本发明公开了一种冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，包括井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析、典型注浆材料理化性质测试、冻结孔环形通道注浆扩散模型及扩散控制方程构建、基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算、基于注浆安全控制的极限注浆压力计算、注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距设计值确定、注浆过程控制方法制定、注浆结束标准制定、注浆治理方案设计等步骤。采用本设计方法后，实现了井筒冻结孔注浆封堵关键技术参数的科学选取，取得了良好的注浆效果。
1.一种冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，包括以下步骤：
A.井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析：分析井筒冻结施工资料，全面掌握冻结孔信息；测试井筒所在区岩层力学参数，为理论研究奠定基础；
B.典型注浆材料理化性质测试：通过室内试验获取不同配比浆液粘度随时间变化规律及浆液凝胶时间，经数据拟合后浆液粘度时变函数用下式表示：μ(t)＝ktn+μ0
式中，μ(t)—浆液粘度时变函数，t—注浆时间，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数；
C.冻结孔环形通道注浆扩散模型及扩散控制方程构建：
概化冻结孔环形通道边界条件，建立注浆扩散物理模型；基于静力平衡原理推导浆液运动平衡方程；结合浆液粘度时变函数与质量守恒原理，提出浆液扩散力学分析模型，进一步构建环形通道内浆液扩散控制方程，推导浆液扩散控制方程，如下式所示：式中，pg—注浆压力理论值，q’—注浆速率，Z—注浆压力对应的浆液扩散距离，rm—浆液扩散对称面位置，R—环形通道外侧壁半径，r—内侧壁半径，r0—注浆孔半径，pw—地下水的静水压力，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数，Rr表示R和r的乘积；
D.基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算：根据注浆扩散控制方程计算注浆压力理论最大值；
E.基于注浆安全控制的极限注浆压力计算：分析注浆作用下井壁及围岩变形及破坏特征，确定冻结孔环形通道注浆封堵极限注浆压力值；
F.注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距设计值确定：分析冻结孔环形通道未封闭段地层岩性及地下水静水压力值，确定注浆工程施工区段及注浆终压与注浆孔间距；
G.注浆过程控制方法制定：注浆过程中通过实时调整注浆材料配比及注浆速率提出控制性注浆方法，使注浆压力处于合理范围之内，控制浆液扩散范围和保障围岩稳定；
H.注浆结束标准制定：基于注浆速率、注浆压力和注浆时间提出单次注浆结束条件；
I.冻结孔环形致灾通道注浆治理方案设计：从注浆材料选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制方面制定注浆方案。
2.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤A中井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析具体包括：全面搜集井筒冻结法施工资料，掌握冻结孔数量、布置方式、冻结深度、冻结孔及冻结管尺寸、冻结孔封闭情况以及冻结孔未封闭区地层岩性结构特征；根据井筒检查孔获取的岩芯制作岩石试件，测试不同地层的基本力学参数，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内聚力及内摩擦角，为注浆扩散理论研究及三维数值分析模型建立提供参数。
3.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤B中典型注浆材料理化性质测试具体包括：以矿井水害防治常用的水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆为对象，开展室内浆液凝胶试验，测定不用配比浆液的初凝时间；所述的水泥单液浆是指由干水泥和水搅拌混合而成的浆液，其配比用水灰比w/s表示，是指浆液中干水泥与水的质量比；所述的水泥-水玻璃双液浆是指由水泥单液浆和水玻璃混合而成的浆液，其配比用C:S表示，是指浆液中水泥单液浆与水玻璃浆的体积比；所述的初凝时间是指浆液配制时刻起，因粘度增大而由液态转化为固态的对应的时间；通过粘度测试试验获得水泥-水玻璃浆液的粘度随时间的变化曲线，经数据拟合后得到粘度时变函数。
