CN117365524A - 一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，在待掘巷道开口处合理层位选择钻孔位置，并测试该位置煤岩体力学性能参数；在钻进过程中，实时采集扭矩信号、压力信号和钻速信号；建立随钻参数与岩体力学性质之间的映射关系，得到内部煤岩体的岩性强度；对钻进参数及其变化趋势进行分析，判断待掘巷道顶板岩层界面的变化情况；对顶板围岩进行分类分级；综合评估每个级别岩体对应的距离和位置，制定后续巷道掘进不同区域差异化的支护方案和干预措施；对于岩性差的区域，利用钻孔将注浆材料注入到顶板岩层中，实现精准高压区域性注浆。通过该方法可以建立地质参数数据库，根据不同条件制定差异化支护策略，确保设计方案的可靠性和合理性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道掘进工程技术领域，具体涉及一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法。
背景技术
随着我国浅部煤炭资源的不断减少，煤炭开采正逐渐向深部转移，而对于深部高应力条件下的软岩巷道，其存在着变形大、整体破碎、持续流变等一系列特征，进而成为了巷道支护的难题之一。为了解决这类问题，国内近些年采用了注浆加固的技术，通过使浆液渗入到岩体裂隙中的方式，使破碎岩体形成整体，进而提高围岩的整体强度和自稳能力，再辅以锚网索支护进行整体加固，进一步提高巷道围岩抗破坏和变形能力。同时由于煤系地层岩赋存条件多变，在巷道掘进过程中不同位置的顶板岩层特性不同，针对不同性质的顶板需要采用不同的支护方案，而由于无法提前掌握巷道顶板岩性变化情况，对于一条巷道掘进过程中的支护方案通常是固定不变的，这将造成岩性较好的地方支护强度过盛，不仅浪费了支护资源，还极大地降低了工作效率；同时，还可能会造成岩性差的地方支护强度不足，容易引起安全事故。为了有效解决这类问题，需要采用超前钻探技术对待掘巷道顶板进行打孔探测，以提前掌握巷道顶板岩性变化情况，制定差异化支护方案，实现高效可靠的巷道支护。
目前注浆技术存在超前注浆和滞后注浆两种方式：对于超前注浆方式，由于泥岩等软岩受扰动小，裂隙不发育，现有的注浆材料渗入能力有限，注浆加固效果不明显；对于滞后注浆方式，存在影响施工效率的问题。为了实现安全高效的掘进作业，需要一种可以渗入软岩的注浆材料及高效的超前注浆施工工艺，以提高超前注浆的加固效果。对于待掘巷道的超前探测，目前主要采用钻探取芯的方法进行岩性分析，而该方法存在施工周期长、探测效率低、精度差等问题，因此需要一种高效准确的钻探方法，以提高探测效率和精度，进而实现深部软岩巷道差异化支护和可靠注浆加固。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，该方法能在软岩巷道掘进前通过超前钻探、差异化决策和精准注浆加固的方式对岩性差的区域进行预处理，可解决后续巷道掘进施工存在的掘进效率低、支护方案不合理和安全保障能力不足的问题，能显著提升巷道支护的可靠性和合理性。
为了实现上述目的，本发明提供一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，包括以下步骤：
步骤一：在待掘巷道开口处选择影响支护的合理层位，作为长距离钻孔的起始位置，并在采区上下山安装钻孔设备；
步骤二：从待掘巷道顶板上方10m处沿待掘巷道走向方向按设定间隔距离依次钻取岩芯，并对钻取的岩芯进行力学性能检测，得到岩芯对应位置处煤岩体的实际力学性能；
