻孔，7-压裂注浆系统，701-浆液槽，702-浆液泵，703-输浆软管，704-控制阀门，705-输浆钢管，706-封孔器，707-注浆花管，7071-喷嘴。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.图1为本发明岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法示意图。若巷道1开挖以后，在采动应力作用下巷道1的围岩4中出现一定厚度的松动圈2，松动圈2的厚度可采用钻孔电视进行直观测量。为了防止围岩4中隐伏存在的岩溶裂隙水源5充入巷道1中，本发明的主要原理是：首先，利用压裂注浆系统7(不安装封孔器706)在井下现场进行设计压力和流量下的浆液扩散实验来确定浆液最小扩散半径；然后，在巷道1四周围岩4中均匀间隔钻凿深度大于松动圈2厚度的一定数量和孔径的注浆钻孔6，孔底距小于浆液最小扩散半径；其次，将浆液槽701、浆液泵702、输浆软管703、控制阀门704、输浆钢管705、两个封孔器706和带喷嘴7071的注浆花管707组装形成压裂注浆系统7(如图2所示)并在现场进行布设安装。在设计压力和流量的压裂注浆过程中，浆液槽701中的浆液输送到浆液泵702中进行加压，然后经输浆软管703输送到注浆钻孔6中的输浆钢管705中，再传输到注浆钻孔6孔底的注浆花管707中，注浆花管707两端各螺纹连接有一个封孔器706，在高压浆液的作用下，封孔器706迅速产生膨胀，由此在孔底形成密闭空间，注浆花管707的喷嘴7071喷射出的浆液得以憋压并以较高压力压裂密闭空间围岩，实现浆液的定向扩散。注浆钻孔6的邻孔可作为观测孔，当邻孔出浆时停止压裂注浆，表明两孔之间岩体已被扩散的浆液覆盖。压裂注浆自巷道底板逐孔向顶板进行，所有注浆钻孔6压裂注浆完成后即在巷道松动圈2外形成一定厚度的具有隔水性能的人造环形的封闭圈3。
28.下面结合一实施例说明本发明的步骤：
29.某磷矿巷道工程主要位于寒武系下统中谊村组和渔户村组上部(∈1z+∈1y)碳酸盐岩岩溶裂隙含水层中，巷道埋深240m，断面尺寸净宽4.5m、墙高2.0m、拱高1.5m，围岩岩性主要为白云岩和磷块岩，工程揭露发现围岩岩溶裂隙水发育，巷道全断面均出现大范围淋涌水，最大涌水量200m3/h，巷道施工和排水较为困难。本实施例采用马丽散浆液对巷道围岩进行压裂注浆的步骤实施如下：
30.(s1)确定浆液最小扩散半径：在井下巷道1迎头工作面采用凿岩台车朝正前方、右方和上方围岩4中钻凿三个方向深度15m，孔径42mm的试验钻孔，利用压裂注浆系统7进行岩体注浆扩散半径实验，注浆结束后借助sir-4000型地质雷达和gd3q-ga型钻孔电视等物探和钻探方法综合确定得出马丽散浆液在20mpa注浆压力、200l/min流量下的最小扩散半径约为1.5m；
31.(s2)测定巷道围岩松动圈厚度：沿巷道1两帮和顶板中采用凿岩台车均匀间隔钻凿7个深度3.5m，孔径42mm的松动圈钻孔，采用gd3q-ga型钻孔电视测定巷道各个钻孔中围岩松动圈范围，确定巷道围岩松动圈2最大厚度为1.8m；
32.(s3)施工注浆钻孔：在涌水区域巷道四周围岩中采用凿岩台车均匀钻凿10个孔深5m、孔径42mm的注浆钻孔6，要求钻孔孔底距小于浆液扩散半径；
33.(s4)安装压裂注浆系统：现场组装封孔器706、注浆花管707、输浆钢管705、控制阀门704、输浆软管703和浆液泵702及浆液槽701等形成整套压裂注浆系统并进行安装。封孔器706长度1.0m，直径38mm，橡胶材质耐压70mpa；注浆花管707为耐高压无缝钢管，长1.0m，直径32mm，喷嘴7071沿其管身径向均匀成排布置，每排布置3个，排距25cm，喷嘴直径1cm。输浆钢管705每节长1.0m、直径38mm，由2节螺纹连接组成；控制阀门704为开关阀门，与输浆钢管705和输浆软管703通过u型卡连接；输浆软管703为橡胶材质，直径30mm，耐高压70mpa；浆液泵702最大流量和泵压分别为400l/min和50mpa；浆液槽701用以混合搅拌马丽散，容积1m3。
34.(s5)压裂注浆构筑封闭圈：先用水对压裂注浆系统7冲洗并进行系统调试，然后设定压裂注浆压力和流量分别为20mpa和200l/min，自巷道1底板至顶板逐孔进行压裂注浆直至流量骤减且相邻注浆钻孔6出浆为止，待各注浆钻孔6周边扩散的浆液凝固后即在巷道1松动圈2外围构筑形成具有隔水性能的厚度为1.0m的人造环形封闭圈3；
35.(s6)拆除设备和封堵钻孔：压裂注浆完成后，关闭浆液泵702，拆除压裂注浆系统设备并及时进行钻孔封堵。
36.采用上述压裂注浆堵水方法后，巷道内总涌水量小于10m3/h，取得了良好的注浆堵水效果。
37.尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的范围和精神之内。更具体地说，在本技术公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件或布局进行多种变形和改进。除了对组成部件或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

