一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置及施工方法与流程

本发明属于隧道全断面注浆技术领域，具体涉及一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置及施工方法。

背景技术：

隧道全断面注浆技术是隧道工程中针对过软弱富水地层、破碎带等土质较差的异常段常采用的施工方法，通过对隧道围岩施工小导管进行注浆起到加固土体与防水的作用，目前在现场施工时，通常采取岩性观测对比法、测试化法等，但以往采用的这些方法具有工程量大、费用高、准确率低等特点。

目前煤矿主采煤主要为带压开采煤层，煤层底板承受奥灰水压力约为1mpa，煤层与奥灰水距离约为40～60m，由于煤底板奥灰富水性强且断层发育，安全开采受到底板奥灰水的威胁，近年来全国煤矿突水数据显示，70％的突水事故都发生在巷道掘进过程中，掘进过程中遇到断层导通奥灰水时特别易发突水事故。采用以往固底板为主的断层设计方法治理这两个断层治理工期长，效果不理想，某些断层虽然落差仅为3m，但是该断层导水性强，前探钻孔出水量高，迎头打钻位置巷道顶板出水25m³/h，施工条件差，奥灰层位给其治理带来了极大的难度。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的导水断层综合治理平行施工系统及施工方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种导水断层综合治理平行施工系统及施工方法以至少解决目前以固底板为主的断层设计方法来治理断层工期长、效果不理想、工程量大、费用高、准确率低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，所述注浆孔装置包括，

第一套管，所述第一套管设置在巷道周围的岩层内；用于提供定位和支撑；

第二套管，所述第二套管的外径小于所述第一套管的内径；所述第二套管同心设置在所述第一套管内，所述第二套管内设有注浆孔；

短管，所述短管连接在所述第二套管的左侧，所述短管上设有压力表；

堵头，所述堵头连接在所述短管左侧，所述堵头内设有球形腔体，所述球形腔体内设有第二闸水阀。

如上所述的一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，优选，所述第一套管和所述第二套管沿周向均分布多个通孔，用于浆液从套管内流出，形成封固的整体。

如上所述的一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，优选，所述第二套管的长度大于所述第一套管的长度，所述第一套管和所述第二套管的左端平齐设置；所述第一套管和所述第二套管之间、所述第二套管和所述注浆孔之间均设有相同厚度的砂浆层。

如上所述的一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，优选，所述第一套管左端连接有第一法兰，所述第二套管左端连接有第二法兰，所述短管的右端连接有第三法兰；所述第一法兰、所述第二法兰和所述第三法兰紧贴连接在一起；所述第二法兰位于所述第一法兰和所述第三法兰之间；

优选地，所述短管的内径与所述第二套管的内径相同。

如上所述的一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，优选，所述短管外壁连通设有测压管，所述测压管内设有第一闸阀，所述测压管上端连接有压力表；所述第一闸阀用于连通所述压力表与所述短管。

如上所述的一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置，优选，所述注浆孔有三组，分别为第一组注浆孔、第二组注浆孔和第三组注浆孔；每一组所述注浆孔均沿施工巷道的四周均匀分布，所述第一组注浆孔与所述第三组注浆孔分布方式相同，且与所述第二组的分布方式不同；

优选地，所述第一组注浆孔和第三组注浆孔与巷道中心线夹角为11～25°，孔深为43～56m；

再优选地，所述第二组注浆孔与巷道中心线夹角为15～22°，孔深为57～62m。

一种基于高压深孔注浆的注浆孔装置的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：

步骤一，确定钻孔施工工艺程序：

钻具开孔钻进并下入第一套管→注双液浆封固→承压试验合格后→钻具开孔钻进并下入第二套管→注双液浆封固→承压试验合格后→钻具开孔钻进至设计深度→观测出水钻孔终孔的水量、水压及水温；

