一种基于水力压裂增透的软岩分层注浆加固方法

1.本发明涉及矿山井下支护领域，具体涉及一种基于水力压裂增透的软岩分层注浆加固方法。


背景技术：

2.目前，随着采矿领域逐渐向千米深井沿伸，矿山压力及岩层稳定性控制显得尤为重要，矿山井下工作面回采过程中经常会遭遇软岩顶板或围岩，软岩承载能力差，给工作面的推进效率带来不利影响。在矿山压力和采动应力影响下，巷道两帮变形较大，冒顶现象严重，尤其岩体为软岩的情况下，顶板及围岩易发生大变形，加大支护难度和生产安全，如果不采用合理的加固手段，软岩导致的大变形将使巷道空间更加狭小，不仅影响矿山生产，对井下工作人员的安全也产生巨大的安全隐患。注浆加固技术是提高软岩强度和整体性的有效手段之一。在软岩内布置注浆孔以及辅助管路，通过加压设备将特制浆液注入注浆孔内，浆液在压力作用下充满整个软岩范围，浆液固结后形成的网络骨架可有效提高软岩刚度和抗剪强度，可大幅提高软岩整体强度。
3.现有技术中，注浆加固技术作为一种有效的软岩巷道支护手段之一已经被我国部分煤企开展了一定程度的研究和现场应用，研究和应用结果表明，软岩巷道通过注浆加固技术可提高围岩强度和整体性，围岩变形量减少，整体稳定性提高。注浆加固技术通过在软岩中钻注浆孔和辅助管路，使用加压设备将特制浆液注入软岩巷道中，浆液沿注浆孔布满软岩加固区，待浆液固化后在软岩内部形成网络骨架，可有效提高软岩原弱结构面力学性质，提高软岩内部相对错动阻力和裂隙面处变形刚度，且网络骨架的形成对骨架周围弱结构面处的岩体产生一定的压密作用，使整个岩体内部孔隙减少，力学性质得到改善。
4.传统的注浆加固的施工流程为：根据巷道围岩赋存条件及岩体性质设计注浆孔位置和数量，按设计方案在需要加固的软岩区域标注注浆孔位置，使用钻孔设备钻注浆孔；注浆加固技术中使用的浆液通常为硅酸盐水泥浆液，在钻孔完成后，使用注浆泵加压将浆液推入注浆孔内；注浆前需注意在搅拌开始前需进行试注水，试注水完成后将吸浆管道放入浆液桶内进行二次搅拌，待硅酸盐水泥搅拌顺利后，将辅助管道与注浆孔对接，开启搅拌机注浆阀门并关闭放浆阀门；注浆工作开始后，需时刻有工作人员远距离观察辅助管道工作情况，若辅助管道堵管，需立即关闭注浆泵，将辅助管道疏通完毕后再进行注浆；注浆工作进行时，除必要的手动操作，注浆系统3m范围内不应靠近人员，防止软岩受高压浆液作用在岩壁产生裂隙发生溅液现象。
5.传统施工工艺中将通常存在着以下缺陷：一、在软岩内部无裂隙或裂隙较少时，单独对软岩打注浆孔难以解决软岩整体强度不足的难题，对软岩直接进行注浆加固仅能实现注浆孔附近强度提高，软岩内部裂隙的缺失导致注浆效果难以达到预期。二、仅使用注浆加固的手段对岩体进行加固无法达到主动控制围岩体稳定性的目的，除注浆孔可主动控制位置外，岩体内部裂隙无法通过人为手段改变，这导致浆液在压力作用下仅能实现在注浆孔附近区域流动，无法实现定点加固的目的。三、软岩或破碎岩体单独使用注浆手段进行加固
时，加固区仅为注浆孔附近区域，而在同一钻孔的不同位置处可能需要进行不同程度的加固处理，如近自由面端进行弱加固而远自由面端进行强加固，岩体内部固有裂隙难以实现这一要求。


