CN107313788B - 强水力联系下注浆堵水的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强水力联系下注浆堵水的方法及装置，包括通过采空积水区物探情况，获得水力通道的位置，并依据水力通道的位置设计钻场的位置及注浆钻孔的参数；根据所述钻孔的参数，进行钻孔作业并进行孔口管下设；孔口管下设完毕后，进行注浆作业；待注浆结束凝固后，使用清水对钻孔进行耐压试验。本发明提供一种强水力联系下注浆堵水的方法及装置，通过对水力通道的注浆封堵，消除不明采空区的水害隐患。
Description
技术领域
本发明属于煤矿采空区水害综合防治领域，特别涉及强水力联系下注浆堵水的方法及装置。
背景技术
注浆堵水技术是矿井水灾害治理的重要手段，由于岩体具有结构多样、各向异性、水文地质条件差异性大等特点，对于矿井水害注浆治理提出了严峻挑战。注浆理论是在流体力学、水力学、固体力学等的理论基础上发展起来的，对浆液的流动形式和凝固过程进行分析过程。实际上，浆液在地层中的流动形式多样，而且这些运动形式伴随着地层性质的变化、浆液的性质和压力的变化而不断改变或并存，且地面下包含了多种地质层，特别是在第四系冲洪积层中，钻孔注浆堵水更为困难；目前，随着复杂地质环境条件下钻探的增多，钻杆部分磨损严重，造成了钻杆的报废，甚至造成井下钻具失效或出现事故。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种强水力联系下注浆堵水的方法及装置，通过对水力通道的注浆封堵，消除不明采空区的水害隐患。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
强水力联系下注浆堵水的方法，包括以下步骤：
通过采空积水区物探情况，获得水力通道的位置，并依据水力通道的位置设计钻场的位置及注浆钻孔的参数；
根据所述钻孔的参数，进行钻孔作业并进行孔口管下设；
孔口管下设完毕后，进行注浆作业；
待注浆结束凝固后，使用清水对钻孔进行耐压试验；
所述钻孔作业中采用分段式循环注浆法，包括以下步骤：
①使用开口钻头进行开孔，钻孔出现不返水的现象时立即停止钻进，提钻并准确丈量钻杆余尺；
②若钻杆和钻头均未堵塞，则判定为钻孔漏水，需对孔壁周围进行注浆加固；
③孔壁加固后，若钻孔开始返水，继续实施钻进，钻孔钻进至预设位置前进行最后一次注浆加固孔壁；
④钻孔最后一次孔壁加固结束后使用比开口钻头小一号的钻头进行扫孔；
⑤然后下设小于钻孔孔径的孔口管，且孔口管下设长度不大于孔深的一半深度。
进一步的，所述施工设置混凝土基础，本次注浆钻孔包含若干个钻孔，且所述钻孔按单排孔布置，且开孔位置均位于混凝土基础上。
进一步的，设计布置注浆钻孔10个，终孔位置间距4.5m～10m，孔深20.3m～35.5m。
进一步的，注浆作业时，使用注浆泵向钻孔内注入水泥浆液，直待压力达到3MPa且维持时间不少于3分钟后，方可停止注浆；
第一次注浆结束8h后水泥已凝固，进行第二次注浆直至孔壁周围岩石裂隙充满水泥浆；
注浆结束待凝固16h后，使用清水对钻孔进行耐压试验，试验压力控制为3MPa，如果试验压力维持3MPa持续时间不少于30min，则该孔注浆工作结束。
进一步的，所述注浆包括三级水灰比的浆液，所述浆液的水灰重量比分别为2:1、1:1、0.5:1。
进一步的，所述浆液包括水泥浆和/或掺合料；所述掺合料为砂、水玻璃、大豆和石子。
进一步的，所述砂为粒径不大于2.5mm的硬质天然砂或人工砂，砂砾细度模数不大于2.0，含泥量不大于3％；所述水玻璃的模数为2.4～3.0，浓度为30～45波美度；所述石子的粒径为5mm～15mm。
进一步的，强水力联系下注浆堵水的装置，包括钻杆，所述钻杆为螺旋钻杆，所述钻杆中间部分为光杆部，所述光杆部上间距设置有两台肩，两个所述台肩外侧均设置有耐磨套，所述耐磨套的外径与螺旋钻杆外径相等；所述钻杆内沿轴线开设有通水孔，所述钻杆的两端分别设置有公头螺纹和母头螺纹。
进一步的，所述螺旋钻杆的螺旋部分上设置有相同螺距的螺旋叶片，所述螺旋叶片的外径小于螺旋钻杆的螺旋部外径。
