一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置及其方法与流程

本发明属于复杂裂隙岩体注液的技术领域，具体涉及一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置及其方法，尤其涉及一种针对复杂裂隙岩体难注工程的气压式分隔高压注液装置及其方法，以实现在采矿工程、石油工程、建筑工程等涉及注液密封、加固、压裂等的有效实施。

背景技术：

在采矿工程中，在地质含水层、老空积水、地上河流等条件下，受断层及岩体中裂缝的影响，极易发生渗水、突水事故；在石油工程中钻井的稳定性依赖于固井注浆技术，决定了石油钻探的稳定性，同时压裂液和支撑剂在缝网中的扩散运移决定了产量；在建筑工程中，建筑体受扰动影响后容易产生壁面裂纹，损伤建筑体稳定性。因此注液在岩土体工程中发挥着重要作用，但是由于裂隙岩体的复杂条件，使得浆液在灌输过程中并不能达到预定的扩散范围，受裂缝地质几何条件的限制。造成跑浆、漏液等事故，直接影响工程施工质量，造成材料浪费等问题。

如当前在注浆工程时，并未及时考虑岩体裂缝的复杂性，而是依照传统手段打钻孔后实施注浆，若注浆失败则换钻孔重新灌输，但是注浆效果往往不能达到预期，严重制约着注浆工程的进度和质量。

因此，为提高注液工程质量、减少材料浪费，提高工作效率，并且在现场中实施简单操作，迫切需要一种有效的注液设备和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置及其方法，在岩土体注液工程中实现分隔注液，防止发生跑浆、漏液事故，减少材料的浪费，降低注液成本简化注液工序，提高注液质量及工作效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置，所述的复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置为内外双层的分段式注液导管，包括内管3和外管4，内管3和外管4均包括至少两段，至少两段内管3相互拼接，至少两段外管4相互拼接，内管3设置于外管4的内部；其中，

在每段内管3的管壁端面上沿轴向方向留设有至少1个螺栓孔8，每段内管3的螺栓孔8留设在相同位置，且尺寸相同，螺栓孔8沿轴向方向贯穿内管3的管壁，通过与各段内管3的螺栓孔8匹配的螺栓8-1将各段内管3连接；在每段内管3的管壁上，沿径向方向开设有多个内注液孔7，多个内注液孔7沿内管3的周向方向均匀分布；每段内管3的管壁中部外侧沿周向设置t形凸起12-2；

在每段内管3的一端端面上设置有凹槽11-1，另一端端面上设置与凹槽11-1相匹配的凸起11-2，凹槽11-1和/或凸起11-2表面设置有密封垫圈11-3，在各段内管3衔接时，起到阻隔密封的作用；

所述的外管4设置有至少两段，至少两段外管4之间的连接方式与至少两段内管3之间的连接方式相同；各段外管4的两端面与内管3的端面相同，设置有凹槽和凸起，但在壁面内布置螺栓固定，使得各段外管4之间不能旋转；

所述的外管4的管内径与内管3的管外径相匹配，且长度相同，使得每段内管3套于每段外管4内部，内管3的外壁与外管4的内壁相贴合，且可在外管4中转动；所述的外管4的内壁沿周向设置有与内管3的t形凸起12-2相匹配的t形凹槽12-1，t形凸起12-2容纳于t形凹槽12-1中，t形凹槽12-1的开口处设置有密封橡胶12-3；

在所述的外管4的管壁上，沿径向方向开设有多个外注液孔6，多个外注液孔6沿外管4的周向方向均匀分布，且外注液孔6在外管4的径向截面位置、角度与内注液孔7在内管3的径向截面位置、角度相同，相对于外管4转动内管3使得各外注液孔6与各内注液孔7位置相对应时，外注液孔6与内注液孔7连通，实现输液；或位置相交错时，外注液孔6与内注液孔7不连通，进而实现分段注液；

