一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水方法

摘要

本发明涉及一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水方法,通过对注浆孔底部进行环向切槽预处理，并采用高压气体扩缝的方式使注浆孔底部围岩沿环向切槽发生定向的劈裂破坏，与相邻钻孔之间产生贯通的破裂面，然后向贯通的破裂面注入水泥浆进行封堵，形成完整有效的堵水帷幕，达到微裂隙围岩渗水通道封堵的目的，不会使围岩产生新的微裂隙，避免了对围岩的二次破坏导致的堵水失败，大幅提高微裂隙围岩注浆堵水效果，应用范围广，现场操作实施简单，对微裂隙围岩渗水封堵效果突出，具有较高的现场直接应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下微裂隙围岩注浆堵水的新方法，具体涉及一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水方法。

背景技术

煤矿井筒、巷道等井巷工程穿过开度较小的微裂隙砂岩含水层时，围岩渗水量大，微裂隙渗水通道封堵困难，往往给井巷掘进和维护带来严重的影响。煤矿井巷围岩支护材料大多为金属，高强的汗渗裂隙水增加了支护材料的锈蚀速度，大大降低了支护体的强度，不利于围岩的稳定控制，且围岩裂隙水渗出后多积聚在巷道底板，底板岩层在水的长期浸泡中强度损失严重，容易产生严重的底鼓破坏。

围岩微裂隙渗流通道封堵技术缺乏一直以来困扰着煤矿的安全高效生产。目前最常用的封堵围岩微裂隙渗流通道的方式是注浆封堵。有学者提出采用化学浆液进行围岩微裂隙渗水通道的注浆封堵，化学浆液颗粒较小，能够进入微裂隙渗水通道，实现封堵，但是化学浆液往往毒性非常大，会对地下水环境造成严重的污染，且化学浆液费用较高。与化学浆液相比，普通水泥浆无毒，对地下水资源没有污染，且注浆结石率高、强度大、费用低，堵水效果明显，然而对于微裂隙渗水通道，普通水泥浆颗粒太大，没有可注性，难以封堵渗流通道。

中国专利CN201210380499.4公开了一种深孔预裂爆破注浆方法，通过在岩体上打深度超过8m的钻孔，在钻孔中放入炸药卷，起爆钻孔中的炸药进行岩体的预裂爆破，使钻孔周边的岩体产生大量的裂隙，然后向钻孔中注入水泥和水玻璃等混合浆液，封闭岩体裂隙起到堵水的作用。然而对于围岩微裂隙渗水通道而言，采用此方法堵水效果不佳。分析原因，是由于深孔炸药爆破产生的是球形的破裂面，爆破使破裂面周围岩体产生大量的裂隙，而这些裂隙具有明显的随机性，相邻爆破孔之间围岩裂隙贯通程度难以准确控制，且在强大的爆炸冲击扰动下，相邻爆破孔之间岩体还会产生大量新的微裂隙，因而无法在微裂隙围岩外形成完整的注浆堵水帷幕，堵水效果不佳。

发明内容

为了解决上述不足，本发明设计一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水方法，步骤如下：

步骤1）按照梅花形的钻孔布置方式，在围岩微裂隙汗渗区域打注浆孔，保证每个注浆孔的深度相同，误差小于1cm，并在每个注浆孔底部相同位置进行环向切槽预处理，使注浆孔底部围岩产生环向切槽，将注浆套管置于注浆孔中，注浆套管顶部距注浆孔底的距离为10cm，并采用高强速凝混凝土将注浆套管外壁完全固定于孔壁上；

步骤2）将耐高压金属管沿中空的注浆套管内部置于注浆孔中，耐高压金属管顶部距注浆孔底部的距离为5cm，启动高压空气压缩机，高压空气压缩机产生的高压气体通过耐高压输气管和耐高压金属管输送到注浆孔中，使注浆孔中的气体压力达到设定的扩缝压力值，并维持此压力值15~20分钟，在高压气体的推力作用下注浆孔底部围岩沿环向切槽发生劈裂破坏，产生近似垂直于注浆孔的人工裂隙面，在高压气体的持续作用下，注浆孔底部的裂隙面不断向四周扩张，最终与相邻注浆孔产生的裂隙面贯通；

步骤3）通过每个注浆孔向贯通的裂隙面注入预制好的水泥浆，水泥浆凝固后在围岩微裂隙外形成一层完整的注浆堵水帷幕，从而实现对围岩微裂隙涌水通道进行有效的封堵。

确定气体扩缝压力值的方法为：在两注浆孔中间位置打深度深于注浆孔0.5m左右的观测孔，应用智能钻孔电视成像仪实时观测孔底端处裂缝扩展情况，开启高压空气压缩机的阀门，将高压气体输入到注浆孔中，逐步增大注浆孔中气体压力值，当能够从观测孔中观测到扩展的裂缝时，此时的压力值即为该条巷道围岩的高压气体扩缝压力值。

一种微裂隙围岩预切槽高压气体扩缝注浆堵水装置，包括注浆套管、耐高压金属管、耐高压输气管和高压气体输入装置；所述注浆套管为中空结构，安装在注浆孔中，其里端的管体上设置固定挡板，外端设置丝口；所述耐高压金属管轴向穿过注浆套管，其里端位于注浆孔中，外端通过耐高压输气管与高压气体输入装置连接，且高压金属管上固连有能够与注浆套管的丝口螺纹连接的密封螺母；所述耐高压输气管上设有压力表和阀门。

所述密封螺母中设置密封垫圈。

本发明是通过对注浆孔底部进行环向切槽预处理，并采用高压气体扩缝的方式使注浆孔底部围岩沿环向切槽发生定向的劈裂破坏，与相邻钻孔之间产生贯通的人工裂隙面，然后向贯通的裂隙面注入水泥浆进行封堵，形成完整有效的堵水帷幕，达到微裂隙围岩渗水通道封堵的目的。

