解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置及其施工方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置及其施工方法，適用于深埋硬巖地下工程領域。
【背景技術(shù)】
[0002]巖爆是深埋地下工程中圍巖的一種突然劇烈的破壞形式，是巖石中積累的勢能或應變能的突然釋放導致的。深埋地下工程中的巖爆往往出現(xiàn)在一些特定地質(zhì)背景條件下，除了埋深和巖體完整性的基本條件相關以外，巖爆破壞往往與地質(zhì)構(gòu)造和斷裂相關。根據(jù)目前國際上的普遍共識，巖爆一般可以分為3種類型，即應變型巖爆、斷裂型巖爆和巖柱型巖爆，其中對工程影響最突出的是斷裂型巖爆。
[0003]斷裂型巖爆最早在上世紀80年代初期被發(fā)現(xiàn)和認識，其中的滑移型機理被認為是斷裂構(gòu)造受到高應力作用以后發(fā)生滑移錯動、導致能量釋放沖擊圍巖，當形成圍巖破壞時，稱為斷裂滑移型巖爆，其中的能量釋放被稱為微震事件。這是國際上普遍報道的一種巖爆類型，破壞力極大，主要是與剛性斷裂相關，與很多構(gòu)造地震發(fā)震原理相似地，這種剛性斷裂的某些部位(如起伏體等咬合部)等具備積累高應力的條件，當咬合部破壞時，斷裂發(fā)生滑移并釋放能量，所導致的巖爆即為斷裂滑移型巖爆。
[0004]根據(jù)上述巖爆的發(fā)生機理，對于巖爆風險的控制方法主要是降低應力或能量集中程度，比如應力解除爆破、應力釋放孔、表面噴水等，但由于斷裂滑移型巖爆的預測難度高，技術(shù)難度較大，風險控制難度極高，國際上專門針對斷裂滑移型巖爆風險的解除工程實例極少，迫切需要相關的技術(shù)作為支撐。而在煤礦實踐中采用的高壓注水措施，其條件是煤層具有吸水性，能夠以軟化方式改變煤層特性，但與硬巖條件下的高壓注水有著不同的作用機理和使用條件；且目前國際上專門針對斷裂型巖爆的應力解除工程實例極少，還沒有采用高壓注水措施的工程應用實例。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對上述存在問題，提供一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置及其施工方法，通過高壓注水降低斷裂帶中圍巖應力和能量的集中程度，有效解除巖爆風險。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，在掘進隧洞的前方具有深埋地下圍巖的斷裂帶，其特征在于:從掘進隧洞至斷裂帶鉆設2?3個與斷裂帶呈大角度相交的注水鉆孔，且所述注水鉆孔穿過斷裂I?2m ;注水鉆孔內(nèi)放置高壓注水鋼管并保證孔口段的注水鋼管長度為2m，高壓注水鋼管的孔口端連接進水管接口 ；在注水鉆孔的孔口部位設置密封橡膠圈，并在除斷裂帶附近以外的注水鉆孔與高壓注水鋼管之間用水泥漿封堵。
[0007]所述高壓注水鋼管遠離孔口端平接有套管。
[0008]所述注水鉆孔的孔口部位設有定位環(huán)，定位環(huán)位于高壓注水鋼管與密封橡膠圈之間。
[0009]所述注水鉆孔直徑60mm，高壓注水鋼管直徑和套管直徑均為46mm，進水管接口直徑 30mm。
[0010]所述大角度為60?120度。
[0011]本發(fā)明采用高壓注水裝置解除巖爆風險的方法，步驟如下:
[0012]1、掘進隧洞斜向上鉆孔并穿過斷裂帶I?2m，鉆孔數(shù)量2?3個，鉆孔長度不超過20m ；
[0013]2、注水鉆孔直徑60mm，高壓注水鋼管直徑46mm，進水管接口直徑30mm ；
[0014]3、高壓注水鋼管孔口部位長度為2?2.5m，如果無法保證穿過斷裂帶I?2m，則繼續(xù)增加套管，套管直徑仍然要求為46mm ;
[0015]4、在孔口部位增加密封橡膠圈，除在斷裂帶附近以外，注水鉆孔的其它部位全部采用水泥漿將注水鋼管和圍巖進行封堵；
[0016]5、在孔口部位增加定位環(huán)；
[0017]6、通過進水管接口注入高壓水，促使斷裂發(fā)生錯動，釋放積累的高能量，高壓水壓力為20MPa，選擇的壓力泵具備25MPa壓力下保持120L/min的注水能力。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，通過高壓注水促使斷裂發(fā)生錯動以釋放積累的高能量，降低了巖爆風險，確保施工安全。此夕卜，本發(fā)明在掘進隧洞前方布置的高壓注水設備相對簡單實用，與其它巖爆風險主動控制措施相比，極大地減少了人力物力成本，且簡單有效。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的高壓注水孔的位置布置圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1、圖2所示，本實施例是一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，包括圍巖1、掘進隧洞2、注水鉆孔3、高壓注水鋼管4、進水管接口 5、套管6、密封橡膠圈7、水泥漿8和定位環(huán)9。