每段所述的外管4沿轴向贯穿其管壁设置有通孔，且外管4的管壁沿径向方向开设有与该通孔连通的至少一个导通孔，在外管的外壁设置导通孔处设置有导气接头9-1，各段外管4的通孔位置相对应，且拼接后该通孔内部用于布置导气管9；

所述的气囊5包括气囊外壁5-1和气囊内壁5-2，每个气囊5的两端端部粘接与外管4的外壁上，中部不粘接，导气接头9-1远离外管4的一端位于气囊外壁5-1和气囊内壁5-2之间；气体依次通过导气管9、导气管9上的开孔、外管4的导通孔及导气接头9-1，进入外管4的外部的气囊5中，使气囊5充气，以阻塞钻孔2的壁面。

进一步地，每段所述的内管3轴向方向设置3组内注液孔，每组在壁面周向上布置3-4个内注液孔7，相应地，每段外管4轴向方向设置3组外注液孔，每组在轴向壁面上布置3-4个外注液孔6。

进一步地，所述的导气接头9-1的长度为1cm～2cm，导气接头9材质为塑料软体；所述的导气管9的管直径为1mm-5mm。

进一步地，所述的气囊5的壁的强度满足充气气压1mpa-3mpa，且在内注液孔7、外注液孔6的灌输浆液达到设计压力后，粘接处与外管4剥离，从而实现液体流动。

另一方面，本发明提供了一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液方法，所述的方法采用上述的复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置，所述的方法包括步骤：

步骤1)根据裂隙岩体1测定的裂隙几何参数、分布状态，布置注液钻孔2，设计注液导管长度、孔径，包括内管3和外管4，确定内管3分段的标准；

步骤2)嵌套各段内管3的凹槽11-1、凸起11-2，同时插入螺栓8-1将各段内管3组装连接，各段外管4采用相同方式组装连接，将内管3套入外管4中，同时使得底端部位的内注液孔7与外注液孔6相互对齐，且其他内管3和外管4的注液孔相互交错，记录各段注液孔相对位置；

步骤3)将气囊5利用气囊粘接片10粘接在除底端外的外管4壁面，并保持松弛状态，将整个注液导管插入钻孔2内，并安装输液系统13，利用连通管14与注液导管连接，随后利用导气管9向距离底端导管最近的气囊5内充入气体，保持特定压力紧贴于钻孔2内壁；

步骤4)向注液导管内注入液体，通过内注液孔7和外注液孔6扩散至特定位置的裂缝内，达到指定的注液参数后，停止注液，上移螺栓8-1以剥离底端内管3，在外部转动内管3，内管3、外管4的t形槽12-1、t形凸起12-2、密封橡胶12-3实现旋转内管3并密闭，使得阶段内的注液孔一致，并充入速凝剂封堵底端注液导管；

步骤5)排除气囊5气体后，同时封堵此时的最下端的导气管9并向其上阶段内的气囊5充入气体，保持一定压力紧贴于钻孔2内壁，并重复步骤4)；

步骤6)直至全部导管、岩体裂缝注液完毕，回收最后一段内管，其余导管浇筑于岩体内部，拆除导气管9、注液系统13及连通管14，清洗设备。

本发明的效果和益处是：

本发明提供的复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置及其方法保证在灌输浆液时可在压力支撑下脱落，级管内的浆液能够及时通过注液孔渗入到钻孔及扩散裂缝范围。综上所述，本发明所提出的装置及其方法操作简便、可靠性大、工作效率高，施工质量高、省时省力、能够降低成本等有益效果。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的整体结构示意图；

图2a为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的注液导管示意图；

图2b为图2a中a处放大图；

图3a和图3b为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的注液导管轴向切面图；其中图3a为：注液导管-螺栓与注液孔轴向切面图；图3b为：注液导管-导气管轴向切面图。

图4a和图4b为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的内管衔接剖面图，图4a为内管的一端面；图4b为内管的另一端面；

图5a和图5b为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的内、外管衔接剖面图；其中图5a为外管；图5b为内管。