步骤二，下入第一套管和第二套管并将其固定：

采用钻头a先向前钻进，然后下入第一套管，再注速凝膨胀封孔剂进行封固；

采用钻头b先向前钻进，然后下入第二套管，注双液浆进行封固；

步骤三，止水检查：

步骤二中的第一套管和第二套管封固后，利用高压泥浆泵分别对第一套管和第二套管进行止水质量检查，再用钻头c进行钻进。

如上所述的基于高压深孔注浆的注浆孔装置的施工方法，优选，所述步骤一中，所述双液浆中水泥浆与水玻璃体积比为1:1～1:0.6。

如上所述的基于高压深孔注浆的注浆孔装置的施工方法，优选，所述步骤二中，封固用的注浆加固材料为p.o42.5硅酸盐水泥、水和35～40波美度的水玻璃；

所述钻头a采用φ168mm的钻头，向前钻进的距离为6m；

所述钻头b采用φ127mm的钻头，向前钻进的距离为12m；

所述双浆液中水泥浆水灰比1：1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.6。

如上所述的基于高压深孔注浆的注浆孔装置的施工方法，优选，所述步骤二中，注浆终压为9mpa。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明采用高压深孔注浆与小导管注浆平行施工的方法，使得在高压深孔注浆的同时小导管注浆同步进行；同时高压深孔注浆采用三轮注浆的方法，小导管采用分组间隔的施工方法，使得导水断层得到有效的治理。本发明使得导水断层治理断层工期变短、、工程量较少、费用低、准确率高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的高压注浆孔孔口布置图；

图2为本发明实施例的高压注浆孔平面示意图；

图3为本发明实施例的高压注浆孔剖面示意图；

图4为本发明实施例的第一、三轮注浆断面效果示意图；

图5为本发明实施例的第二轮注浆断面效果示意图；

图6为本发明实施例的断面深孔注浆布孔整体效果示意图；

图7为本发明实施例的小导管s组布置断面示意图；

图8为本发明实施例的导管q组布置断面示意图；

图9为本发明实施例的小导管平面布置示意图；

图10为本发明实施例的小导管剖面布置示意图；

图11为本发明实施例的小导管结构示意图。

图中：11、第一套管；12、第二套管；13、注浆孔；14、第一法兰；15、第二法兰；16、第三法兰；17、压力表；18、第一闸阀；19、短管；110、第二闸阀；111、第四法兰；112、堵头；21、第一轮注浆管；22、第二轮注浆管；23、第三轮注浆管；31、巷道；41、左帮；42、右帮；43、第三闸阀；44、钢筋；51螺纹；52、钢花管；53、尖端；54、出浆孔；s1、第一组导管；s2、第二组导管；s3、第三组导管；s4、第四组导管；q1、第五组导管；q2、第六组导管；q3、第七组导管；q4、第八组导管。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的具体实施例，如图1所示，为本发明的高压注浆孔13孔口布置图，第一套管11内径146mm，长度5.5m，第一套管12内径108mm。长度11m，中心为注浆孔13；压力表17上可以显示管道内的压力，第二闸阀110可以控制管道内的水流出；堵头112左端连接有第四法兰111，便于外接其他管道。如图2至6所示，为本发明的高压注浆端面示意图，高压注浆孔13口布置分为三轮，分别为，第一轮注浆管21，第二轮注浆管22，第三轮注浆管23，第一轮注浆管21和第三轮注浆管23的布置方式一样，第二轮注浆管22的布置方式与第一轮注浆管21和第三轮注浆管23不同。这样设置使得巷道31在掘进过程中的强度得到保证。防止了导水断层带来的危害。如图7-11所述，为本发明的小导管注浆端面示意图，本发明中小导管注浆分为s和q两大组，每一大组又分为9小组，即第一组导管s1；第二组导管s2；第三组导管s3；第四组导管s4；第五组导管q1；第六组导管q2；第七组导管q3；第八组导管q4；第九组导管q5，s和q两大组分开间隔布置，这样使得其覆盖面积变的更广，带来的效果更加明显。同时巷道底部设有钢筋44，用于提供支撑，小导管前端设有尖端53，便于更方便的插入岩体中，小导管四周设有出浆孔54。

根据本发明的具体实施例，一种导水断层综合治理平行施工系统，平行施工系统包括，高压深孔注浆系统，高压深孔注浆系统位于巷道31外侧四周的岩体内。高压深孔注浆系统包括高压深孔注浆孔13装置，高压深孔注浆孔13装置包括第一套管11，第一套管11设置在巷道31周围的岩层内。用于提供定位和支撑。

小导管注浆系统，小导管注浆系统位于高压深孔注浆系统内侧，小导管注浆系统连接在巷道31的内壁。

根据本发明的具体实施例，高压深孔注浆孔13装置还包括，第一套管12，第一套管12的外径小于第一套管11的内径。第一套管12同心设置在第一套管11内，第一套管12内设有注浆孔13。短管19，短管19连接在第一套管12的左侧，短管19上设有压力表17。堵头112，堵头112连接在短管19左侧，堵头112内设有球形腔体，球形腔体内设有第二闸阀110。

