CN106761852B - 广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，通过在煤岩内打设多组钻孔，采用深孔承压微爆技术，一方面有效增加煤岩体内的卸压增裂空间，另一方面充分发挥孔内装药周边固液耦合传爆介质的高效均匀传载特性，降低******剧烈超动载效应，扩大煤岩体卸压增裂范围，充分实现煤体内主、次导水裂隙的大空间、全方位贯通，形成大范围裂隙孔网结构，后续的高压注浆封堵作业将有利于煤岩体内主、次导水裂隙的全面封堵，形成广域的注浆帷幕，大面积阻断围岩导水裂隙通道，堵水效果显著，实现了孔内******超动载作用下的静态破岩增裂与围岩广域导水裂隙的全面封堵。
Description
技术领域
本发明涉及一种广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水技术，可用于广域地表水、承压水、地下暗河以及裂隙水影响下的煤岩增透、增裂、注浆堵水、卸压、防冲等领域，保障富水矿区煤矿和隧道工程的高效生产和安全开挖。
背景技术
我国水资源赋存丰富，地表水、地下潜水、地下暗河及承压水分布广泛。在煤矿和隧道工程正常开采和开挖过程中，经常会受到不同程度的水害侵扰问题。例如，在浅埋煤层和隧道的开采与开挖过程中，受开采扰动及覆岩断裂影响，顶板裂隙将广泛发育贯通，波及地表广域水源，诱发大范围的工程渗水或突水灾害；对于中深部煤层的开采，同样由于煤层开采扰动及顶板大范围垮断影响，当覆岩裂隙导通富水岩层、地下暗河或承压水层后，将给煤矿和隧道工程正常生产和开挖带来严重突水隐患，威胁工人生命安全，造成巨大经济损失；伴随煤炭资源转向深部开采的趋势，深部厚及特厚煤层上方经常赋存有煤层采空区积水、潜水层、承压含水层、地下暗河等广域富水水源，加之厚及特厚煤层开采后的大空间顶板结构大范围失稳垮断联合深部高应力的综合作用，覆岩导水裂隙极易贯通上覆广域富水区，从而埋下不同程度的突水隐患，不利于矿井和隧道工程的安全生产与开挖，对社会经济和效益造成恶劣影响。
鉴于此，煤矿现场和隧道施工过程中经常采取加强水源超前物探，坚持探水和放水相结合的技术措施，防治生产施工作业过程中富水区的突水隐患。然而，对于广域水源赋存条件下，采取常规的抽放水措施既不现实也不经济，且受到水源探测技术精度的限制，在加强水源辅助探测技术的基础上，往往还要再通过补打大量的探水孔加强预防，显著增加了钻孔的打钻工程量及成本，加之探水和放水孔打设位置、方向以及深度等参数的确定尚存在一定盲目性，经常将探水和放水孔打设在无水或贫水区，无法及时沟通围岩主导水裂隙，容易造成巨大的工程和经济损失。与此同时，基于煤岩的采动卸压影响，鉴于采场和巷道近区围岩导水裂隙发育，工程实践中通过采取孔内注浆封堵的措施，企图完全封堵围岩导水裂隙，防治富水煤岩突水隐患的发生，但由于堵水钻孔的打设存在盲目性，往往造成围岩钻孔打设不能准确沟通主要导水通道。当钻孔打设在无水、贫水或封闭裂隙区时，将导致钻孔注浆堵水失去意义，或者即使将钻孔打设在围岩次导水裂隙中，并有效封堵了部分次导水裂隙通道，但由于围岩主、次导水裂隙贯通度不大，钻孔局部次级裂隙的注浆封堵并不能实现对围岩主导水通道的有效封堵，在主导水通道内承压水的持续作用下，主导水裂隙将重新沟通注浆孔封堵范围以外的其他次导水裂隙，进而实现围岩导水裂隙通道的重构与改道，同样导致围岩钻孔注浆堵水效果欠佳。
