(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 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111505967.1 (22)申请日 2021.12.10 (71)申请人 北京中煤矿山工程有限公司 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. E21D 5/04(2006.01) E21D 1/10(2006.01)G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (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。 权利要求书3页 说明书6页 附图5页 CN 114320308 A 2022.04.12 CN 114320308 A 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1:20～1:5 0； 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， 取较大的权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114320308 A 2椭圆形卸荷劣化范围进行后续注浆帷幕设计， a＝max{a1， a2}， b＝max{b1， b2}。 6.根据权利要求5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(C)中： (C‑1)考虑浆液扩散范围和竖井围岩开挖破坏范围进行竖井注浆帷幕设计， 包括帷幕 形式， 注浆 孔钻孔平面布置方式； (C‑2)考虑地层富水情况， 进行 竖井井筒地面预注浆工程钻探与注浆工艺 参数设计。 7.根据权利要求6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(C ‑1)中： 帷幕形式： 设计竖井注浆帷幕形式为椭圆环形， 注浆帷幕厚度为满足深部高压地下水 封堵要求的最小注浆帷幕厚度的1.2 ～1.5倍； 注浆孔钻孔平面布置方式： 地面预注浆钻孔采用 椭圆形布置， 注浆钻孔布孔落点椭圆 位于非对称应力条件下竖井围岩开挖破坏范围外侧1.0到2.0m， 即δ＝1.0～2.0m， 竖井围岩 开挖破坏 范围包括爆破致裂区和卸荷劣化区， 也即注浆钻孔布孔落点椭圆长半轴a0＝a+δ； 注浆钻孔布孔落点椭圆短半轴b0＝b+δ； δ为布孔落点椭圆与竖井围岩开挖破坏范围间距 离； 注浆钻孔孔间距不相等， 为使有效堵水帷幕厚度得到保证， 注浆钻孔从布孔椭圆短半 轴b0端至长半轴a0端， 注浆孔孔间距逐步缩小。 8.根据权利要求7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(C ‑2)中： 注浆钻孔地面开孔位置需布置在凿井设施外围， 对于距 离井筒较近的短半轴b0端， 注浆 孔采用S型分支孔形式， 距离井筒较 远的长半轴a0端， 注浆孔采用直 孔型分支孔形式； 注浆孔钻孔结构采用三级孔身结构， 包括套管 段、 分支孔 裸孔段， 直孔注浆段； 套管段： 孔径Φ210～Φ250mm， 下入Φ16 0～Φ200mm地质套管； 分支孔裸孔定向段： 孔径Φ 130～Φ150mm， 分支孔钻进中， 对破碎带特殊地层需进行注 浆加固； 直孔注浆段： 孔径 Φ130～Φ150mm， 偏斜率不超过0.5％。 9.根据权利要求7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(C ‑2)中： 注浆材料以黏土综合浆为主， 配合塑性早强浆和水泥 ‑水玻璃双液浆， 总注浆量采用式 (1)计算： Q＝A π(awbw‑anbn)Hnβ /m             (1)； 式中： Q为浆液注入量(m3)； A为浆液超扩散消耗系数， 取1.2～1.5； aw为注浆帷幕外边界 椭圆长半轴(m)， aw＝a0+L； an为注浆帷幕内边界椭圆长半轴(m)， an＝a0－L； bw为注浆帷幕外 边界椭圆短半轴(m)， bw＝b0+L； bn为注浆帷幕内边界椭圆短半轴(m)， bn＝b0－L； a0为注浆钻 孔布孔落点椭圆长半轴(m)； b0为注浆钻孔布孔落点椭圆短半轴(m)； L为浆液扩散距离(m)， H为注浆总段高(m)； m为浆液结石率， 取0.5～0.85； β 为浆液充填系数， 取0.95； n为岩层平均 裂隙率， 根据地层情况确定 。 10.根据权利要求6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(C ‑2)中：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114320308 A 3