技术实现要素：

6.本发明针对以上问题，提出了一种可解决软岩整体强度不足的难题的基于水力压裂增透的软岩分层注浆加固方法，将水力压裂与注浆加固两种技术方法结合在指定软岩位置增透进行注浆加固，可形成一种新型巷道支护手段。
7.本发明的技术方案为：按以下步骤进行加固：s1、在软岩顶板7中钻孔；采集软岩顶板7的数据，按距顶板中心线的距离进行以下划分，距离顶板中心线大于顶板长度的四分之一，则划分为顶板弱加固区14，反之，则划分顶板强加固区13，钻孔时，在顶板弱加固区14中开凿出浅层注浆孔9，并在顶板强加固区13中开凿出深度大于浅层注浆孔9的深层注浆孔10；其中浅层注浆孔9的深度为顶板厚度的40-50%，深层注浆孔10的深度为顶板厚度的70-80%；s2、水力压裂；s2.1、在浅层注浆孔9中布置近端封孔器4，并在近端封孔器4的位置进行水力压裂之后，取出近端封孔器4；s2.2、在深层注浆孔10中同时布置近端封孔器4以及远端封孔器5，并在近端封孔器4以及远端封孔器5的位置进行水力压裂之后，取出近端封孔器4以及远端封孔器5；其中，对远端封孔器5加压时的水压大于对近端封孔器4加压时的水压；s3、注浆加固；通过注浆泵1及注浆管道2向浅层注浆孔9进行低压注浆，并通过注浆泵1及注浆管道2向深层注浆孔10中高压注浆，从而通过低压压裂以及低压注浆形成弱加固区，并通过高压压裂以及高压注浆形成强加固区。
8.本发明中采用水力压裂技术联合注浆加固技术，配合注浆孔的“多深少浅”特征以及水压高低切换技术，提高软岩理想加固区裂隙发育程度，近自由面端裂隙扩展程度低于远自由面端裂隙扩展程度，实现近端面低压压裂-低压注浆形成弱加固区，远端面高压压裂-高压注浆形成强加固区。
9.其中，注浆加固技术所用注浆孔与水力压裂技术所需钻孔一致，在对软岩进行水力压裂后，向压裂钻孔中施加压力浆液进行注浆工序。
10.作为优选，步骤s1中浅层注浆孔9的深度为软岩高度的五分之二；深层注浆孔10的深度为软岩高度的五分之四。
11.步骤s1在沿矿体走向方向间隔8-15m设置一个打孔位置，在同一打孔位置处的顶板强加固区13中均匀布置两个深层注浆孔10，并且在同一打孔位置处的两个顶板弱加固区14的中心分别布置一个浅层注浆孔9。从而使得顶板强加固区13中就有两个两个深层注浆孔10，而顶板弱加固区14中则只有一个浅层注浆孔9，注浆孔或水力压裂钻孔的长度采用多深孔少浅孔的方式布置，同一软岩区域不同位置所需的加固程度以及施工时间顺序并不相
同，其中近自由面端区域岩体由于侧限较小或不受侧限，并不能承受压力过大的浆液，否则软岩自由面受浆液压力影响产生裂隙可能会发生崩浆或溅液，浅孔布置在稳定性较好的软岩区域，深孔布置在强度较差的软岩区域，以获得更好的加固效果。
12.步骤s2中对远端封孔器5加压时的水压为14-18mpa；对近端封孔器4加压时的水压为7-10mpa。
13.高低压切换技术应用于深层水力压裂钻孔中，高低压切换技术依靠封孔器位置变换以及水压控制完成，通过在近自由面端安装封孔器施加较低水压以及在远自由面端安装封孔器施加较高水压，控制软岩裂隙扩展的空间分布，实现定点加固。
14.步骤s3中对浅层注浆孔9注浆时的注浆压力为7-9mpa；对深层注浆孔10注浆时的注浆压力为7-12mpa。
15.高低压并不仅限于水力压裂中的水压大小，浆液输入压力的大小也包含于高低压切换技术领域。通过在浅孔中注低压浆液，在深孔中注高压浆液，实现控制软岩不同区域加固效果不同的目的。所使用浆液固体成分颗粒的粒径应满足可以通过狭小裂隙通道的要求，浆液应具有较高流动性以及固化后的高强度性能，通过改变材料配比或使用新型材料，满足本发明所需浆液性能。
16.由于现有技术中的水力压裂技术发展已较为成熟，目前主要应用于煤矿顶板进行切顶卸压、高瓦斯煤层增透、巷道扩帮、取代炸药爆破技术进行岩巷掘进等。水力压裂系统主要包括高压水泵、压力表、水压检测仪、封孔器和注水管等，现有技术中的封孔器也较多，比如申请号为“202021101787.8”、名称为“一种新型水力压裂封孔器”的中国实用新型专利所示，水力压裂前，先使用钻机在岩体中打好钻孔，随后将封孔器固定在孔内压裂点，将封孔器与高压泵连接，向封孔器空间内注入高压水至一定水压后保持水压稳定，当水压达到岩体的起裂条件后，压力水的静载会使岩体内产生网状裂隙。通过改变水力压裂技术手段，调整钻孔倾向和走向、封孔器间隔以及水压大小，控制水力压裂裂隙网络分布，促进岩体内应力释放和应力重分布进程。