4.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤D中基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算具体包括：分析环形通道注浆扩散控制方程，确定影响浆液扩散过程的主要因素，获得粘度时变性浆液注浆过程中注浆压力组成部分，所述的粘度时变性浆液是指水泥-水玻璃双液浆，所述的注浆压力由扩散区浆液粘滞力、浆液与环形通道侧壁摩擦力及静水压力组成；理论分析中，环形通道侧壁假设为光滑面，故浆液与通道侧壁摩擦力可忽略；根据研究区环形通道尺寸及初始注浆速率，计算实际工程条件下水泥-水玻璃双液浆扩散过程中最大粘滞力，当注浆区静水压力测得后，注浆压力理论值即可求得；所述的环形通道尺寸是指环形通道横断面外圆半径和内圆半径；所述的注浆速率是指单位时间内注入到环形通道内的注浆量；
所述的最大粘滞力是指水泥-水玻璃双液浆初凝时间对应的扩散区浆液粘滞力之和；所述的注浆压力理论值等于扩散区浆液最大粘滞力与注浆区静水压力之和。
5.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤E中基于注浆安全控制的极限注浆压力计算具体如下：根据步骤A测得的岩石基本力学参数，结合井筒地层岩性结构，建立冻结孔环形通道注浆封堵三维数值分析模型，分析不同注浆压力下井壁与围岩变形及破坏规律，将注浆过程中井壁产生明显变形的注浆压力确定为极限注浆压力，注浆工程中注浆压力不可以超过该注浆压力。
6.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤F中注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距确定具体如下：绘制井筒冻结孔未封闭段大比例尺水文地质剖面图，选择厚度稳定、隔水性能好的地层作为注浆施工区域；根据矿井水文地质观测孔确定注浆施工区域地下水静水压力，据此确定注浆压力理论值；综合考虑注浆压力理论值和极限注浆压力，确定注浆工程中的注浆终压；
所述的注浆终压确定原则为：若注浆终压理论值小于极限注浆压力，则选取注浆终压理论值为注浆终压设计值；否则以极限注浆压力为注浆终压设计值；根据浆液扩散控制方程，计算与注浆终压设计值相对应的浆液扩散距离，并以此作为封堵同一环形通道的相邻注浆孔间距。
7.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤G中注浆过程控制方法制定具体包括：根据注浆扩散控制方程，浆液配比和注浆速率是注浆工程中可以人为控制的两个因素，以此提出材料配比动态调节和注浆速率梯度控制技术用于注浆过程控制；
所述的材料配比动态调节技术是指间歇性改变水泥浆与水玻璃的体积比，提高浆液固化反应速率，使先期注入双液浆在通道内快速凝胶，缩小浆液可流动断面面积，可实现过水通道快速封堵，并控制浆液扩散距离；或者间歇性调整水泥单液浆水灰比，改变浆液粘度随时间的变化特征。
8.如权利要求7所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述的注浆速率梯度控制技术是指注浆前期选择较大的初始注浆速率，当注浆压力稳定后，逐渐降低注浆速率，利于环形通道的充分封堵并提高凝胶体与环形通道岩壁间的粘结能力。
9.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤H中注浆结束标准制定具体包括：注入水泥单液浆达到终压后，注浆速率降低至50～60L/min且稳定30min，结束注浆；若浆液为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力达到终压，且两种浆液的总注浆速率降至100L～
10.如权利要求1所述的冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，其特征是，所述步骤I中注浆方案设计包括：从注浆材料配比选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制方面制定注浆方案，按照该方案在注浆区域内开展注浆治理工程，并根据注浆过程及时调整注浆设计方案。
冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于矿井水害防治领域，尤其是冻结凿井法施工井筒的冻结孔环形致灾通道注浆封堵的设计方法。
背景技术
[0002] 我国西部矿区地层具有冲积层浅、弱胶结基岩厚度大、富水岩层发育的特征，为保障井筒施工安全，全深冻结法凿井技术在富水岩层井筒建设中得到广泛应用。冻结法凿井技术的原理是将利用井筒周围钻设的冻结孔将低温媒剂在孔内循环使用，吸收围岩热量而在地层中形成以冻结孔为结点的冻结止水帷幕。成井后地层逐渐解冻，止水帷幕失效，冻结孔中的冻结管与孔壁之间的环形空间将形成隐蔽导水通道，长期水-岩作用或冻结孔被井巷工程揭露后，经常发生渗水及涌水灾害，成为井筒水害重要的致灾通道，严重影响矿井建设和生产安全。将冻结孔与冻结管之间的环形通道通过注浆方法进行封堵充填，可有效防治冻结孔造成的水害。然而，注浆工程隐伏性造成环形通道注浆治理方案制定和设计往往依赖经验，尤其是注浆压力和注浆孔间距选择由于缺乏科学指导而导致设计值偏差较大。若注浆压力过大，则高压注浆对井壁及围岩施加过大荷载，不利于井筒稳定而导致井壁破坏；若注浆压力过小或揭露同一环形导水通道的注浆孔间距过大，则环形导水通道不能完全被封封而存在封闭不良区段，注浆效果较差，将因注浆封堵薄弱区而引起井筒涌水量增大，严重者导致井壁损毁引发淹井事故。
发明内容
[0003] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0005] 冻结凿井法施工井筒环形致灾通道注浆治理设计方法，包括以下步骤：
[0006] A.井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析：分析井筒冻结施工资料，全面掌握冻结孔信息；测试井筒所在区岩层力学参数，为理论研究奠定基础。
[0007] B.典型注浆材料理化性质测试：通过室内试验获取不同配比浆液粘度随时间变化规律及浆液凝胶时间。
[0008] C.冻结孔环形通道注浆扩散模型及扩散控制方程构建：概化边界条件建立环形通道注浆扩散模型，进一步分析浆液扩散力学过程，推导浆液扩散控制方程。
[0009] D.基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算：根据注浆扩散控制方程计算注浆压力理论最大值。
[0010] E.基于注浆安全控制的极限注浆压力计算：分析注浆作用下井壁及围岩变形及破坏特征，确定冻结孔环形通道注浆封堵极限注浆压力值。
[0011] F.注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距设计值确定：分析冻结孔环形通道未封闭段地层岩性及地下水静水压力值，确定注浆工程施工区段及注浆终压与注浆孔间距。
[0012] G.注浆过程控制方法制定：注浆过程中通过实时调整注浆材料配比及注浆速率提出控制性注浆方法，使注浆压力处于合理范围之内，控制浆液扩散范围和保障围岩稳定。
[0013] H.注浆结束标准制定：基于注浆速率、注浆压力和注浆时间提出单次注浆结束条件。
[0014] I.冻结孔环形致灾通道注浆治理方案设计：从注浆材料选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制等方面制定注浆方案。
[0015] 所述步骤A中井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析具体包括：
[0016] 全面搜集井筒冻结法施工资料，掌握冻结孔数量、布置方式、冻结深度、冻结孔及冻结管尺寸、冻结孔封闭情况以及冻结孔未封闭区地层岩性结构特征。根据井筒检查孔获取的岩芯制作岩石试件，测试不同地层的基本力学参数，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内聚力及内摩擦角，为注浆扩散理论研究及三维数值分析模型建立提供参数。
[0017] 所述步骤B中典型注浆材料理化性质测试具体包括：
[0018] 以矿井水害防治常用的水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆为对象，开展室内浆液凝胶试验，测定不用配比浆液的初凝时间。所述的水泥单液浆是指由干水泥和水搅拌混合而成的浆液，其配比用水灰比w/s表示，是指浆液中干水泥与水的质量比。所述的水泥-水玻璃双液浆是指由水泥单液浆和水玻璃混合而成的浆液，其配比用C:S表示，是指浆液中水泥单液浆与水玻璃浆的体积比。所述的初凝时间是指浆液配制时刻起，因粘度增大而由液态转化为固态的对应的时间。通过粘度测试试验获得水泥-水玻璃浆液的粘度随时间的变化曲线，经数据拟合后得到粘度时变函数；