步骤三：先在钻孔设备的钻头前部分别安装扭矩传感器、压力传感器和钻速传感器，再利用钻孔设备进行待掘巷道走向方向的长距离钻进得到长距离钻孔，在钻进过程中，通过扭矩传感器实时采集钻进过程中的扭矩信号，通过压力传感器实时采集钻进过程中的压力信号，通过钻速传感器实时采集钻进过程中的钻速信号，再根据扭矩信号、压力信号和钻速信号获得的扭矩数据、压力数据和钻速数据，并作为钻进参数；
步骤四：利用理论解析由钻取岩芯得到的煤岩体实际力学性能，建立钻进过程的随钻参数与岩体力学性质之间的映射关系，并利用该映射关系对后续钻进过程不同位置煤岩体的力学性能进行预测，得到不同位置处煤岩体的岩性强度；
步骤五：针对不同时刻的钻进参数及钻进参数的变化趋势进行分析，判断出待掘巷道的顶板岩层界面的变化情况；
步骤六：根据不同位置处煤岩体的岩性强度、岩层界面的变化情况对顶板围岩进行分类分级，将赋存稳定且强度较高的岩体作为Ⅰ级围岩，将赋存相对稳定、强度一般的岩体作为Ⅱ级围岩，将赋存不稳定、强度较低的岩体作为Ⅲ级围岩；
步骤七：综合评估每个级别岩体对应的距离和位置，制定后续巷道掘进不同区域差异化的支护方案和干预措施；对于Ⅰ级围岩条件的区域，采取大量锚杆配合少量锚索的支护方式，其中，锚杆的长度为2.0～2.5m；对于Ⅱ级围岩条件的区域，采取大量加长锚杆配合多根锚索的支护方式，其中，加长锚杆的长度为2.5～3.5m；对于Ⅲ级围岩条件的区域，采取大量中空注浆锚索配合多根高强度锚索的支护方式，其中，注浆锚索的长度为3.5～4.5m；
步骤八：钻探结束后，在得到不同区域围岩评估分级情况的基础上，对于Ⅲ级围岩区域，利用长距离钻孔将注浆材料以高压的方式加注到顶板岩层中，实现精准高压区域性注浆，对该区域顶板岩层进行改性加固，增强该区域岩体强度和支撑能力，在注浆养护结束后再进行巷道掘进施工。
作为一种优选，在步骤一中的钻孔设备为定向钻机。
进一步，为了有效获取煤岩体的实际力学性能，同时，为了避免钻孔作业对后续巷道掘进施工产生不利的影响，长距离钻孔的位置位于距离待掘巷道顶部1.0～3.0m的顶板处，长距离钻孔的长度与巷道掘进的长度一致，为2000～3000m，长距离钻孔的直径为60～100mm。
进一步，为了有效提高锚固强度，在步骤八中的注浆材料为硅溶胶基水泥浆体注浆材料。注浆材料选用硅溶胶基水泥浆体注浆材料，可以利用其高渗透能力对顶板岩层进行可靠地改性加固，这样不仅加大了注浆渗透深度，还有效确保了注浆的可靠性，进而能够显著提高加固区域岩体的强度和支撑能力。
进一步，为了进一步提高锚固强度，在步骤八中的注浆材料由纳米硅溶胶、硅酸盐水泥、砂石和水均匀混合组成。
进一步，为了提高注浆效果，以确保能对Ⅲ级围岩进行有效的改性加固作业，在步骤八中的注浆压力不小于20MPa。
进一步，为了确保养护效果，在步骤八中的养护时间为1～2天。
本发明中，在待掘巷道顶板上方10m处沿待掘巷道走向方向按设定间隔距离依次钻取岩芯，可以在不影响后续巷道掘进施工安全性的前提下，通过间隔取样的方式准确地得到待掘巷道走向方向上各取芯处煤岩体的实际力学性能。通过定向钻机在待掘巷道的顶板钻孔，同时，利用安装在钻头上的扭矩传感器、压力传感器和钻速传感器实时采集钻进过程中的钻速信号，可以基于随钻感知技术获得钻进过程中的随钻参数，进而不仅能便于通过随钻参数的变化趋势判断出顶板岩层界面的变化情况，还能便于建立随钻参数与岩体力学性能的映射关系，进而可以准确地实现待掘巷道顶板岩性的超前探测。再者，通过巷道超前钻探施工、超前探测的方式还可以便于基于所获得的各取芯处煤岩体的实际力学性能和钻探施工中的随钻参数建立巷道地质参数数据库，有利于为采煤工作面的透明地质模型构建提供可靠的数据支持。根据超前探测结果对顶板围岩进行分类分级，制定不同位置的差异化巷道支护方案，可以确保一巷一策，有效地提高了巷道支护的合理性，同时，能够针对岩性较差的地方进行加强支护，而针对岩性较好的地方采用适宜的支护方式，这样，不仅有效减少了支护材料的消耗量，而且还会显著缩短支护时间，进而能极大地提高巷道的掘进效率，并能通过最合理的方式实现围岩的可靠支护，达到了确保煤矿安全生产的目的。对于岩性差的地方，利用在超前钻探过程中所钻取的钻孔对巷道顶板进行提前注浆加固，有效避免了在软岩巷道掘进期间会出现的垮落冒顶事故，同时实现了一孔多用，减少了施工工序，为软岩巷道掘进提供了新的解决方案。