根据本发明的具体实施例，第一套管12的长度大于第一套管11的长度，第一套管11和第一套管12的左端平齐设置。第一套管11和第一套管12之间、第一套管12和注浆孔13之间均设有相同厚度的砂浆层。第一套管11和第一套管12沿周向均分布多个通孔，用于浆液从套管内流出，形成封固的整体。

根据本发明的具体实施例，第一套管11左端连接有第一法兰14，第一套管12左端连接有第二法兰15，短管19的右端连接有第三法兰16。第一法兰14、第二法兰15和第三法兰16紧贴连接在一起。第二法兰15位于第一法兰14和第三法兰16之间。短管19外壁连通设有测压管，测压管内设有第一闸阀18，测压管上端连接有压力表17。第一闸阀18用于连通压力表17与短管19。

作为优选方案，短管19的内径与第一套管12的内径相同。

根据本发明的具体实施例，注浆孔13有三组，分别为第一组注浆孔、第二组注浆孔和第三组注浆孔。每一组注浆孔13均沿施工巷道31的四周均匀分布，第一组注浆孔与第三组注浆孔分布方式相同，且与第二组注浆孔的分布方式不同。

优选地，第一组注浆孔和第三组注浆孔与巷道31中心线夹角为11～25°(比如11°、12°、13°、14°、15°、18°、20°、22°、25°)，孔深为43～56m(比如43m、45m、46m、48m、49m、52m、53m、55m、56m)。

再优选地，第二组注浆孔13与巷道31中心线夹角为15～22°(比如15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°)，孔深为57～62m(比如57m、58m、59m、60m、61m、62m)。

根据本发明的具体实施例，小导管注浆系统包括小导管注浆孔装置，小导管注浆孔装置包括，

s组小导管，s组小导管设置在巷道31的四周，s组小导管的一端自巷道31内壁向四周延伸至另一端。

q组小导管，q组小导管与s组小导管间隔设置，q组小导管的长度大于s组小导管的长度。

导水管，导水管位于巷道31左帮41的下部，导水管的开口方向朝向巷道31的右帮42。

根据本发明的具体实施例，s组小导管包括s1组小导管、s2组小导管、s3组小导管、s4组小导管、s5组小导管、s6组小导管、s7组小导管、s8组小导管和s9组小导管。s1组小导管的一端连接在巷道31的左帮41处，s2组小导管的一端连接在巷道31的左帮41与巷道31的顶拱交接处。s5组小导管的一端连接在巷道31右帮42与巷道31的顶拱交接处。s3组小导管和s4组小导管均匀分布在s2组小导管和s5组小导管之间。s6组小导管的一端连接在巷道31的右帮42处。s7组小导管至s9组小导管均匀设置在巷道31底部。

q组小导管包括q1组小导管、q2组小导管、q3组小导管、q4组小导管、q5组小导管、q6组小导管、q7组小导管、q8组小导管和q9组小导管。q1组小导管的一端连接在巷道31的左帮41和巷道31的底部交接处。q7组小导管的一端连接在巷道31的右帮42和巷道31的底部交接处。q8组小导管和q9组小导管垂直于巷道31的底部设置。q4组小导管连接在巷道31的拱部的最高点。q2组小导管位于s1组小导管和s2组小导管之间。q3组小导管位于s2组小导管和s3组小导管之间。q5组小导管位于s4组小导管和s5组小导管之间。q6组小导管位于s5组小导管和s6组小导管之间。

导水管连接在u形棚腿上，导水管右侧连接有一段外露管，外露管与导水管的内径相同，外露管的右侧连接有法兰盘。

s组小导管和q组小导管均以60～90°倾角朝巷道31掘进方向延伸设置于围岩内。

s组小导管和q组小导管均为一端密封的钢花管52，钢花管52的另一端设有螺纹51，钢花管52的密封端呈圆锥状，用于钻进岩体。钢花管52的四周开设有通孔，用于出浆。

导水管右侧还连接有导水闸阀，用于控制水流的启闭。

优选地，导水管离地的间距不小于300mm。

一种导水断层综合治理平行施工系统的施工方法，施工方法包括如下步骤：

步骤1，高压深孔注浆：

步骤11，确定钻孔施工工艺程序：

钻具开孔钻进、下入第一套管11→注双液浆封固→承压试验合格后→钻具开孔钻进、下入第一套管12→注双液浆封固→承压试验合格后→钻具开孔钻进至设计深度→观测出水钻孔终孔的水量、水压及水温。