17.因此，将水力压裂技术联合注浆加固技术，可以形成一种新型巷道支护技术手段。在注浆加固技术流程中，浆液在压力作用下被推入注浆孔内，浆液沿着岩体弱结构面裂隙方向迁移，然而这种加固方式是被动的，当理想加固区岩体内部裂隙较少或趋近于无时，向钻孔内注浆还是不能明显提升岩体强度。
18.对此，本发明中联合了水力压裂的定点致裂优势，预设计钻孔位置及封孔器间距，施以适当水压，即可在理想软岩加固区内构建一系列裂隙网络，此时进行加压注浆，浆液可沿水力压裂构建的裂隙网络流动，直至网缝全部贯通并形成固态网络骨架。
19.相较于现有技术手段，本发明具有以下优势：一、结合水力压裂与注浆加固技术，可实现在软岩内部形成大量裂隙，浆液在压力作用下沿着裂隙网络充满软岩内部并在固化后形成支撑网络骨架，相较于仅注浆加固软岩，两种技术的结合使软岩内部浆液骨架更加充实紧密，对内部岩体的压密作用更为充分，提升软岩变形刚度和抗剪强度效果更加明显，可有效提高软岩强度和整体性。
20.二、采用水力压裂技术辅助注浆工作，可对软岩加固区实施定点加固，通过改变封孔器位置，在每个注浆孔指定位置实施水压致裂；通过改变水压大小，控制封孔器所在区域附近软岩生成裂隙的数量和孔径；通过改变注水时间，控制软岩裂隙长度。调整水力压裂施
工手段，可实现主动控制理想加固区裂隙分布，对注浆孔内加压输浆，可实现软岩分层加固。
21.三、可对软岩进行改性，软岩直接进行注浆加固的效果并不明显，辅以水力压裂技术，可在软岩内部生成裂隙网，通过注浆可在软岩内部形成网络骨架，实现软岩向硬岩的转化。
附图说明
22.图1为深孔高低压切换技术示意图图2为软岩顶板大变形示意图图3为软岩顶板“多深少浅”注浆孔加固示意图图中：1-注浆泵；2-注浆管道；3-水力压裂裂隙；6-水力压裂钻孔；7-软岩顶板；8-围岩；9-浅层注浆孔；10-深层注浆孔；11-近端封孔器；12-远端封孔器；13-顶板强加固区；14-顶板弱加固区。
具体实施方式
23.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
24.本发明提供了一种基于水力压裂增透的软岩分层注浆加固方法，深孔高低压切换技术示意图由具体实施例图1显示。在软岩中打深钻孔6，由于软岩中无裂隙或裂隙较少，需要使用水力压裂技术进行裂隙扩展，在深孔中安装近端封孔器11和远端封孔器12。其中近端封孔器11使用低水压压裂，水压作用下软岩内部扩展的裂隙3较少；远端封孔器使用高水压压裂，软岩内部扩展的裂隙较多。高低水压的切换可以控制软岩内不同分层裂隙扩展程度，为了避免发生崩浆或溅液，控制近端面裂隙量少于远端面。
25.常规水力压裂方法中，在对岩体进行水力压裂时，首先使用钢管将封孔器推送至固定位置加压封孔至封孔器封孔完全，使用高压泵向封孔器内部持续注入高压水，封孔器附近区域的岩体受压力水影响，压力达到岩体起裂条件后便会在岩体内部产生网状裂隙，高压水顺着裂隙方向流动卸压导致水压监测仪监测到的水压骤降，此时需要进行保压注水操作，向孔内持续注高压水直至水压监测仪数据稳定。
26.岩体内裂隙扩展程度受水压大小直接影响，改变水压大小可以控制软岩内裂隙扩展程度。需要注意的是，常规水力压裂施工流程结束的标志为岩壁受水压影响产生裂隙并有水渗出，在本发明中，需要控制近自由端处水力压裂过程中的水压大小和施压时间，避免岩壁产生裂隙，控制压裂时间单个封孔器少于20min，单孔压裂4-8次，水压4-10mpa。
27.软岩在未受到支护时，受自重及上覆岩层载荷作用会发生大变形现象，如图2所示。软岩顶板的大变形给井下安全生产带来了极大难题，采用水力压裂联合注浆加固技术可以较好的起到支护软岩顶板的作用。在图3中，采用深浅孔联合使用的方式进行钻孔，在某些情况下，可以钻更多的深孔。“多深少浅”的钻孔布置方式可以更好的控制软岩裂隙区域扩展情况。深孔可配合封孔器变换位置以及水压大小切换控制深孔范围裂隙扩展程度；浅孔可设置在软岩稳定性较好，不需深层加固的区域，钻浅孔可节约工作时间。其中浅孔9可布置在靠近围岩位置，深孔10布置在顶板中心附近。浅孔可直接进行低压压裂-低压注
浆，顶板中心的深孔结构与图1一致，近端面进行低压压裂-低压注浆，远端面进行高压压裂-高压注浆。
28.在上述“多深少浅”钻孔布置方式中，先对浅孔所在区域进行注浆，浆液沿注浆浅孔和扩展裂隙分布于软岩近端区，待近端区浆液固化后，近端区强度得到提高，此时对深孔进行注浆，固化后的近端区可以承受更高的远端区注浆压力，实现更好的加固效果。
29.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。