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.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114320308A(43)申请公布日2022.04.12(21)申请号202111505967.1G06F30/28(2020.01)(22)申请日2021.12.10G06F111/10(2020.01)G06F113/08(2020.01)(71)申请人北京中煤矿山工程有限公司G06F119/14(2020.01)地址100013北京市朝阳区和平里青年沟路5号64号楼申请人中国矿业大学（北京）(72)发明人周禹良李生生侯公羽贺文杨雪袁东锋王桦陈振国李斌李强(74)专利代理机构北京冠榆知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11666代理人朱亚琦(51)Int.Cl.E21D5/04(2006.01)E21D1/10(2006.01)权利要求书3页说明书6页附图5页(54)发明名称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(57)摘要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。CN114320308ACN114320308A权利要求书1/3页1.一种深部非对称应力条件下竖井注浆帷幕设计和注浆工艺，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的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，其特征在于，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。5.根据权利要求2所述的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，其特征在于，在步骤(B)中，包括如下步骤：(B‑1)考虑竖井钻爆法开挖过程中爆炸应力波对围岩的影响，采用连续‑非连续模拟方法，分析爆破致裂区范围，得到竖井围岩爆破致裂区半径；(B‑2)铺设竖井注浆帷幕相似模拟试样，试样为立方形，模型材料采用砂、石膏、添加剂和水配制，模型相似比为1:20～1:50；非对称应力场条件采用两套独立液压加载控制系统实现最大水平主应力和最小水平主应力的控制；模拟过程中，开挖半径为围岩爆破劣化半径，并采用数字图像分析方法获得围岩卸荷劣化范围，得到椭圆形劣化区的长半轴a1和短半轴b1；(B‑3)将步骤(A‑2)数值模型导入离散元模拟分析软件，采用拉‑剪复合破裂准则，模拟开挖后竖井围岩卸荷劣化范围,得到椭圆形劣化区的长半轴a2和短半轴b2；(B‑4)对室内相似模拟试验和数值模拟得到的竖井围岩劣化范围进行比较，取较大的2