该方法先采用超前钻探技术提前掌握待掘巷道顶板岩层特性，在巷道掘进前便能有效获取巷道顶板岩性和不良地质情况，再根据岩层特性制定差异化的巷道支护方案，能提前制定出合理的掘进方案和安全措施，同时，对于岩性差的区域，借助钻探过程中留下的钻孔对顶板注浆改性加固，这样，便能在软岩巷道掘进前通过超前钻探、差异化决策和精准注浆加固的方式对岩性差的区域进行预处理，有效确保了岩体的支护效果，解决了后续巷道掘进施工存在的掘进效率低、支护方案不合理和安全保障能力不足的问题，显著提升了巷道支护的可靠性和合理性。
附图说明
图1是本发明中超前钻探及围岩分级示意图；
图2是本发明中Ⅰ级围岩支护方案的示意图；
图3是本发明中Ⅱ级围岩支护方案的示意图；
图4是本发明中Ⅲ级围岩支护方案的示意图；
图中：1、采区上下山；2、待掘巷道；3、长距离钻孔；4、Ⅰ级围岩；5、Ⅱ级围岩；6、Ⅲ级围岩；7、锚索；8、锚杆；9、加长锚杆；10、注浆锚索；11、高强度锚索。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本发明提供了一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，包括以下步骤：
步骤一：在待掘巷道2开口处选择影响支护的合理层位，作为长距离钻孔3的起始位置，并在采区上下山1安装钻孔设备；
步骤二：从待掘巷道2顶板上方10m处沿待掘巷道2走向方向按设定间隔距离依次钻取岩芯，并对钻取的岩芯进行力学性能检测，得到岩芯对应位置处煤岩体的实际力学性能；
步骤三：先在钻孔设备的钻头前部分别安装扭矩传感器、压力传感器和钻速传感器，再利用钻孔设备进行待掘巷道2走向方向的长距离钻进得到长距离钻孔3，在钻进过程中，通过扭矩传感器实时采集钻进过程中的扭矩信号，通过压力传感器实时采集钻进过程中的压力信号，通过钻速传感器实时采集钻进过程中的钻速信号，再根据扭矩信号、压力信号和钻速信号获得的扭矩数据、压力数据和钻速数据，并作为钻进参数；
步骤四：利用理论解析由钻取岩芯得到的煤岩体实际力学性能，建立钻进过程的随钻参数与岩体力学性质之间的映射关系，并利用该映射关系对后续钻进过程不同位置煤岩体的力学性能进行预测，得到不同位置处煤岩体的岩性强度；
步骤五：针对不同时刻的钻进参数及钻进参数的变化趋势进行分析，判断出待掘巷道2的顶板岩层界面的变化情况；
具体地，对于钻进参数在某时刻突变并形成新的平衡点时，判断突变位置为岩层界面，根据岩层界面和岩层界面前后区域的岩性强度能够进一步判断出不同区域的稳定性，对于钻进参数在某一段时刻产生紊乱的情况，判断该钻进区域为断层破碎区；
步骤六：根据不同位置处煤岩体的岩性强度、岩层界面的变化情况对顶板围岩进行分类分级，将赋存稳定且强度较高的岩体作为Ⅰ级围岩4，将赋存相对稳定、强度一般的岩体作为Ⅱ级围岩5，将赋存不稳定、强度较低的岩体作为Ⅲ级围岩6，Ⅲ级围岩6多为断破碎区；
步骤七：综合评估每个级别岩体对应的距离和位置，制定后续巷道掘进不同区域差异化的支护方案和干预措施；对于Ⅰ级围岩4条件的区域，采取大量锚杆8配合少量锚索7的支护方式，其中，锚杆8的长度为2.0～2.5m；对于Ⅱ级围岩5条件的区域，采取大量加长锚杆9配合多根锚索7的支护方式，其中，加长锚杆9的长度为2.5～3.5m；对于Ⅲ级围岩6条件的区域，采取大量中空注浆锚索10配合多根高强度锚索11的支护方式，其中，注浆锚索10的长度为3.5～4.5m；