本发明的积极效果：1）采用高压气体对微裂隙围岩进行人工扩缝，突破了围岩微裂隙开度较小，水泥浆液可注性差，微裂隙渗水通道封堵困难的问题，且气体扩缝过程中没有炸药爆破的高强爆轰波冲击作用，不会使围岩产生新的微裂隙，避免了对围岩的二次破坏导致的堵水失败；2）本发明对注浆孔底部围岩进行环向切槽处理，然后采用高压气体扩缝的方式使围岩沿切槽发生定向的劈裂破坏，通过严格控制注浆孔深度和切槽位置，可准确的使两相邻注浆孔产生的裂隙面发生贯通，形成完整的贯通裂隙面，大幅提高微裂隙围岩注浆堵水效果；3）本发明应用范围广，现场操作实施简单，对微裂隙围岩渗水封堵效果突出，具有较高的现场直接应用价值。

附图说明

图1是本发明中注浆套管安装实施方法示意图。

图2是本发明中围岩高压气体扩缝实施方法示意图。

图3是本发明中对围岩扩缝注浆封堵效果示意图。

图中，1.注浆孔，2.高强速凝混凝土，3.注浆套管，4.固定挡板，5.环向切槽，6.密封垫圈，7.密封螺母，8.耐高压金属管，9.压力表，10.阀门，11.耐高压输气管，12.裂隙面。

具体实施方式

如图1~图3所示，本发明技术方案主要分为三步进行实施，首先是注浆孔切槽处理及注浆套管的安装，其次采用高压气体对围岩进行人工扩缝，最后对围岩裂缝进行注浆封堵，详细步骤如下：

第一步，按照设计好的梅花形注浆孔布置方式，在围岩微裂隙汗渗区域打注浆孔1，保证每个注浆孔的深部一致，误差小于1cm，然后对注浆孔底部围岩相同位置进行切槽预处理，使注浆孔底部围岩产生环向切槽5，将注浆套管3置于注浆孔1中，采用高强速凝混凝土2将注浆套管3上固定挡板4以外的区域固定于孔壁上，完成注浆套管3的安装；

第二步，将耐高压金属管8沿中空的注浆套管3内部置于注浆孔1中，耐高压金属管8顶部距注浆孔1底部的距离为5cm，在密封螺母7内放一密封垫圈6，然后将密封螺母7与注浆套管3的丝口拧在一起，打开阀门10，将外部高压空气压缩机产生的高压气体通过耐高压输气管11和耐高压金属管8输入到注浆孔1中，使注浆孔中的气体压力达到设定的扩缝压力值，并维持此压力值15~20分钟，在高压气体的推力作用下注浆孔底部围岩沿环向切槽5发生劈裂破坏，产生近似垂直于注浆孔1的人工裂隙面12，在高压气体的持续作用下，注浆孔底部的裂隙面12不断向四周扩张，最终与相邻注浆孔产生的人工裂隙面12贯通；

第三步，向注浆孔注入预制好的水泥浆，水泥浆进入贯通的裂隙面12中凝固后在围岩微裂隙外形成一层完整的注浆层，如图3所示，形成完整的注浆堵水帷幕，从而实现对围岩微裂隙涌水通道进行有效的封堵。

下面以某矿为例，结合附图对本发明作进一步说明。

某矿回风大巷位于北翼采区，埋深约700m，巷道断面形状为直墙半圆拱形，墙高1880mm，拱高2523mm，净宽5046mm。巷道顶底板围岩多以砂岩、粉砂岩为主。巷道掘进过程中主要充水水源为顶板砂岩裂隙水。巷道顶板砂岩微裂隙发育，富水性强，微裂隙含水多以渗水的形式进入巷道，局部地段出现滴水。长期的渗水使得巷道帮部岩体松散、弱化，巷道变形严重。

因此，采用本发明的技术方案对巷道围岩进行高压气体扩缝注浆堵水。

首先，在巷道顶板及两帮打直径35mm、深度3m±1cm的注浆孔1，注浆孔1采用梅花形布置，相邻注浆孔1的间距为2.6m。在每个注浆孔1底部围岩进行环向预切槽处理，使注浆孔底部围岩产生环向切槽5，如图1所示，然后完成注浆套管3的安装。

其次，按图2所示，完成耐高压金属管8的安装及耐高压金属管8与注浆套管3的接连，耐高压金属管8顶部距注浆孔1底部的距离为5cm。

扩缝注浆前先确定该巷道围岩高压气体扩缝压力值。在两注浆孔1中间位置打深度为3.5m的观测孔，应用智能钻孔电视成像仪实时观测孔内3m左右位置处裂缝扩展情况。开启阀门10，将外部空气压缩机产生的高压气体输入到注浆孔1中，逐步增大注浆孔1中气体压力值，当气体压力值为36MPa时观测孔中观测到扩展的裂缝。即该条巷道围岩高压气体扩缝压力值为36Mpa，维持此压力值15~20分钟，在高压气体的推力作用下注浆孔底部围岩沿环向切槽5发生劈裂破坏，产生近似垂直于注浆孔1的人工裂隙面12，在高压气体的持续作用下，注浆孔底部的裂隙面12不断向四周扩张，最终与相邻注浆孔产生的人工裂隙面12贯通；

最后，向注浆孔1中注入水泥浆液，完成微裂隙围岩注浆堵水。

采用本发明技术方案后，通过对巷道围岩渗水情况的长期观察发现，围岩渗水、滴水情况全部消失，实现对围岩微裂隙涌水通道进行有效的封堵。