图中：1裂隙岩体；2钻孔；3内管；4外管；5气囊；5-1气囊外壁；5-2气囊内壁；6外注液孔；7内注液孔；8螺栓孔；8-1螺栓；9导气管；9-1：导气接头；10气囊粘接片；11-1凹槽；11-2凸起；11-3密封垫圈；12-1t形凹槽；12-2t形凸起；12-3密封橡胶；13输液系统；14连通管。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

图1为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的整体结构示意图。参见图1，在本实施例中，复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置为内外双层的分段式注液导管，包括内管3和外管4，内管3和外管4均包括至少两段，至少两段内管3相互拼接，至少两段外管4相互拼接，内管3设置于外管4的内部。

图2a为本发明实施例中提供的一种复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置的注液导管示意图；图2b为图2a中a处放大图；图3a和图3b为注液导管轴向切面图；图4a和图4b为内管衔接剖面图；图5a和图5b为内、外管衔接剖面图。参见图1至图5b，在本实施例中，所述的内管3的管内径可依据工程实际情况设定，在每段内管3的管壁端面上沿轴向方向留设有至少1个螺栓孔8，在本实施例中设置有2个螺栓孔8。并且，每段内管3的螺栓孔8留设在相同位置，且尺寸相同，且螺栓孔8沿轴向方向贯穿内管3的管壁，从而通过与各段内管3的螺栓孔8匹配的螺栓8-1将各段内管3连接，通过螺栓8-1连接的内管3，实现各段内管3的同时转动，同时，通过调整螺栓8-1所连接内管3的数量，实现特定数量内管3的转动。

具体地，各段内管3利用螺栓8-1固定，根据实际工程要求确定分段内管3数量后，借助外部机械或者人力转动螺栓8-1，以调整螺栓8-1所连接的内管的数量，将螺栓8-1脱离无需转动的分段内管3，实现内管3的分段转动。具体地，内管3的管壁为厚度满足强度要求的钢铁材质。

具体地，螺栓孔8按照分段标准、旋转需求进行设定，孔径均保持一致。保证螺栓8-1的安装与卸载均方便快捷，并且适用于岩体的注液要求。

每段内管3的管壁上，沿径向方向开设有多个内注液孔7，多个内注液孔7沿内管3的周向方向均匀分布；每段内管3的管壁中部外侧沿周向设置t形凸起12-2。

如图4a和图4b所示，在一个优选的实施方案中，每段内管3的一端端面上设置有凹槽11-1，另一端端面上设置与凹槽11-1相匹配的凸起11-2，凹槽11-1和/或凸起11-2表面设置有密封垫圈11-3，从而实现在各段内管3衔接时，起到阻隔密封的作用，能够保证在注入时浆液不会在级管间的裂缝中渗出并不会阻塞螺栓和妨碍壁面旋转。

为保证注液导管制造方便，外管4设置有至少两段，至少两段外管4之间的连接方式与至少两段内管3之间的连接方式相同；且为保证密封性，各段外管4的两端面与内管3的端面相同，设置有凹槽和凸起，但在壁面内布置螺栓固定，使得各段外管4之间不旋转。

外管4的管内径与内管3的管外径相匹配，且长度相同，使得每段内管3套于每段外管4内部，内管3的外壁与外管4的内壁相贴合，且可在外管4中转动。外管4的内壁沿周向设置有与内管3的t形凸起12-2相匹配的t形凹槽12-1，t形凸起12-2容纳于t形凹槽12-1中，t形凹槽12-1的开口处设置有密封橡胶12-3，其能够保证在注入时浆液不会渗入到内外管间的管缝内，避免产生旋转困难，防止发生渗漏而憋压失败。

在外管4的管壁上，沿径向方向开设有多个外注液孔6，多个外注液孔6沿外管4的周向方向均匀分布，且外注液孔6在外管4的径向截面位置、角度与内注液孔7在内管3的径向截面位置、角度相同，从而相对于外管4转动内管3使得各外注液孔6与内注液孔7位置相对应时，外注液孔6与内注液孔7连通，实现输液，或位置相交错时，外注液孔6与内注液孔7不连通，进而实现分段注液。

