钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法

摘要

本发明公开了钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法，涉及煤矿作业区域钻孔注浆浆液扩散范围监测方法技术领域，具体包括如下步骤：围绕钻孔注浆区域，利用井下巷道构建微震监测系统；通过钻孔对目标含水层实施人工注浆，诱发微震事件；调整注浆压力、浆液浓度、浆液成分，观测不同阶段浆液扩散形成的微震事件空间分布情况；分析微震事件空间分布规律，对浆液扩散范围、路径及过程进行全空间、实时、连续描述。利用本方法可以准确确定注浆浆液扩散范围、路径及过程，提供工作区含水层储水结构及地下水流场特征等信息，为注浆工程优化、注浆效果评价及突水事故的快速治理、水资源保护提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿作业区域钻孔注浆浆液扩散范围监测方法技术领域，尤其涉及一种钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法。

背景技术

钻孔注浆浆液扩散范围描述，是预防和避免煤矿重特大突水事故、确保突水快速注浆治理的一项重要技术。常规技术包括物探、钻探、示踪试验、连通试验等技术。物探技术受地表地形条件、井下巷道条件影响较大；钻探成本高、控制范围小；各种水文地质试验，工程浩大、操作复杂，需要很多辅助条件，而且上述技术均不能实现注浆过程全空间、实时、连续监测评价，容易漏掉关键技术信息。微震监测技术是近年来发展起来的一种新的物探技术，通过在煤矿井下提前埋设的高灵敏度检波器监测、接收岩石破裂产生的微小震动信号，采用专业软件将这些信息解码为有效的微震信号，对这些微震事件发生的时间、位置、频度、密度、能量等进行分析，可解决一系列地质、水文地质问题。

本申请人在2015.09.30申报的专利为基于人工注液的地下水流场描述方法（公开号：CN105137488A），该方法通过钻孔注液（水和水泥浆），对地下水流场实施人工干扰，打破地下水流场原有平衡，高压水及水泥浆在含水层原有裂隙内产生冲扩、劈裂、破岩等作用，人工诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，可以确定地下水强径流带位置及含水层储水结构形态、浆液扩散范围等，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、水资源保护提供依据。但是对于更进一步地准确确定钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径、含水层导水通道、突水口位置等信息，未作深入阐述。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法，该方法可以准确确定钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径、含水层导水通道、突水口位置等信息，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理提供依据。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法，其特征在于包括如下步骤：

1）确定注浆钻孔位置，以注浆钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，利用井下巷道构建井下微震监测系统；

2）通过注浆钻孔对目标矿区含水层实施人工注浆，注入过程分为四个阶段，注浆初期：采用水灰比浓度为1:0.3-0.4的纯水泥浆，注入压力控制在1.0-1.1MPa，注浆量大，控制在总用浆量的40%-45%；注浆中期：采用水灰比浓度为1:0.45-1:0.55的纯水泥浆，注入压力控制在1.1-1.2MPa，注浆量基本稳定，控制在总用浆量的30%-35%；注浆后期：采用水灰比浓度为1:0.6-1:0.8的纯水泥浆，注入压力控制在2.4-3.1MPa，注浆量大幅减少，控制在总用浆量的15%-20%；注浆结束期：采用水泥浆加水玻璃双液浆灌注，水玻璃和水泥浆的比例控制在1:7-9,水泥浆的水灰比浓度为1:1.25，浆液快速凝固。

3）通过注浆，浆液进入含水层裂隙内，产生驱水、劈裂、破岩作用，人工诱发微震事件，观测不同注浆阶段浆液扩散形成的微震事件空间分布情况。

进一步的技术方案在于：构建井下微震监测系统的方法是根据井下巷道条件，采用全包围方式布置微震检波器，检波器埋设深度要求大于巷道松动圈，相邻检波器水平间距控制在150m以内、同一巷道检波器不能分布在一条直线上、铅垂方向高差要求大于2m、三轴检波器底端向下朝向重点监测区域、单轴检波器指向要求多元化。

进一步的技术方案在于：所述的微震检波器采用全包围的方式，是指以注浆钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈矩形或不规则形状进行四周封闭式布置微震检波器，所述微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

进一步的技术方案在于：所述步骤2中，当含水层厚度超过500m，根据其垂直方向岩性及含水性变化，自上而下分为浅部、中部和深部三个层段进行描述，其中浅部范围为0-50m，中部范围50-130m，深部范围130m以下。

进一步的技术方案在于：所述的注浆初期，浆液顺流而下，在含水层内沿地下水流向做水平运动和向深部扩散，浆液进入后，首先是在近处向深部扩散,封堵垂向导水通道，之后向远处沿浅部和中浅部岩溶裂隙网络扩散；在这一阶段，由于含水层垂向导水通道得到封堵，钻孔水量减小，注浆初见成效。

进一步的技术方案在于：所述的注浆中期，由于下游裂隙和垂向导水通道得到封堵，浆液溯流而上，开始向泄水口扩散，对上游含水层岩溶裂隙进行封堵。

进一步的技术方案在于：所述的注浆后期，浆液扩散范围收窄，微震事件主要集中在泄水口附近，大部分岩溶裂隙得到封堵，注浆效果进一步显现。

进一步的技术方案在于：所述的注浆结束期，浆液中加入以水玻璃为主的速凝剂快速凝固，浆液扩散形成的微震事件集中在一个较小范围内，且与含水层上部煤系地层微震事件范围重合，指示突水口位置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明是针对钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径进行描述，其描述方法是通过钻孔注浆（纯水泥浆和加入速凝剂的水泥浆），高压浆液在含水层原有裂隙内产生冲扩、劈裂、破岩等作用，人工诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，可以确定注浆浆液扩散范围、路径及含水层储水结构形态、集中导水通道、突水口位置等，为预防和避免煤矿突水事故发生及突水事故的快速治理、注浆工程效果评价、水资源保护提供技术依据。