[0019] 经数据拟合后浆液粘度时变函数可用下式表示：
[0020] μ(t)＝ktn+μ0
[0021] 式中，μ(t)—浆液粘度时变函数，t—注浆时间，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数。
[0022] 所述步骤C中冻结孔环形通道注浆扩散模型及扩散控制方程构建具体包括：
[0023] 概化冻结孔环形通道边界条件，建立注浆扩散物理模型；基于静力平衡原理推导浆液运动平衡方程；结合浆液粘度时变函数与质量守恒原理，提出浆液扩散力学分析模型，进一步构建环形通道内浆液扩散控制方程，如下式所示：
[0024]
[0025] 式中，pg—注浆压力理论值，q’—注浆速率，Z—注浆压力对应的浆液扩散距离，rm—浆液扩散对称面位置，R—环形通道外侧壁半径，r—内侧壁半径，r0—注浆孔半径，pw—地下水的静水压力，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数，Rr表示R和r的乘积。
[0026] 所述步骤D中基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算具体包括：
[0027] 分析环形通道注浆扩散控制方程，确定影响浆液扩散过程的主要因素，获得粘度时变性浆液注浆过程中注浆压力组成部分，所述的粘度时变性浆液是指水泥-水玻璃双液浆，所述的注浆压力由扩散区浆液粘滞力、浆液与环形通道侧壁摩擦力及静水压力组成。理论分析中，环形通道侧壁假设为光滑面，故浆液与通道侧壁摩擦力可忽略。根据研究区环形通道尺寸及初始注浆速率，计算实际工程条件下水泥-水玻璃双液浆扩散过程中最大粘滞力，当注浆区静水压力测得后，注浆压力理论值即可求得。所述的环形通道尺寸是指环形通道横断面外圆半径和内圆半径。所述的注浆速率是指单位时间内注入到环形通道内的注浆量。所述的最大粘滞力是指水泥-水玻璃双液浆初凝时间对应的扩散区浆液粘滞力之和。所述的注浆压力理论值等于扩散区浆液最大粘滞力与注浆区静水压力之和。
[0028] 所述步骤E中基于注浆安全控制的极限注浆压力计算具体如下：
[0029] 根据步骤A测得的岩石基本力学参数，结合井筒地层岩性结构，建立冻结孔环形通道注浆封堵三维数值分析模型，分析不同注浆压力下井壁与围岩变形及破坏规律，将注浆过程中井壁产生明显变形的注浆压力确定为极限注浆压力，注浆工程中注浆压力不可以超过该注浆压力。
[0030] 所述步骤F中注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距确定具体如下：
[0031] 绘制井筒冻结孔未封闭段大比例尺水文地质剖面图，选择厚度稳定、隔水性能好的地层作为注浆施工区域。根据矿井水文地质观测孔确定注浆施工区域地下水静水压力，据此确定注浆压力理论值。综合考虑注浆压力理论值和极限注浆压力，确定注浆工程中的注浆终压。
[0032] 所述的注浆终压确定原则为：若注浆终压理论值小于极限注浆压力，则选取注浆终压理论值为注浆终压设计值；否则以极限注浆压力为注浆终压设计值。根据浆液扩散控制方程，计算与注浆终压设计值相对应的浆液扩散距离，并以此作为封堵同一环形通道的相邻注浆孔间距。
[0033] 所述步骤G中注浆过程控制方法制定具体包括：
[0034] 根据注浆扩散控制方程，浆液配比和注浆速率是注浆工程中可以人为控制的两个因素，以此提出材料配比动态调节和注浆速率梯度控制技术用于注浆过程控制。
[0035] 所述的材料配比动态调节技术是指间歇性改变水泥浆与水玻璃的体积比，提高浆液固化反应速率，使先期注入双液浆在通道内快速凝胶，缩小浆液可流动断面面积，可实现过水通道快速封堵，并控制浆液扩散距离；或者间歇性调整水泥单液浆水灰比，改变浆液粘度随时间的变化特征。
[0036] 所述的注浆速率梯度控制技术是指注浆前期选择较大的初始注浆速率，当注浆压力稳定后，逐渐降低注浆速率，利于环形通道的充分封堵并提高凝胶体与环形通道岩壁间的粘结能力
[0037] 所述步骤H中注浆结束标准制定具体包括：
[0038] 注入水泥单液浆达到终压后，注浆速率降低至50～60L/min且稳定30min，可结束注浆；若浆液为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力达到终压，且两种浆液的总注浆速率降至100L～200L/min且稳定30min，可结束注浆。
[0039] 所述步骤I中注浆方案设计包括：
