[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

说明书

本发明公开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，利用室内高应力三轴加卸载模拟系统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；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，进行千米深竖井基岩含水层注浆堵水帷幕设计。采用物理模型试验和数值模拟试验研究竖井注浆帷幕损伤劣化范围，确定开挖卸荷破坏深度；通过室内1:1高压压水试验确定有效堵水帷幕厚度；最后，基于有效堵水帷幕厚度、帷幕开挖卸荷破坏深度、总注浆量最小的原则，进行深竖井注浆帷幕设计，明确地面预注浆布孔圈径、布孔孔间距，注浆压力等核心工艺参数。

技术领域

本发明涉及深部开采高应力条件下竖井基岩段井筒防治水技术领域。具体地说是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。

背景技术

我国矿产资源开采已进入深部开采阶段。未来十年，我国将加快深井建设速度，预计超过一半的煤矿和近三分之一的金属矿开采深度将达到或超过1000米。深部开采，建井先行。深部恶劣地质环境造成千米深竖井基岩段水害防治形式极为严峻。地面预注浆技术通过地面钻孔将浆液注入含水层并驱排地下水，浆液凝固后充填封堵地层导水通道，形成注浆帷幕，避免凿井过程中深部高压地下水涌入井筒，竖井注浆帷幕是封堵基岩段含水层的重要防治水结构。深部“高应力、高水压、强开挖卸荷扰动”等因素对浆液扩散范围、注浆帷幕开挖卸荷破坏深度存在明显影响，目前，传统竖井注浆帷幕设计主要依靠工程经验，忽略了开挖卸荷对注浆帷幕的损伤劣化效应，是千米深竖井潜在的水害隐患。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以实现高应力、强开挖卸荷扰动条件下的竖井基岩裂隙型含水层注浆堵水帷幕设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

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，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。

上述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，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进行试验：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型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。

上述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，在步骤(A-1)中，厚壁圆筒形竖井裂隙注浆帷幕试样为厚壁圆筒形，内径Φ20mm，外径Φ200mm，高270mm；