综上分析，广域水源赋存条件下的抽放泄水措施既不现实也不经济，因此准确找到或沟通围岩主导水通道并进行及时注浆封堵，是解决广域水源条件下煤矿和隧道工程中突水隐患的关键，本发明提供的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水技术，通过在煤岩内打设多组钻孔，采用孔内承压微爆技术，既有效增加了煤岩体内的卸压增裂空间，又充分发挥了孔内装药周边固液耦合传爆介质的高效均匀传载特性，实现了围岩内主、次导水裂隙的充分贯通，弥补了探放水钻孔初期打设的盲目性，加之后续的高压注浆封堵作业将更有利于煤岩体内导水裂隙的全面封堵。煤岩体***裂隙孔网和主、次导水裂隙的广泛贯通辅以高压注浆封堵，利于形成广域的注浆堵水帷幕，堵水效果显著，实现了孔内******超动载作用下的静态破岩增裂与围岩广域裂隙的全面封堵，具有广泛的技术推广和应用价值。
发明内容
本发明针对广域水源赋存条件下的煤矿和隧道开采与开挖工程中的突水防治问题，提供了广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，基于孔内固液耦合传爆介质的高效均匀传载特性，实现围岩内主、次导水裂隙的广泛贯通，弥补探放水钻孔打设位置选取时的盲目性，加之后续的高压注浆封堵更有利于煤岩体内导水裂隙的全面封堵，可以较好地实现孔内******超动载作用下的静态破岩增裂与围岩广域裂隙全面封堵效果。
本发明采用的技术方案为：一种广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，包括钻孔布设、孔内装药和管线布置、孔内快速注浆封孔以及孔内注液、排气和装药引爆工序，具体包括以下步骤：
1)针对特定的富水矿区和隧道施工条件，明确注浆堵水空间范围，设计钻孔参数，确定合理孔深、孔间距、层位、倾/仰角度以及孔径等参数；采用大功率钻机进行顺序打孔作业，严格控制钻机打钻精度。
2)钻孔装药前，对***孔预先清扫，清除孔内残余煤岩粉，顺序装入定量固体***(液态***条件下暂不装药)，同步安装注液管和排气管，并将导爆索联同注液管和排气管沿孔壁排列引出孔外。
3)采用柔塑性快速注浆封孔装置，多孔同步对煤岩封孔段进行快速注浆封孔作业，封孔段长度一致。
4)待煤岩封孔段浆液凝固后，多孔同步注液、排气作业。当排气管内有液流持续流出时，关闭排气管截止阀，注液管继续注液增压，同时绑定导爆索和***、进行炮线连线作业，待人员撤到安全地点后，引爆***和孔内***。
5)孔内***引爆后，检查煤岩钻孔封堵状况，对于微爆冲孔钻孔及时采取二次封堵，待封孔段浆液二次凝固后，将堵水注浆管连接至高压注浆泵，对***煤岩体进行大空间、全方位的高压注浆封堵作业。
作为优选，所述步骤1)中钻孔参数设置：所选定的钻孔应以大孔径为宜，一般在60～100mm左右，一方面为煤岩体提供充分的卸压增裂空间，另一方面则有利于后期的装药、封孔和高压注浆作业；基于装药周边固液耦合传爆介质的高效传载特性，为满足围岩近区煤岩体结构的稳定，注浆封孔长度一般为钻孔长度的40％～60％为宜；对于钻孔间距和孔深主要视煤岩强度和原岩应力条件而定，对于坚硬煤岩应尽量遵循短孔深、小间距原则，保证坚硬煤岩裂隙充分扩展和贯通，反之对于松软煤岩应适当加大孔深和孔间距。
作为优选，所述步骤2)中钻孔装药与管线布置工序：对于一般煤岩钻孔而言，打设上仰倾向的钻孔将有利于打钻过程中煤岩粉的排运和后期的清孔作业，此时***孔内的注液管装设深度只需超过封孔段0.1～0.3m，而排气管则需装设至孔底位置；对于下俯倾向的钻孔，则需借助相应的辅助清孔设施，清运孔内残余的煤岩粉，此时需将注液管装设至孔底，而将排气管超过钻孔封孔段0.1～0.3m。同时，需将导爆索联同注液管和排气管分别沿孔壁排列引出孔外。