[0040] 从注浆材料配比选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制等方面制定注浆方案，按照该方案在注浆区域内开展注浆治理工程，并根据注浆过程及时调整注浆设计方案。
[0041] 本发明的有益效果是：
[0042] 1、冻结凿井法施工井筒环形导水通道往往可引起矿井水害，最常用的处治方法是壁后注浆。注浆过程设计阶段需要确定注浆压力、揭露同一个冻结孔环形通道的相邻注浆孔间距、注浆结束标准以及注浆过程控制方法，在以往的注浆设计中，这些关键内容均是依靠经验获得的，和注浆工程实施人员的现场经验和经验积累有密切关系，但缺乏合理的科学指导。本发明从注浆治理工程常用的浆液流变性入手，通过理论研究建立满足治理区工况条件的浆液扩散理论方程，获取了注浆压力、注浆速率及浆液扩散距离之间的定量关系，为注浆终压、注浆结束标准以及注浆孔间距选择奠定科学依据。
[0043] 2、井筒建成后，壁后注浆开展需要穿过井壁钻设注浆孔，直至延伸到冻结孔环形通道。注浆工程实施期间，注浆压力以荷载形式施加在注浆孔侧壁上。若注浆压力过大，则高压注浆对井壁及围岩施加过大荷载，不利于井筒稳定而导致井壁破坏，因此控制注浆压力在合理的范围之内，对围岩稳定性具有重要作用。本发明中结合理论分析和井壁稳定性分析综合确定合理的注浆压力设计值，并提出确保注浆压力安全可控的注浆过程控制方法，对确保注浆过程中围岩安全稳定具有重要作用。
[0044] 3、本发明基于理论分析，提出了一套冻结法施工井筒环形通道注浆治理设计方法，结合现场工况条件，即可获取注浆关键技术参数，与以往工程经验结合后可以更好地应用于工程实践。
附图说明
[0045] 图1是冻结孔环形通道注浆治理设计方法平面示意图；
[0046] 图2是冻结孔环形通道封闭情况示意图；
[0047] 图3是冻结孔环形通道注浆扩散物理模型。
[0048] 其中，2-1：井筒；2-2：冻结孔；2-3：冻结孔已封闭区；2-4：冻结孔未封闭区；2-5：1#含水层；2-6：隔水层；2-7：2#含水层；2-8：煤层；2-9：井壁；3-1：冻结孔环形通道外侧壁；3-2：冻结孔环形通道内侧壁；3-3：注浆孔；3-4：地层中的地下水；3-5：注入浆液；3-6：浆液扩散距离。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0050] 本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0051] M矿主井井筒采用全深冻结凿井法施工，冻结深度865.00m，其中表土层厚度43.58m，基岩段厚度805.92m。冻结钻孔44个，直径Φ192mm，冻结管采用管径Φ140×6mm无缝钢管。冻结孔采用泥浆置换技术封闭了自孔底以上200m范围，环形通道其他区段为封堵，直接沟通了开采煤层上部的1#含水层组及2#含水层。当矿井开采时2#含水层地下水将补给
1#含水层，并最终进入矿井采掘区域，大大增加矿井开采期间的涌水量，增大矿井排水费用。因此需要对环形通道进行注浆封堵。其注浆治理方案即按照以下步骤制定。
[0052] A.井筒冻结凿井技术资料及围岩工程地质条件分析
[0053] 全面搜集M矿主井井筒2-1冻结法施工资料，掌握的冻结孔2-2相关信息为主井冻结深度865.0m，且绝大部分处于基岩区；冻结孔共计44个，冻结孔环形通道尺寸为：外径Φ192mm，内径Φ140mm；冻结孔环形通道底部以上200m范围2-3封闭，其他区段2-4未封闭，成为导水通道。冻结孔未封闭区基岩主要包括三部分地层，自下而上依次为1#含水层2-5、隔水层2-6以及2#含水层2-7，煤层2-8开采后，矿井顶板涌水量增大。根据井筒检查孔获取的岩芯制作岩石试件，测试不同地层的基本力学参数，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内聚力及内摩擦角，为注浆扩散理论研究及三维数值分析模型建立提供参数。
[0054] B.典型注浆材料理化性质测试
[0055] 以矿井水害防治常用的水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆为对象，开展室内浆液凝胶试验，测定不用配比浆液的初凝时间。所述的水泥单液浆是指由干水泥和水搅拌混合而成的浆液，其配比用水灰比w/s表示，是指浆液中干水泥与水的质量比。所述的水泥-水玻璃双液浆是指由水泥单液浆和水玻璃混合而成的浆液，其配比用C:S表示，是指浆液中水泥单液浆与水玻璃浆的体积比。所述的初凝时间是指浆液配制时刻起，因粘度增大而由液态转化为固态的对应的时间。注浆材料选用P.O32.5硅酸盐水泥，水玻璃波美度38，模数3.0。通过试验测得两种配比的水泥-水玻璃的理化性质：