附图说明

图1是本发明中井下微震检波器全包围式布置图；

图2是本发明中注浆初期微震事件空间分布图；

图3是本发明中注浆中期微震事件空间分布图；

图4是本发明中注浆后期微震事件空间分布图；

图5是本发明中注浆结束期微震事件空间分布图；

图6是本发明中注浆过程中微震事件空间分布剖面图；

图7是本发明中注浆过程与含水层中微震事件关系图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

根据附图1可知，本发明具体涉及一种钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法，包括如下步骤：

1）根据矿区条件及工作需要，确定注浆钻孔位置，注浆钻孔可以为地面钻孔或井下钻孔，为水平孔、铅直孔或斜孔；以注浆钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，利用井下巷道构建井下微震监测系统。

具体的，构建井下微震监测系统的方法如下：根据井下巷道条件，采用全包围方式布置微震检波器，检波器埋设深度要求大于巷道松动圈，相邻检波器水平间距控制在150m以内，同一巷道检波器不能分布在一条直线上，铅垂方向高差要求大于2m，三轴检波器底端向下朝向重点监测区域，可以精确监测三个方向的波动与时间的关系，单轴检波器指向要求多元化，用于非重点区域的边缘位置波动检测。

更进一步的，请参考图1，微震检波器采用全包围的方式是指以注浆钻孔在目标主含水层内终孔点为中心，沿井下已有巷道呈矩形或不规则形状进行四周封闭式布置微震检波器，所述的微震检波器与采集分站连接构成井下微震监测系统。

2）通过注浆钻孔对目标矿区含水层实施人工注浆，注入过程分为四个阶段，为注浆初期、注浆中期、注浆后期和注浆结束期，请参考图2、3、4、5。注浆期间不同注浆阶段、含水层内不同层段微震事件空间分布情况分别标注在图中，并作为下一步分析依据。

本实施例中，所涉及奥灰含水层厚度超过500m，根据其垂直方向岩性及含水性变化，自上而下分为浅部（奥灰顶面以下0-50m）、中部（奥灰顶面以下50-130m）、深部（奥灰顶面以下130m以深）三个层段进行描述。

对四个阶段的注浆压力、浆液成分、浓度进行不同程度控制，观测不同注浆阶段浆液扩散形成的微震事件空间分布情况：

（1）请参考图2，注浆初期，采用纯水泥浆，注浆压力小（1.0-1.1MPa）、浓度低（水灰比1:0.3-1:0.4）、注浆量大（合计318.5t），浆液顺流而下，在奥灰含水层内水平扩散距离550m，向下扩散距离超过300m，浆液进入奥灰后先是在近处向深部扩散,封堵垂向导水通道，之后向远处沿奥灰浅部和中浅部岩溶裂隙网络扩散。在这一阶段，由于含水层垂向导水通道得到封堵，钻孔水量由1.3m³/min,减小至0.4m³/min，注浆初见成效；

（2）请参考图3，注浆中期，采用纯水泥浆，注浆压力小（1.1-1.2MPa）、浓度增大（水灰比1:0.45-1:0.55）、注浆量基本稳定（合计233.0t），由于下游垂向导水通道得到封堵，浆液溯流而上，开始向9.20突水点（泄水口）扩散，对上游含水层岩溶裂隙进行封堵；

（3）请参考图4，注浆后期，仍然采用纯水泥浆，注浆压力升高至2.4-3.1MPa、浓度较大（水灰比1:0.6-1:0.8）、注浆量大幅减少（合计126.5t）,浆液扩散范围收窄，微震事件主要集中在9.20突水点附近，大部分岩溶裂隙得到封堵，注浆效果进一步显现；

（4）请参考图5，注浆结束期，采用水泥浆加水玻璃双液浆灌注，注浆压力高、浓度高（水灰比1:1.25）、注浆量小（合计32.5t，含水玻璃3.5t），浆液快速凝固，浆液扩散形成的微震事件集中在一个很小范围内，且与奥灰含水层上部煤系地层微震事件范围重合，此位置即是奥灰水突破口位置。

3）通过注浆，浆液进入含水层裂隙内，产生驱水、劈裂、破岩作用，诱发岩层崩塌，引起微震事件，观测不同注浆阶段浆液扩散形成的微震事件空间分布情况。

请参考图6，注浆期间不同注浆阶段、含水层内不同层段微震事件空间分布情况指示奥灰含水层内垂向岩溶网络发育情况、奥灰水深部导水通道及突水口。请参考图7，注浆期间奥灰含水层内微震事件每天最多达到12个，而注浆结束以后奥灰含水层内不再有微震事件发生，证实了微震技术描述注浆浆液扩散范围、途径及过程的有效性和可靠性。根据上述分析，该注浆工程效果良好，煤矿井下实测证实，经过注浆加固治理，注浆钻孔水量为0，原9.20突水点水量由最初4.0m³/h减小到0.5m³/h。

本发明通过绘制各个注浆阶段含水层内微震事件平面及剖面图，对微震事件发生时间、位置进行综合分析，对浆液扩散范围、路径及过程进行全空间、实时、连续描述，提供工作区含水层储水结构及地下水流场特征等信息，为注浆工程优化、注浆效果评价及突水事故的快速治理、水资源保护提供依据。