作为优选，所述步骤2)中孔内装药量一般少于钻孔全长普通装药***条件的1/3，选用液态***时，一般只能选择低能、低感度的液体***，如***油基液体***EL-389-B、水基稠化液体***NO.1286646、硝基烷烃基液体***、钝化TAL-1005-C等，******能量当量低于岩石******能量的1/3。
作为优选，所述步骤3)中所述的柔塑性快速注浆封孔装置，是一种带有堵水注浆管的快速封孔装置；
所述带有堵水注浆管的快速封孔装置末端视堵水注浆管口径开设尺寸匹配的侧向斜孔，堵水注浆管由侧向斜孔引出，并通过双管末端的双锥形管接头实现封堵和注浆效果；
所述堵水注浆管和柔塑性快速注浆封孔装置均为开缝柔塑性管，其中用于封孔的注浆管开缝位置位于煤岩封孔段内，而堵水注浆管开缝位置位于钻孔封孔段以外。
所述带有堵水注浆管的快速封孔装置的安设，先将环形平滑伞扣由装置末端套至末端侧向斜孔位置以上；然后将堵水注浆管由柔塑性快速注浆封孔装置的前端***并由装置末端的侧向斜孔引出0.5～1.0m；再将环形凸角伞扣由堵水注浆管的前端套入，塞进柔塑性快速注浆封孔装置管内的前端；最后将组合完毕的完整装置塞入注浆孔内，并将装置末端的环形平滑伞扣沿管壁推至距孔口0.2～0.5m的位置。
作为优选，所述步骤4)中孔内注液、排气和装药引爆工序：针对煤岩体单位截面孔网密度较大或破损程度较高的条件，煤岩孔内水体滤失量相对较大，应尽量选择较大孔径的注液管开展多孔同步注液作业；反之，应适当减小注液管线的孔径和注液管条数。煤岩钻孔注液过程中，待排气管持续流液时，关闭排气管截止阀，注液管继续注液增压，且在孔内***引爆前，孔内承压介质一直保持带压状态。
作为优选，所述步骤4)中孔内所注液体主要分为两大类，当孔内***为固态或凝聚态时，所注液体为水、盐水或掺杂部分强化剂如细沙、铁粉等的混合液；当采用液态***进行***时，直接选用液体***作为传爆介质，但应具备低感度和足够的稳定性。
作为优选，所述步骤5)中的后续高压注浆堵水作业，要根据煤岩体的滤失量选择性质匹配的注浆堵水材料。针对滤失量较大条件，尽量选取兼具凝结时间短、早期强度高、长期稳定、膨胀性能优良、难溶水等特性的堵水材料，如聚氨酯，快速膨胀水泥等；反之，对于滤失量不大条件，材料选取标准可适当放宽，如普通水泥，泥浆等。
采用孔内承压微爆技术，基于孔内固液耦合传爆介质的高效均匀传载特性，通过在煤岩内打设多组钻孔，扩大煤岩体内钻孔卸压增裂范围，实现煤体内主、次导水裂隙的大空间、全方位贯通，加之后续高压注浆封堵更有利于煤岩体内主、次导水裂隙的全面封堵，可以较好地实现孔内******超动载条件下的静态破岩增裂与围岩广域裂隙全面封堵。
本发明的有益效果：
1.煤岩体内钻孔多孔布置，有效增加了煤岩单位体积内的卸压空间，为煤岩体内主、次导水裂隙的充分扩展和贯通提供空间条件。
2.采用孔内承压微爆增裂技术，充分利用固液耦合传爆介质的高效均匀传载性能，提高了***能量作用范围，实现了少量装药条件下的围岩大范围破裂目的，孔内装药能量利用率显著提高。
3.煤岩深孔承压微爆装药少、强度低，减弱了******高能量对单孔的集中作用强度，有效降低了封孔材料的冲孔可能性，有利于围岩近区煤岩体的稳定。
4.采用深孔承压微爆技术，基于孔内固液耦合传爆介质的传载特性，有效降低了******超动载效应，扩大了煤岩体卸压增裂范围，充分实现了煤体内主、次导水裂隙的大空间、全方位贯通，有效弥补了探放钻孔初期打设时的盲目性。
