[发明专利]高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法

权利要求书

1.高应力条件竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

（A）利用室内高应力三轴加卸载模拟系统和有限离散元数值方法进行高应力条件下竖井裂隙型注浆帷幕开挖卸荷破坏范围模拟分析；

（B）利用压水试验系统进行深部高水压条件下注浆帷幕有效堵水帷幕厚度确定；

（C）利用步骤（A）和步骤（B）的试验成果，进行千米深竖井基岩含水层注浆堵水帷幕设计；

在步骤（A）中，采用竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型试验和数值模拟的方法，分析竖井注浆帷幕高应力开挖卸荷破坏范围；具体包括如下步骤：

（A-1）室内高应力条件下，利用室内高应力三轴加卸载模拟系统进行竖井注浆帷幕开挖卸荷物理模型试验：通过制取厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样（1），采用室内高应力三轴加卸载模拟系统研究高应力开挖卸荷条件下，竖井注浆帷幕损伤劣化深度和范围；

（A-2）室内条件下数值模拟分析：用有限离散元模拟方法，建立室内试验工况下厚壁圆筒形竖井注浆帷幕数值模型，采用与实验室工况对应的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，厚壁圆筒形竖井注浆帷幕试样的损伤劣化深度和范围；根据室内试验结果校核有限离散元模拟分析方法和模型参数；

（A-3）实际地质条件下数值模拟分析：根据现场实际地质条件建立竖井注浆帷幕数值模型，采用步骤（A-2）中得到的校核后的有限离散元模拟分析方法和模型参数，施加实际的初始和边界条件，模拟分析高应力开挖卸荷条件下，竖井裂隙型注浆帷幕损伤劣化深度和范围；

在步骤（B）中，包括如下步骤：

（B-1）采用耐压模具制作管状十字交叉裂隙注浆体，并利用耐压法兰盘（2-2）将管状十字交叉裂隙注浆体进行拼接成管状裂隙注浆体（2-1）；

（B-2）高压水试验系统包括压水泵（2-3）和水箱（2-4），水箱（2-4）内水通过压水泵（2-3）从管状裂隙注浆体（2-1）的压水端（2-5）的中心位置泵入进行高压力压水试验，在每节管状十字交叉裂隙注浆体上均设置有压力表（2-7）；

（B-3）在压水时间内，管状裂隙注浆体（2-1）的自由端（2-6）未发生明显渗水，则从管状裂隙注浆体（2-1）的压水端（2-5）减少一节管状十字交叉裂隙注浆体，记录剩余管状十字交叉裂隙注浆体总长度，重新连接高压水试验系统的压水泵（2-3）压水，直至管状裂隙注浆体（2-1）的自由端（2-6）开始明显渗水，则满足现场高地下水压力条件下，最小有效堵水帷幕厚度为发生明显渗漏的上一次管状十字交叉裂隙注浆体总长度；

压水压力为实际条件下竖井注浆帷幕面临的最大地下水压力，压水时间为72h-120h；

在步骤（C）中，包括如下步骤：

（C-1）设计竖井井筒地面预注浆布孔圈径，在开挖荒径基础上，考虑高应力开挖卸荷破坏深度，得到有效堵水帷幕的内侧边界，布孔圈径在有效堵水帷幕内侧边界外1.0到2.0m，从而得到布孔圈径；

（C-2）设计竖井井筒地面预注浆孔间距，根据浆液有效扩散距离和有效堵水帷幕厚度，调整钻孔孔间距，使得有效堵水帷幕厚度得到保障，同时考虑分序施工原则，合理设置孔间距和钻孔数目；

（C-3）确定注浆帷幕内半径和外半径，并根据浆液扩散范围设计浆液注入量；

浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，应用如下公式进行计算：

Q=AV nβ/m

式中：Q为浆液注入量，m³；A为浆液超扩散消耗系数，取1.3～1.5；V为待注浆的围岩体积，m³；m为浆液结石率，取0.5～0.85；β为浆液充填系数，取0.95；n为岩层平均裂隙率，根据地层情况确定；

待注浆的围岩体积V近似为围绕井筒中心的圆筒，圆筒内径为布孔圈径减去浆液扩散距离，圆筒外径为布孔圈径加上浆液扩散距离，待注浆的围岩体积V为：

V=π(R₂²- R₁²)H/4

R₁为注浆帷幕内边界半径，m，R₁＝r－L；R₂为注浆帷幕外边界半径，m，R₂＝r＋L；r为注浆孔布孔半径，m；L为浆液扩散距离 ，m，H为注浆总段高，m。