技术特征：
1.一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述方法步骤如下：s1.确定浆液最小扩散半径：在井下岩体中钻凿不同方向的试验钻孔，利用压裂注浆系统进行岩体注浆扩散半径实验，注浆结束后借助地质雷达和钻孔电视综合确定浆液在设计压力和流量下的最小扩散半径；s2.测定巷道围岩松动圈厚度：沿巷道四周间隔钻凿若干松动圈钻孔，采用钻孔电视测定巷道围岩松动圈范围，确定巷道围岩松动圈厚度；s3.施工注浆钻孔：在涌水区域巷道四周围岩中均匀钻凿孔深度大于松动圈厚度、孔底距小于浆液扩散直径的注浆钻孔；s4.安装压裂注浆系统：将浆液泵出口通过输浆软管依次与控制阀门、输浆钢管连接，输浆钢管端部连接有注浆花管，注浆花管两端固定有封孔器，输液泵与浆液槽相连，注浆花管置于注浆钻孔孔底；s5.压裂注浆构筑封闭圈：先用水对压裂注浆系统冲洗并进行调试，然后设定压裂注浆压力和流量自巷道底板至顶板逐孔进行压裂注浆直至流量骤减且相邻注浆钻孔出浆为止，各注浆钻孔周边扩散的浆液凝固后，即在巷道松动圈外围构筑形成具有隔水性能的人造环形封闭圈；s6.拆除设备和封堵钻孔：压裂注浆完成后，关闭浆液泵，拆除压裂注浆设备并及时进行注浆钻孔封堵。2.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤s1中试验钻孔孔径40～90mm，孔深5～10m；设计注浆压力为10～30mpa，设计注浆流量额定值为200～400l/min，浆液成分为水泥浆、水泥水玻璃双液浆或化学浆。3.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤s2中松动圈钻孔孔径30～60mm，钻孔孔深3～5m，数量5～8个。4.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤s5中浆液泵对浆液槽输送的浆液进行加压，由输浆软管经控制阀门输送到注浆钻孔中的输浆钢管，再输送到孔底两封孔器之间的注浆花管中，由注浆花管的喷嘴喷出，在封孔器的两端封堵密闭下，浆液以高压方式压裂周边围岩并进行扩散，通过巷道四周多个注浆钻孔的联合压裂注浆，最终在巷道松动圈外围形成具有隔水性能的人造环形封闭圈。5.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述输浆钢管为由每节1～2m长的耐高压无缝钢管通过螺纹连接、直径40～60mm，输浆钢管头部与等径的注浆花管通过封孔器螺纹相连，尾部通过控制阀门与输浆软管相连。6.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述注浆花管材质为耐高压无缝钢管，压裂注浆时位于注浆钻孔孔底，注浆花管长度0.5～1.5m，直径不超过输浆钢管，喷嘴沿其管身径向均匀成排布置，每排布置3～6个，排距20～30cm，喷嘴直径1～3cm。7.根据权利要求1所述的一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，其特征在于：所述封孔器安装在注浆花管两端，密封方式为两端双封，在高压浆液输送过来时封孔器会迅速膨胀封闭注浆钻孔产生密闭空间，促使注浆花管喷出的浆液保压压裂围岩并进行扩散；所述封孔器为橡胶材质，长度0.5～1.5m，直径比输浆钢管大1～3cm，径向膨胀量2～3cm，耐高压70mpa以上。

技术总结
本发明公开了一种岩溶裂隙巷道围岩压裂注浆堵水方法，涉及地下矿井施工技术领域。在巷道围岩上钻凿不同方向的试验钻孔，确定浆液在设计压力和流量下的最小扩散半径；沿巷道四周间隔钻凿松动圈钻孔，采用钻孔电视确定松动圈厚度；在涌水区域巷道四周围岩中均匀钻凿注浆钻孔；组装压裂注浆系统，输液泵与浆液槽相连，注浆花管置于注浆钻孔孔底；先用水对压裂注浆系统冲洗并进行调试，然后设定压裂注浆压力和流量自巷道底板至顶板逐孔进行压裂注浆直至流量骤减且相邻注浆钻孔出浆为止，各注浆钻孔周边扩散的浆液凝固后，即在巷道松动圈外围构筑形成具有隔水性能的人造环形封闭圈。上述方法实现了浆液的定向远距离扩散，有效切断了充水通道。了充水通道。了充水通道。


技术研发人员：吴浩 王孟来 王宗勇 李树建 王万禄 张吉雄 马丹 刘映辉 张斌 周帆 魏立军 李樯
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/9/16