[发明专利]一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺

说明书

本发明公开一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，采用现场地应力测试和数值模拟分析，反演得到深部非对称应力分布情况，建立深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕力学模型，采用物理模型试验和数值模拟试验分析钻爆法凿井过程中围岩爆破致裂区和卸荷劣化区范围，确定非对称应力条件下竖井围岩开挖破坏范围的几何参数；对非对称应力条件下深竖井注浆堵水帷幕布设进行设计，确定有效注浆帷幕厚度，明确地面预注浆钻孔布孔形式和注浆工艺参数。所提供的深部非对称应力场条件下注浆帷幕设计方法适用于我国西部深井采矿领域井筒建设中基岩水害防治，可保证深部非对称应力场条件下，钻爆法施工的大断面竖井井筒安全穿越基岩含水层。

技术领域

本发明涉及深部矿井竖井基岩高压水害防治技术领域。具体地说是一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺。

背景技术

随着浅部资源日趋枯竭，我国加快深部矿产资源开采进程。深部开采需要建设地面通达矿层的竖井井筒。由于深部工程面临的地质环境十分恶劣，井筒基岩段高压水害严重制约了深竖井安全快速建设。目前，井筒基岩水害一般采用预注浆技术，沿井筒形成封闭的注浆堵水帷幕。由于地质构造运动的影响，我国西部地区地应力呈现非对称应力场特征。在深部非对称高应力和凿井爆破开挖强烈施工扰动等因素影响下，竖井围岩注浆帷幕破坏范围与轴对称条件下存在明显差别。由于传统竖井注浆帷幕设计仅考虑轴对称应力条件，凿井过程中注浆帷幕破坏深度和浆液扩散距离主要依靠工程经验取值，不能满足深部开采非对称应力条件下井筒防治水需要。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种考虑深部非对称应力和和凿井爆破开挖强烈施工扰动条件下，竖井围岩爆破致裂范围和卸荷劣化范围的竖井地面预注浆堵水帷幕设计方法及注浆工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，包括如下步骤：

(A)采用现场地应力测试和数值模拟分析，反演得到深部非对称应力分布情况；

(B)建立深部非对称应力条件下竖井围岩力学模型，采用物理模型试验和数值模拟分析钻爆法凿井过程中围岩破致裂区和卸荷劣化区范围，确定非对称应力条件下竖井围岩开挖破坏范围的几何参数；

(C)根据实际地质条件，考虑浆液扩散范围、竖井围岩开挖破坏范围，在总注浆量最小原则下，对非对称应力条件下深竖井注浆堵水帷幕布设进行设计，确定有效注浆帷幕厚度，明确地面预注浆钻孔布孔形式和注浆工艺参数。

上述一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，在步骤(A)中；

(A-1)利用现场井筒检查孔开展深部非对称地应力测试，获得深部基岩含水层地应力大小及方向，包括水平最大主应力值、水平最小主应力值及其主应力方向；

(A-2)根据矿井地质条件，采用数值模拟方法，建立符合现场实际情况的数值模型，调整模型边界条件，直至数值模拟结果与现场应力测试结果吻合，并将此时围岩应力作为基岩含水层的初始应力场。

上述一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，在步骤(A-1)中：非对称应力测试采用钻杆式深孔水压致裂地应力测量系统，测试深度500～1200m，封隔器坐封压力50～80MPa；地应力测试钻孔采用竖井井筒检查孔，避免单独施工地应力测试钻孔，节约工程成本。

上述一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，在步骤(A-2)中，竖井基岩含水层初始应力场数值模拟方法采用有限差分数值模拟方法，地应力反演分析中，考虑竖直方向上不同地层造成的材料异质性，而将同一地层视作横向各向同性材料，模型尺寸取开挖半径的10倍，调整水平方向应力大小和竖直方向应力梯度0.015～0.028MPa/m，直至压裂点地应力模拟结果与测试结果一致，并将此时的应力场作为模型初始应力场。