[0056] (1)w/s＝1，且C:S＝1:1的水泥-水玻璃双液浆，初凝时间为85s；
[0057] (2)w/s＝1，且C:S＝2:1的水泥-水玻璃双液浆，初凝时间为50s；
[0058] 通过粘度测试试验获得了以上两种浆液的粘度随时间的变化曲线，经数据拟合后浆液粘度时变函数可用下式表示：
[0059] μ(t)＝ktn+μ0
[0060] 式中，μ(t)—浆液粘度时变函数，t—注浆时间，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数。
[0061] C.冻结孔环形通道注浆扩散模型及扩散控制方程构建
[0062] 概化冻结孔环形通道边界条件，提出基本理论假设，建立注浆扩散物理模型,物理模型中环形通道外侧壁3-1半径为R，内侧壁3-2半径为r，注浆孔3-3半径为r0，地下水3-4的静水压力为pw，注入浆液3-5产生的注浆压力为pg，浆液扩散距离为Z 3-6，注浆速率为q＝2q’；根据静力平衡原理提出浆液运动平衡方程，结合浆液粘度时变函数与质量守恒原理，建立浆液扩散力学分析模型，进一步推导出环形通道内浆液扩散控制方程，如下式所示[0063]
[0064] 式中，pg—注浆压力理论值，q’—注浆速率，Z—注浆压力对应的浆液扩散距离，rm—浆液扩散对称面位置，R—环形通道外侧壁半径，r—内侧壁半径，r0—注浆孔半径，pw—地下水的静水压力，μ0—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数，Rr表示R和r的乘积。
[0065] D.基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算
[0066] 分析环形通道注浆扩散控制方程，确定影响浆液扩散过程的主要因素有注浆参数(即注浆速率q’)、注浆材料配比(即粘时变参数n和k)、环形通道尺寸(即R和r)以及地下水静水压力(即pw)，且注浆压力的产生是不断增加的浆液粘滞力与地下水压力叠加的结果。根据实际工程，将A中参数带入到浆液扩散控制方程中，可计算水泥-水玻璃双液浆初凝时扩散区浆液最大粘滞力，当注浆区静水压力测得后，注浆压力理论值即可求得。
[0067] E.基于注浆安全控制的极限注浆压力计算
[0068] 根据步骤A测得的岩石基本力学参数，结合井筒地层岩性结构，建立冻结孔环形通道注浆封堵三维数值分析模型，分析不同注浆压力下井壁2-9与围岩变形及破坏规律，将注浆过程中井壁产生明显变形的注浆压力确定为极限注浆压力，注浆工程中注浆压力不可以超过该注浆压力。
[0069] F.注浆区段选取及注浆终压与钻孔间距确定
[0070] 绘制井筒冻结孔未封闭段大比例尺水文地质剖面图，选择厚度稳定、隔水性能好的安定组地层2-5作为注浆施工区域。根据矿井水文地质观测孔确定注浆施工区域地下水静水压力，据此确定注浆压力理论值。注浆终压确定原则为：若最大理论值小于极限注浆压力，则选取注浆压力理论最大值为注浆终压设计值；否则以极限注浆压力为注浆终压设计值。根据浆液扩散控制方程，计算与注浆终压设计值相对应的浆液扩散距离，并以此作为封堵同一环形通道的相邻注浆孔间距。
[0071] G.注浆过程控制方法制定
[0072] 根据注浆扩散控制方程，浆液配比和注浆速率是注浆工程中可以人为调控的两个重要因素，以此提出材料配比动态调节和注浆速率梯度控制技术用于注浆过程控制。材料配比动态调节技术是指间歇性改变水泥浆与水玻璃的体积比，提高浆液固化反应速率，使先期注入双液浆在通道内快速凝胶，缩小浆液可流动断面面积，可实现过水通道快速封堵，并控制浆液扩散距离。注浆速率梯度控制技术是指注浆前期选择较大的初始注浆速率，当注浆压力稳定后，梯度降低注浆速率，利于环形通道的充分封堵并提高凝胶体与环形通道岩壁间的粘结能力
[0073] H.注浆结束标准制定
[0074] 注入水泥单液浆达到终压后，注浆速率降低至50～60L/min且稳定30min，可结束注浆；若浆液为C-S双液浆，注浆压力达到终压，且两种浆液的总注浆速率降至100L～200L/min且稳定30min，可结束注浆。
[0075] I.注浆方案设计
[0076] 从注浆材料配比选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制等方面制定注浆方案，按照该方案在注浆区域内开展注浆治理工程，并根据注浆过程及时调整注浆设计方案。
[0077] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