步骤12，下入第一套管11和第一套管12并将其固定：

采用φ168mm钻头钻进6m，下入第一套管11，注速凝膨胀封孔剂进行封固，水泥浆水灰比1：1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.6。

采用φ127mm钻头钻进12m，下入第一套管12，注双液浆进行封固，水泥浆水灰比1：1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.6。

步骤13，止水检查：

将步骤12中的第一套管11和第一套管12封固8小时后，用高压泥浆泵做第一套管11和第二套承压止水质量检查，向第一套管11内注水、孔口压力达3mpa稳定30分钟，以孔口及周边不渗漏水为合格，否则重新注浆封固直至合格。向第一套管12内注水、孔口压力达5mpa稳定30分钟，以孔口及周边不渗漏水为合格，否则重新注浆封固直至合格。第一套管12止水检查合格后，安装108mm高压控水闸阀用φ75mm的钻头c钻至设计孔深。

步骤2，小导管注浆：

步骤21，选取小导管：

小导管在巷道31施工深孔注浆钻孔时同步施工，小导管不小于1.5m，材质为φ1寸钢花管52，钢管外露端带螺纹51、四周应开设均匀的通孔。

步骤22，安装小导管：

s组小导管和q组小导管两组小导管在巷道31交错施工，每组间距4m，可根据现场实际情况布置组数，一般布置组数应覆盖整个施工区域。a、b两组各9个孔，以60～90°倾角朝掘进前方打入围岩内。打入围岩之后，可对小导管进行注浆。

步骤23，安装导水管：

将导水管牢固生根在u形棚腿上，使得导水管外露200mm，外露段需焊接法兰盘，离地间距不小于300mm，以便安设控水闸阀。引水管的安设不局限于设计位置，根据实际出水位置安设。

步骤3，高压深孔注浆与小导管注浆平行施工：

在高压深孔注浆的同时，小导管注浆施工同时进行。

根据本发明的具体实施例，步骤11中，双液浆中水泥浆与水玻璃体积比为1:1～1:0.6。

步骤12中，封固用的注浆加固材料为p.o42.5硅酸盐水泥、水和35～40波美度的水玻璃。

步骤12中，注浆终压为9mpa。

根据本发明的具体实施例，步骤22中，在小导管注浆时，注浆压力不小于6mpa。

步骤23中的导水管有两个，两管之间距离为800mm。

根据本发明的具体实施例，本发明根据唐家会矿的地质及水文地质参数进行了治理范围的验算，治理范围的验算如下安全隔水层厚度计算公式与掘进巷道31底板隔水层安全水压计算公式针对唐家会矿的地质及水文地质参数与巷道31设计参数，取值计算如下：

安全隔水层厚度计算公式：

式中t-安全隔水层厚度，m；

l-巷道31底板宽度，l＝5.5m；

γ-底板隔水层的平均重度，γ＝0.025mn/m³；

kp-底板隔水层的平均抗拉强度，kp＝1.0mpa；

p-底板隔水层承受的水头压力，p＝1.1mpa。

计算得t＝4.05m。

掘进巷道31底板隔水层安全水压

式中，p-底板隔水层能够承受的安全水压，mpa；

t-隔水层厚度，t＝12m；

l-巷道31宽度，l＝5.5m；

γ-底板隔水层的平均重度，0.025mn/m³；

kp-底板隔水层的平均抗拉强度，kp＝1.0mpa

计算得p＝9.82mpa。

当划定巷道31周圈12m加固范围时，巷道31底板与奥灰之间的最小隔水层厚度约为12m，远大于安全隔水层厚度4.05m；工作面奥灰水压最大为1.1mpa，远小于安全水压9.82mpa，因此划定的治理范围合理。

同时，本发明还提供了钻孔施工参数表，如下表1所示：

表1钻孔施工参数表

总之，本发明采用高压深孔注浆与小导管注浆平行施工的方法，使得在高压深孔注浆的同时小导管注浆同步进行；同时高压深孔注浆采用三轮注浆的方法，小导管采用分组交错的施工方法，使得导水断层得到有效的治理。使得导水断层治理断层工期变短、工程量较少、费用低、准确率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。