步骤八：钻探结束后，在得到不同区域围岩评估分级情况的基础上，对于Ⅲ级围岩6区域，利用长距离钻孔3将注浆材料以高压的方式加注到顶板岩层中，实现精准高压区域性注浆，对该区域顶板岩层进行改性加固，增强该区域岩体强度和支撑能力，在注浆养护结束后再进行巷道掘进施工。
作为一种优选，在步骤一中的钻孔设备为定向钻机。
为了有效获取煤岩体的实际力学性能，同时，为了避免钻孔作业对后续巷道掘进施工产生不利的影响，长距离钻孔3的位置位于距离待掘巷道2顶部1.0～3.0m的顶板处，长距离钻孔3的长度与巷道掘进的长度一致，为2000～3000m，长距离钻孔3的直径为60～100mm。
为了有效提高锚固强度，在步骤八中的注浆材料为硅溶胶基水泥浆体注浆材料。注浆材料选用硅溶胶基水泥浆体注浆材料，可以利用其高渗透能力对顶板岩层进行可靠地改性加固，这样不仅加大了注浆渗透深度，还有效确保了注浆的可靠性，进而能够显著提高加固区域岩体的强度和支撑能力。
为了进一步提高锚固强度，在步骤八中的注浆材料由纳米硅溶胶、硅酸盐水泥、砂石和水均匀混合组成。作为进一步优选，纳米硅溶胶的质量分数为1.5％。
为了提高注浆效果，以确保能对Ⅲ级围岩进行有效的改性加固作业，在步骤八中的注浆压力不小于20MPa。
为了确保养护效果，在步骤八中的养护时间为1～2天。
本发明中，在待掘巷道顶板上方10m处沿待掘巷道走向方向按设定间隔距离依次钻取岩芯，可以在不影响后续巷道掘进施工安全性的前提下，通过间隔取样的方式准确地得到待掘巷道走向方向上各取芯处煤岩体的实际力学性能。通过定向钻机在待掘巷道的顶板钻孔，同时，利用安装在钻头上的扭矩传感器、压力传感器和钻速传感器实时采集钻进过程中的钻速信号，可以基于随钻感知技术获得钻进过程中的随钻参数，进而不仅能便于通过随钻参数的变化趋势判断出顶板岩层界面的变化情况，还能便于建立随钻参数与岩体力学性能的映射关系，进而可以准确地实现待掘巷道顶板岩性的超前探测。再者，通过巷道超前钻探施工、超前探测的方式还可以便于基于所获得的各取芯处煤岩体的实际力学性能和钻探施工中的随钻参数建立巷道地质参数数据库，有利于为采煤工作面的透明地质模型构建提供可靠的数据支持。根据超前探测结果对顶板围岩进行分类分级，制定不同位置的差异化巷道支护方案，可以确保一巷一策，有效地提高了巷道支护的合理性，同时，能够针对岩性较差的地方进行加强支护，而针对岩性较好的地方采用适宜的支护方式，这样，不仅有效减少了支护材料的消耗量，而且还会显著缩短支护时间，进而能极大地提高巷道的掘进效率，并能通过最合理的方式实现围岩的可靠支护，达到了确保煤矿安全生产的目的。对于岩性差的地方，利用在超前钻探过程中所钻取的钻孔对巷道顶板进行提前注浆加固，有效避免了在软岩巷道掘进期间会出现的垮落冒顶事故，同时实现了一孔多用，减少了施工工序，为软岩巷道掘进提供了新的解决方案。
该方法先采用超前钻探技术提前掌握待掘巷道顶板岩层特性，在巷道掘进前便能有效获取巷道顶板岩性和不良地质情况，再根据岩层特性制定差异化的巷道支护方案，能提前制定出合理的掘进方案和安全措施，同时，对于岩性差的区域，借助钻探过程中留下的钻孔对顶板注浆改性加固，这样，便能在软岩巷道掘进前通过超前钻探、差异化决策和精准注浆加固的方式对岩性差的区域进行预处理，有效确保了岩体的支护效果，解决了后续巷道掘进施工存在的掘进效率低、支护方案不合理和安全保障能力不足的问题，显著提升了巷道支护的可靠性和合理性。
Claims (7)
1.一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在待掘巷道(2)开口处选择影响支护的合理层位，作为长距离钻孔(3)的起始位置，并在采区上下山(1)安装钻孔设备；