附图说明
图1是煤岩深孔承压微爆注浆堵水剖面结构图。
图2是带有堵水注浆管的柔塑性快速封孔装置。
图中：1-富水巷道，2-覆岩含水层，3-钻孔，4-主导水裂隙，5-次导水裂隙，6-钻孔注浆封孔段，7-带有堵水注浆管的快速封孔装置，8-堵水注浆管，9-柔塑性快速注浆封孔装置，10-环形平滑伞扣，11-侧向斜孔，12-环形凸角伞扣，13-双锥形管接头，14-注浆软管。
具体实施方式
以富水巷道1覆岩含水层2广域富水条件下的深孔承压微爆注浆堵水为例，开展钻孔3注浆封堵作业实现围岩主导水裂隙4和次导水裂隙5的广域全面封堵。结合附图对本发明作进一步描述：
如图1和图2所示，假定富水巷道1围岩钻孔3深度为25m，钻孔直径为100mm，设计钻孔注浆封孔段6长度为15m，布置上下两组钻孔3，相邻钻孔***段孔间距保持1～3m，选用固体***进行煤岩微爆增裂，并选用2MPa的矿井水作为传爆介质。
采用深孔承压微爆方法，对***孔进行预先装药，并装设注液管(长度25m、外径10mm、内径6mm)和排气管(长度30m、外径10mm、内径6mm)，对于上仰钻孔，预先将排气管******钻孔底。孔内装药装设长度为2m，选定长度为19m的导爆索，将其一端***预先做好防水的孔内装药内，再次做好套袋防水措施，塞入***孔内，并采用柔性安装管(长度20m，外径60mm，内径40mm)将***送至孔内预定位置，对于***孔内的最后一卷防水药卷捆绑注液管后，按照相同的装药方法送入***孔内。
为便于插管作业，本案例中带有堵水注浆管的快速封孔装置7选定的堵水注浆管8的口径为45mm，长度为25m，柔塑性快速注浆封孔装置9的口径为70mm，长度为18m。对于带有堵水注浆管的快速封孔装置7的安设，先将环形平滑伞扣10由装置末端套至末端侧向斜孔11位置以上；然后将堵水注浆8由柔塑性快速注浆封孔装置9的前端***并由装置末端的侧向斜孔11引出0.5～1.0m；再将环形凸角伞扣12由堵水注浆管8的前端套入，塞进柔塑性快速注浆封孔装置9管内的前端；最后将组合完毕的完整装置塞入注浆孔内，并将装置末端的环形平滑伞扣10沿管壁推至距孔口0.2～0.5m的位置。
通过双锥形管接头13连接柔塑性快速注浆封孔装置9和注浆软管14，开展多孔同步注浆封孔作业。待围岩封孔段浆液凝固后，开始对***孔注水、排气作业，当排气管有持续水流出时，关闭排气管的截止阀，注水管继续注水增压，同时绑定导爆索和***，待人员撤到安全地点后，引爆孔内装药。
煤岩深孔承压微爆作业完成后，人工清理煤岩***环境，仔细检查煤岩钻孔封堵状况，对于微爆冲孔钻孔及时采取二次封堵，待封孔段浆液二次凝固后，采用双锥形管接头13将堵水注浆管8和注浆软管14连接，对煤岩体裂隙孔网和导水裂隙进行大空间、全方位的高压注浆封堵作业。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1)针对特定的富水矿区或隧道施工条件，明确注浆堵水空间范围，设计钻孔布置参数，确定合理孔深、孔间距、层位、倾/仰角度以及孔径参数；采用大功率钻机进行顺序打孔作业，严格控制钻机打钻精度；
2)钻孔布置完毕，装药前，对***孔预先清扫，清除孔内残余煤岩粉，顺序装入定量固体***，同步安装注液管和排气管，并将导爆索联同注液管和排气管沿孔壁排列引出孔外；
3)采用柔塑性快速注浆封孔装置，多孔同步对煤岩封孔段进行快速注浆封孔作业，封孔段长度一致；