在一个具体的实施方案中，每段内管3轴向方向设置3组内注液孔，每组在壁面周向上布置3-4个内注液孔7，相应地，每段外管4轴向方向设置3组外注液孔，每组在壁面周向上布置3-4个外注液孔6，孔径需满足注液渗透扩散要求。

每段外管4沿轴向贯穿其管壁设置有通孔，且外管4的管壁沿径向方向开设有与该通孔连通的至少一个导通孔，在外管的外壁导通孔处设置导气接头9-1，具体地，导气接头9-1的长度为1cm～2cm，导气接头9材质为塑料软体。各段外管4的通孔位置相对应，且拼接后该通孔内部用于布置导气管9，导气管9的管直径为1mm-5mm。

每段外管4的外壁均粘接有气囊5，每段外管4的导气接头9-1与气囊5相连接。具体地，气囊5包括气囊外壁5-1和气囊内壁5-2，每个气囊5的两端端部粘接与外管4的外壁上(例如，通过气囊粘接片10)，中部不粘接，导气接头9-1远离外管4的一端位于气囊外壁5-1和气囊内壁5-2之间。气体依次通过导气管9、导气管9上的开孔、外管4的导通孔及导气接头9-1，进入外管4的外部的气囊5中，使气囊5充气，充满气体阻塞钻孔2的壁面。

具体地，气囊5的壁的强度满足充气气压1mpa-3mpa，且在内注液孔7、外注液孔6的灌输浆液达到设计压力后，粘接处可与外管4剥离，从而实现液体流动。保证在注液压力下能够与导气接头9-1分离，并在外管上脱落以不妨碍浆液扩散，同时为保证效果实施中可利用钩子等将其划破剥离。

具体地，气囊5内的特定压力，需要依据裂隙岩体1强度进行设定，小于岩体变形强度，保证钻孔下级管注液范围内的扩散范围密封，同时又不会对岩体产生损伤破坏。

具体地，外管4的管壁为厚度满足强度要求的钢铁材质。

使用上述的复杂裂隙岩体气压式分隔高压注液装置时，具体实施步骤如下：

(1)根据裂隙岩体1测定的裂隙几何参数、分布状态，布置注液钻孔2，设计注液导管(内管3、外管4)长度、孔径，确定内管3分段的标准；

(2)嵌套各段内管3的凹槽11-1、凸起11-2，同时插入螺栓8-1将各段内管3组装连接，各段外管4采用相同方式组装连接，将内管3套入外管4中，同时保证底端部位的内注液孔7与外注液孔6相互对齐，且其他内管3和外管4的注液孔相互交错，记录各段注液孔相对位置；

(3)将气囊5利用气囊粘接片10粘接在除底端外的外管4壁面，并保持松弛状态，将整个注液导管插入钻孔2内，并安装输液系统13利用连通管14与注液导管连接，随后利用导气管9向距离底端导管最近的气囊5内充入气体，保持特定压力紧贴于钻孔2内壁；

(4)向注液导管内注入液体，通过注液孔(内注液孔7和外注液孔6)扩散至特定位置的裂缝内，达到指定的注液参数后，停止注液，上移螺栓8-1以剥离底端内管3，在外部转动内管3，内管3、外管4的t形槽12-1、t形凸起12-2、密封橡胶12-3实现旋转内管3并密闭，使得阶段内的注液孔一致，并充入速凝剂封堵底端注液导管；

(5)排除气囊5气体后，同时封堵此时的最下端的导气管9并向其上阶段内的气囊5充入气体，保持一定压力紧贴于钻孔2内壁，并重复步骤(4)；

(6)直至全部导管、岩体裂缝注液完毕，回收最后一段内管，其余导管浇筑于岩体内部，拆除导气管9、注液系统13及连通管14，清洗设备。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。