YKS

YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的研制和应用

田 伟,田 野

(中水东北勘测设计研究院有限责任公司,长春 130061)

摘 要：灌浆和压水试验中水压式栓塞较其他类型栓塞安全、可靠、经济，且适合高压灌浆和压水试验，但栓塞胶囊孔内彻底排水卸压问题未能很好解决，是制约水压式栓塞进一步推广应用的瓶颈。中水东北公司新近发明的YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞巧妙地利用压差平衡原理，方便可靠地实现了栓塞胶囊在孔内重复充塞和彻底排水卸压动作，成功地突破了制约水压式栓塞进一步发展这一技术难题的瓶颈。

关键词：水压式；高压深孔；灌浆(压水)栓塞；压差平衡；孔内重复充塞；排水卸压

1 研究背景

1.1 中国灌浆(压水)行业现状

灌浆可分为孔口灌浆和分段灌浆，中国灌浆行业多采用孔口封闭法进行孔口灌浆，该工艺由于自身的局限性一般只适用于15 m以内的浅孔进行低压灌浆，且效率较低。

分段灌浆和压水试验离不开栓塞，栓塞是进行钻孔分段隔离的关键器具。中国常见的灌浆(压水试验)栓塞有机械顶压式、气压式和普通水压式[1-2]。机械顶压式栓塞的胶囊膨胀性有限，适应于完整硬岩地层，不适合在软岩和较破碎岩体进行灌浆或压水试验[3]，且难以满足高压灌浆和自下而上分段灌浆的要求，效率低，易发生卡塞事故；气压式栓塞使用高压气泵造价极高，采用高压充气瓶，使用起来十分麻烦，同时存在安全隐患，且由于气体具有可压缩性，栓塞受高压会收缩变形而发生泄漏甚至滑塞事故[4-5]，故不适合进行高压灌浆或压水试验；水压式栓塞安全、可靠、经济，由于水具有相对不可压缩性，故水压栓塞是进行高压灌浆和压水试验的一种理想栓塞[6]。目前中国常用的水压栓塞只能实现孔口放水，栓塞胶囊在水柱压力作用下，收缩困难，常出现卡塞和断塞的故障，故一般只适合20 m以内的浅孔进行灌浆或压水试验。

1.2 水压栓塞的研究

水压式栓塞由于安全、可靠、经济且水具有相对不可压缩性，故在灌浆和压水试验等领域有着不可替代的优势，但由于栓塞胶囊孔内彻底排水卸压技术难题的限制，使得水压式栓塞无法进一步推广应用。多年来，行业内不少专家和学者为解决水压式栓塞孔内彻底排水卸压技术难题作了大量研究工作，也取得了许多研究成果。这些成果总结其基本原理为利用钻杆的旋转、上提或下压带动栓塞放水阀打开放水通道进行孔内彻底排水。它们最大的缺点是不具有重复性，即栓塞完成一次充塞和放水后，栓塞放水阀无法自动复位，需将栓塞全部提出在孔外将放水阀重新安装复位，故无法实现孔内连续作业，现场操作也十分繁琐。当塞位不合理需要孔内串动寻找合理塞位时，需要孔内进行连续分段灌浆或压水试验时，此类栓塞就显得捉襟见肘，无能为力。

中水东北勘测设计研究院有限责任公司(简称：中水东北公司)经过多年研究，通过大量试验，成功发明的YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞巧妙地利用压差平衡原理，解决了以上诸多问题，方便可靠地实现栓塞胶囊在孔内重复充塞和彻底排水卸压动作，成功地突破了制约水压式栓塞进一步发展这一技术难题的瓶颈，并在工程实践中得到充分的验证。

2 YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的基本结构和工作原理

2.1 基本结构

图1 YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞实物和结构图

YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的基本结构如图1所示，主要由钻杆变径接手、高压注浆管、高压充塞管、排水卸压机构、栓塞胶囊共5部分组成。

2.2 工作原理

本文以灌浆施工为例(压水试验相对较简单，可参照灌浆施工来实施)介绍YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的工作原理，如图2所示。

图2 YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞灌浆原理示意图

(1) 利用充塞水泵通过充塞管给栓塞胶囊进行充水加压，调节调压阀，当排水卸压机构水压力达到5～10 MPa(具体压力值可根据需要进行设定)时，排水卸压机构中的阀杆在压力差作用下，打开胶囊进水通道，并关闭胶囊的排水通道，对胶囊进行充水胀塞。当达到栓塞胶囊胀塞设计压力后，关闭充塞水泵，整个栓塞胶囊便稳定可靠地挤压在止浆段上。

(2) 利用灌浆泵通过灌浆管、栓塞和射浆管对注浆段进行注浆，回浆通过栓塞和钻杆返回储浆桶。

(3) 当灌浆结束后，利用地面调压阀对胶囊中的高压水进行卸压，当排水卸压机构的水压力卸压至1～10 MPa(具体压力值可根据需要进行设定)时，排水卸压机构中的阀杆在压力差作用下，打开栓塞胶囊的排水通道，将胶囊中的高压水直接排放到栓塞上部的孔壁与钻杆环状空间，栓塞胶囊实现孔底彻底卸压而收缩。