4)待煤岩封孔段浆液凝固后，多孔同步注液、排气作业；当排气管内有液流持续流出时，关闭排气管截止阀，注液管继续注液增压，同时绑定导爆索和***、进行炮线连线作业，待人员撤到安全地点后，引爆***和孔内***；
5)孔内***引爆后，检查煤岩钻孔封堵状况，对于微爆冲孔钻孔及时采取二次封堵，待封孔段浆液二次凝固后，将堵水注浆管连接至高压注浆泵，对***煤岩体进行大空间、全方位的高压注浆封堵作业。
2.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤1)中钻孔参数设置，选定的钻孔直径为60～100mm，封孔长度为钻孔总长度的40％～60％。
3.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤2)中钻孔装药与管线布置工序，上仰倾向的煤岩钻孔，孔内注液管装设深度超过封孔段0.1～0.3m，排气管装设至孔底位置；下俯倾向的钻孔，注液管装设至孔底，排气管超过钻孔封孔段0.1～0.3m。
4.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤2)中孔内装药量少于钻孔全长普通装药***条件的1/3，当选用液态***时，选择低能、低感度的液体***，******能量当量低于岩石******能量的1/3。
5.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤3)中所述的柔塑性快速注浆封孔装置，是一种带有堵水注浆管的快速封孔装置；
所述带有堵水注浆管的快速封孔装置末端视注浆管口径开设尺寸匹配的侧向斜孔，堵水注浆管由侧向斜孔引出，并通过双管末端的双锥形管接头实现封堵和注浆效果；
所述堵水注浆管和柔塑性快速注浆封孔装置均为开缝柔塑性管，其中用于封孔的注浆管开缝位置位于煤岩封孔段内，而堵水注浆管开缝位置位于封孔段以外；
所述带有堵水注浆管的快速注浆封孔装置的安设，先将环形平滑伞扣由装置末端套至末端侧向斜孔位置以上；然后将堵水注浆管由柔塑性快速注浆封孔装置的前端***并由装置末端的侧向斜孔引出0.5～1.0m；再将环形凸角伞扣由堵水注浆管的前端套入，塞进柔塑性快速注浆封孔装置管内的前端；最后将组合完毕的完整装置塞入注浆孔内，并将装置末端的环形平滑伞扣沿管壁推至距孔口0.2～0.5m的位置。
6.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤4)中孔内注液、排气和装药引爆工序，针对煤岩体单位截面孔网密度大或破损程度较高的条件，应选择较大孔径的注液管开展多孔同步注液作业，保证煤岩注液总量高于液体的滤失量；反之，应减小注液管线的孔径和注液管条数。
7.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤4)中孔内所注液体分为两大类，当孔内***为固态或凝聚态时，所注液体为水或盐水；当采用液态***进行***时，直接选用液体***作为传爆介质，但应具备低感度和足够的稳定性。
8.根据权利要求1所述的广域水下煤岩深孔承压微爆注浆堵水方法，其特征在于：所述步骤5)中的后续高压注浆堵水作业，要根据煤岩体的滤失量选择性质匹配的注浆堵水材料；针对滤失量较大条件，选取聚氨酯或快速膨胀水泥；对于滤失量不大条件，材料选取普通水泥或泥浆。
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