[0022]本實施例在深埋地下圍巖I中有一條水平方向的掘進隧洞2，在隧洞的掘進前方有一條與水平方向呈40?45度夾角的斜向斷裂帶I 一 1，為了降低斷裂型巖爆的風險，本例從掘進隧洞2至圍巖I的斷裂帶I 一 I鉆設2個直徑60_、基本與斷裂帶垂直相交的注水鉆孔3，注水鉆孔的總長度不宜超過20m且穿過斷裂帶I?2m ;將高壓注水鋼管4放置在注水鉆孔3內(nèi)，直徑為46mm，一般孔口段的高壓注水鋼管長度為2m，該高壓注水鋼管的孔口端與直徑為30mm的進水管接口 5連接，如果高壓注水鋼管4無法穿過斷裂帶I?2m的話，則需在該注水鋼管遠離孔口端平接直徑同樣是46mm的套管6 ;為防止注水時水體滲漏，在注水鉆孔3的孔口部位設置密封橡膠圈7，并在除斷裂帶附近以外的注水鉆孔3與高壓注水鋼管4之間用水泥漿8封堵；在注水鉆孔3孔口部位的高壓注水鋼管4與密封橡膠圈7之間設置定位環(huán)9，以保證鉆孔能夠準確穿過斷裂帶I一I。
[0023]下面是采用本高壓注水裝置解除巖爆風險的方法，步驟如下:
[0024]1、掘進隧洞2斜向上鉆孔并穿過斷裂帶I?2m，鉆孔數(shù)量2?3個為宜，鉆孔長度不宜超過20m，本實施例中采用2個鉆孔；
[0025]2、注水鉆孔3直徑60mm，高壓注水鋼管4直徑46mm，進水管接口 5直徑30mm ；
[0026]3、高壓注水鋼管4孔口部位一般長度為2m，如果無法保證穿過斷裂帶I?2m，則繼續(xù)增加套管6，套管直徑仍然要求為46mm ；
[0027]4、在孔口部位增加密封橡膠圈7，除在斷裂帶附近以外，注水鉆孔3的其它部位全部采用水泥漿8將注水鋼管和圍巖進行封堵，以保證密封性，防止注水過程中的滲漏；
[0028]5、在孔口部位增加定位環(huán)9，以保證鉆孔能夠準確穿過斷裂帶I 一 I ;
[0029]6、通過進水管接口 5注入高壓水，促使斷裂發(fā)生錯動，釋放積累的高能量，本實施例中滿足要求的水壓力為20MPa，可將斷裂張開0.12mm，選擇的壓力泵具備25MPa壓力下保持120L/min的注水能力。
【主權(quán)項】
1.一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，在掘進隧洞(2)的前方具有深埋地下圍巖(I)的斷裂帶(1-1)，其特征在于:從掘進隧洞(2)至斷裂帶(1-1)鉆設2?3個與斷裂帶呈大角度相交的注水鉆孔(3)，且所述注水鉆孔穿過斷裂帶(I 一 I) I?2m ;注水鉆孔(3)內(nèi)放置高壓注水鋼管(4)并保證孔口段的注水鋼管長度為2m，高壓注水鋼管(4)的孔口端連接進水管接口(5);在注水鉆孔(3)的孔口部位設置密封橡膠圈(7)，并在除斷裂帶附近以外的注水鉆孔⑶與高壓注水鋼管⑷之間用水泥漿⑶封堵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，其特征在于:所述高壓注水鋼管(4)遠離孔口端平接有套管(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，其特征在于:所述注水鉆孔(3)的孔口部位設有定位環(huán)(9)，定位環(huán)位于高壓注水鋼管(4)與密封橡膠圈(7)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，其特征在于:所述注水鉆孔(3)直徑60_，高壓注水鋼管(4)直徑和套管(6)直徑均為46_，進水管接口(5)直徑 30_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置，其特征在于:所述大角度為60?120度。
6.一種采用權(quán)利要求3所述的高壓注水裝置解除巖爆風險的方法，步驟如下: 6.1掘進隧洞(2)斜向上鉆孔并穿過斷裂帶(I — I) I?2m，鉆孔數(shù)量2?3個，鉆孔長度不超過20m ； 6.2注水鉆孔(3)直徑60mm，高壓注水鋼管(4)直徑46mm，進水管接口(5)直徑30mm ； 6.3高壓注水鋼管(4)孔口部位長度為2?2.5m，如果無法保證穿過斷裂帶I?2m，則繼續(xù)增加套管￠)，套管直徑仍然要求為46mm ； 6.4在孔口部位增加密封橡膠圈(7)，除在斷裂帶附近以外，注水鉆孔(3)的其它部位全部采用水泥漿(8)將注水鋼管和圍巖進行封堵； 6.5在孔口部位增加定位環(huán)(9)； 6.6通過進水管接口(5)注入高壓水，促使斷裂發(fā)生錯動，釋放積累的高能量，高壓水壓力為20MPa，選擇的壓力泵具備25MPa壓力下保持120L/min的注水能力。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置及其施工方法。本發(fā)明的目的是提供一種解除斷裂滑移型巖爆風險的高壓注水裝置及其施工方法，通過高壓注水降低斷裂帶中圍巖應力和能量的集中程度，有效解除巖爆風險。本發(fā)明的技術(shù)方案是：在掘進隧洞的前方具有深埋地下圍巖的斷裂帶，從掘進隧洞至斷裂帶鉆設2～3個與斷裂帶呈大角度相交的注水鉆孔，且所述注水鉆孔穿過斷裂1～2m；注水鉆孔內(nèi)放置高壓注水鋼管并保證孔口段的注水鋼管長度為2m，高壓注水鋼管的孔口端連接進水管接口；在注水鉆孔的孔口部位設置密封橡膠圈，并在除斷裂帶附近以外的注水鉆孔與高壓注水鋼管之間用水泥漿封堵。本發(fā)明適用于深埋硬巖地下工程領域。
【IPC分類】E21D9-00, E21F17-00
【公開號】CN104533430
【申請?zhí)枴緾N201510003298
【發(fā)明人】劉寧, 周曉明, 房郭敏, 王恒樂
【申請人】中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月5日