(4) 孔内窜动栓塞至下一塞位，重复以上步骤，便可实现下一灌浆段的灌浆工作。

3 YKS-A型高压深孔孔底排卸压式灌浆(压水)栓塞主要技术参数

(1) 封孔直径：75～110 mm;

(2) 最大封孔深度：1 000 m；

(3) 充塞工作压力：5～15 MPa；

(4) 栓塞外径：70 mm；

(5) 栓塞长度：1.4 m；

(6) 栓塞重量：20 kg

4 YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的优缺点

4.1 优 点

(1) 栓塞胶囊在孔内充塞或排水卸压过程，完全由调节地面调压阀增压或减压来实现，操作方便安全，轻忪快捷地实现孔内重复充塞和排水卸压动作。

(2) 排水卸压机构处的排水卸压压力值设定范围为1～10 MPa，说明在1 000 m水柱压力下栓塞胶囊仍可实现孔底彻底排水卸压，故栓塞可在孔深1 000 m以内裸孔中正常工作，为了减轻设备的工作负荷，对于较浅孔可将排水卸压压力值设定为较低值。

(3) 胶囊中的压力水直接排泄到栓塞上部孔壁与钻杆的环状空间内，实现了栓塞胶囊彻底卸压。

(4) 通过大量试验和工程实践证明排水卸压机构巧妙且结构灵活可靠，不会发生栓塞无法排水卸压等故障。

(5) 整个栓塞和钻杆联接成一体，一但发生卡塞事故，只要正转钻杆数圈，栓塞芯体便与栓塞胶囊脱离并抽出，彻底杜绝卡塞废孔事故。

(6) 胀塞压力通过地面压力表直观反映，便于对胀塞压力进行监测。

4.2 缺 点

与其它栓塞相比由于增加了一道充塞管，下塞过程中增加了一定的劳动强度。

5 工程实例

2015年10月中水东北勘测设计研究有限责任公司在荒沟抽水蓄能电站为了查明高压岔管段工程地质条件和高压渗透稳定性，设计了孔深为433 m的勘察钻孔，需在岔管部位做高压压水试验，压水最大压力为8.4 MPa，采用了YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)双栓塞进行压水试验，获得圆满成功，顺利的完成了5段单循环，2段4循环的压水任务，栓塞和整个压水系统最长连续工作了18 h，获得了可靠准确的试验数据。

2016年3月笔者单位在黄河刘家峡兰州水源地取水口岩塞爆破勘察工程中，全部压水试验段均采用YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞进行压水试验，最大孔深68 m，圆满完成压水试验共计56段，除了充塞管在起塞过程中因误操作被挂断1次外，未发生一例孔内事故,见图3。

图3黄河刘家峡兰州水源地取水口岩塞爆破勘察工程使用的YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞图

工程实践证明，YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞设计合理、结构科学、性能可靠、安全耐用。

6 结 语

YKS-A型高压深孔水压式灌浆(压水)栓塞的发明研制成功，突破了制约水压式栓塞进一步推广应用的“瓶颈”，具有良好的推广应用前景，不仅在灌浆和压水领域，在劈裂试验和矿场瓦斯抽放等领域都有很好的推广应用前景。

参考文献:

[1] 国家能源局.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范:DL/T 5148-2012[S].北京：中国电力出版社,2012.

[2] 孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京：中国水利水电出版社,2004.

[3] 中华人民共和国水利部.水利水电工程钻孔压水试验规程：SL 31-2003[S].北京：中国水利水电出版社,2003.

[4] 张双.气压式压水试验器[J]. 水利水电技术,1983(02)：35-41.

[5] 吴中浩.GPS3型双塞压水试验设备及其初步应用[J].水利水电技术,1989(10)：21-25.

[6] 夏永祥,胡仁岳.钻孔压水试验的一种新型设备――液压栓塞[J].水利水电技术,1979,(02)：31-35.

[7] 裴熊伟.钻孔压水试验水压式栓塞排水泄压问题研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2016,43(03)：56-59.

[8] 李炳平,李小杰,叶成明,等.止水栓塞封隔-阀式压水器组合检测技术的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(03)：69-71.

Study, Manufacturing and Application of YKS-A Grouting (Pressure Water) Plugof Hydraulic Pressure Type for High Pressure and Deep Hole

TIAN Wei, TIAN Ye

(Northeast Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd., Changchun 130061,China)

Abstract:The water-pressure type plug, compared with other plugs, in grouting and pressure water tests is safe, reliable and low cost as well as applicable to high-pressure grouting and pressure water tests. But the discharging to unloading of the plug in the capsule is not as expected. This is the bottleneck for the water-pressure plug to be developed widely. Recently, Northeast Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd. has invented the YKS-A grouting (pressure water) plug of hydraulic pressure type for high pressure and deep hole. It elegantly utilizes the principle of the pressure difference balance and conveniently and reliably realizes to have the plug capsule repeatedly filled and completely discharged and unloaded in hole. This successfully removes the restriction of the development of the water pressure plug technically. Key words:water pressure type; deep hole and high pressure; grouting (pressure water) plug; pressure difference balance; plug filled repeatedly in hole; discharging and unloading

文章编号：1006-2610(2017)04-0119-03

收稿日期：2017-07-15

作者简介：田伟(1974- )，男，新疆伊宁县人，高级工程师，主要从事岩土工程和探矿工程技术与管理工作.

中图分类号：TU453

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.031