步骤二：从待掘巷道(2)顶板上方10m处沿待掘巷道(2)走向方向按设定间隔距离依次钻取岩芯，并对钻取的岩芯进行力学性能检测，得到岩芯对应位置处煤岩体的实际力学性能；
步骤三：先在钻孔设备的钻头前部分别安装扭矩传感器、压力传感器和钻速传感器，再利用钻孔设备进行待掘巷道(2)走向方向的长距离钻进得到长距离钻孔(3)，在钻进过程中，通过扭矩传感器实时采集钻进过程中的扭矩信号，通过压力传感器实时采集钻进过程中的压力信号，通过钻速传感器实时采集钻进过程中的钻速信号，再根据扭矩信号、压力信号和钻速信号获得的扭矩数据、压力数据和钻速数据，并作为钻进参数；
步骤四：利用理论解析由钻取岩芯得到的煤岩体实际力学性能，建立钻进过程的随钻参数与岩体力学性质之间的映射关系，并利用该映射关系对后续钻进过程不同位置煤岩体的力学性能进行预测，得到不同位置处煤岩体的岩性强度；
步骤五：针对不同时刻的钻进参数及钻进参数的变化趋势进行分析，判断出待掘巷道(2)的顶板岩层界面的变化情况；
步骤六：根据不同位置处煤岩体的岩性强度、岩层界面的变化情况对顶板围岩进行分类分级，将赋存稳定且强度较高的岩体作为Ⅰ级围岩(4)，将赋存相对稳定、强度一般的岩体作为Ⅱ级围岩(5)，将赋存不稳定、强度较低的岩体作为Ⅲ级围岩(6)；
步骤七：综合评估每个级别岩体对应的距离和位置，制定后续巷道掘进不同区域差异化的支护方案和干预措施；对于Ⅰ级围岩(4)条件的区域，采取大量锚杆(8)配合少量锚索(7)的支护方式，其中，锚杆(8)的长度为2.0～2.5m；对于Ⅱ级围岩(5)条件的区域，采取大量加长锚杆(9)配合多根锚索(7)的支护方式，其中，加长锚杆(9)的长度为2.5～3.5m；对于Ⅲ级围岩(6)条件的区域，采取大量中空注浆锚索(10)配合多根高强度锚索(11)的支护方式，其中，注浆锚索(10)的长度为3.5～4.5m；
步骤八：钻探结束后，在得到不同区域围岩评估分级情况的基础上，对于Ⅲ级围岩(6)区域，利用长距离钻孔(3)将注浆材料以高压的方式加注到顶板岩层中，实现精准高压区域性注浆，对该区域顶板岩层进行改性加固，增强该区域岩体强度和支撑能力，在注浆养护结束后再进行巷道掘进施工。
2.根据权利要求1所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，在步骤一中的钻孔设备为定向钻机。
3.根据权利要求1或2所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，长距离钻孔(3)的位置位于距离待掘巷道(2)顶部1.0～3.0m的顶板处，长距离钻孔(3)的长度与巷道掘进的长度一致，为2000～3000m，长距离钻孔(3)的直径为60～100mm。
4.根据权利要求3所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，在步骤八中的注浆材料为硅溶胶基水泥浆体注浆材料。
5.根据权利要求4所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，在步骤八中的注浆材料由纳米硅溶胶、硅酸盐水泥、砂石和水均匀混合组成。
6.根据权利要求3所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，在步骤八中的注浆压力不小于20MPa。
7.根据权利要求3所述的一种超前钻探及精准注浆加固的软岩巷道掘进预处理方法，其特征在于，在步骤八中的养护时间为1～2天。
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