有益效果：本发明解决了第四系冲洪积层注浆固结困难、冬季施工混凝土凝固速度慢等问题，通过调整浆料水灰比、间歇注浆、注入掺合料及多种骨料等方法提高了注浆施工效率；且通过分段式循环注浆法的方式和地面注浆钻孔封堵河流与采空区强水力通道；通过耐压检测保证孔口管下设质量，提高注浆效果；同时提供了一种钻探用的钻杆，中部分设置有耐磨层，增加钻杆的耐磨性，双螺旋叶片提高钻杆的使用寿命。
附图说明
附图1为本发明强水力联系下注浆堵水方法的流程图；
附图2为本发明强水力联系下注浆堵水的钻杆结构图；
附图3为本发明强水力联系下注浆堵水的钻杆半剖示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1为本发明强水力联系下注浆堵水方法的流程图。
强水力联系下注浆堵水的方法，包括以下步骤：
通过采空积水区物探情况，获得水力通道的位置，并依据水力通道的位置设计钻场的位置及注浆钻孔的参数；
根据所述钻孔的参数，进行钻孔作业并进行孔口管下设；
孔口管下设完毕后，进行注浆作业；
待注浆结束凝固后，使用清水对钻孔进行耐压试验。
所述钻场位置施工设置混凝土基础，本次注浆钻孔包含若干个钻孔，且所述钻孔按单排孔布置，且开孔位置均位于混凝土基础上。本次注浆钻场位置设计混凝土基础施工钻场，混凝土基础长5m，宽4m，平面呈矩形，且钻场布置在老空区出水点上方。
本次设计布置注浆钻孔10个，终孔位置间距4.5m～10m，孔深20.3m～35.5m。孔口管长度为地表之上0.2m至下伏基岩以下1m的深度。钻孔终孔位置为进入辅助煤层1m。可使用钻头施工钻孔，施工钻孔深度可达200m。
所述钻孔作业中采用分段式循环注浆法，包括以下步骤：
①使用开口钻头进行开孔，钻孔出现不返水的现象时立即停止钻进，提钻并准确丈量钻杆余尺；
②若钻杆和钻头均未堵塞，则判定为钻孔漏水，需对孔壁周围进行注浆加固；
③孔壁加固后，若钻孔开始返水，继续实施钻进，钻孔钻进至预设位置前进行最后一次注浆加固孔壁；
④钻孔最后一次孔壁加固结束后使用比开口钻头小一号的钻头进行扫孔；
⑤然后下设小于钻孔孔径的孔口管，且孔口管下设长度不大于孔深的一半深度。
钻孔施工循环顺序为钻进－注浆－下设孔口管－钻进，开孔后钻进至2m位置时下设第一节孔口管，以后每钻进2m下设一节孔口管，直至钻进至设计位置。
孔口管下设完毕后，进行注浆作业，使用注浆泵向钻孔内注入水泥浆液，直待压力达到3MPa且维持时间不少于3分钟后，方可停止注浆；
第一次注浆结束8h后水泥已凝固，进行第二次注浆直至孔壁周围岩石裂隙充满水泥浆；
注浆结束待凝固16h后，使用清水对钻孔进行耐压试验，试验压力控制为3MPa，如果试验压力维持3MPa持续时间不少于30min，则该孔注浆工作结束。
钻孔钻进期间注浆压力采用1.5～2MPa，钻孔终孔后的注浆作业压力采用3MPa，压力可在注浆施工过程中调整确定。注浆时应尽快达到设计压力，当注入率大时采取分级升压。
所述注浆包括三级水灰比的浆液，所述浆液的水灰重量比分别为2:1、1:1、0.5:1。初始注浆浆液的水灰比为2:1。
所述浆液包括水泥浆和/或掺合料；所述掺合料为砂、水玻璃、大豆和石子。所述砂为粒径不大于2.5mm的硬质天然砂或人工砂，砂砾细度模数不大于2.0，含泥量不大于3％；所述水玻璃的模数为2.4～3.0，浓度为30～45波美度；所述石子的粒径为5mm～15mm。注浆浆液变换：当注浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；当某一比级浆液的注入量已达20吨以上，而注浆压力和注入率均无明显变化时，改浓一级，如果提高浆液级别后，注浆压力和注入率仍无明显变化时继续提高浆液级别或注入石子、大豆等骨料。
强水力联系下注浆堵水的方法的前期物探包括通过瞬变电磁探测技术探明导水通道低阻异常地带，利用采空积水区物探成果，预计采空区积水静储量，通过疏放水钻孔疏放水量分析，判定采空区存在稳定补给水源，结合瞬变电磁低阻异常，确定补给通道位置；通过对采空区水、第四系含水层水、库车河水等含水层及水体水质化验及特征分析，确定补给水源，通过采动覆岩结构分析、采动裂隙扩展断裂分析及固液耦合渗透规律分析，建立库车河水渗流补给老空区力学模型。分析钻孔注浆浆液在岩层孔隙、裂隙中渗流力学原理，建立浆液渗流模型，然后设计并施工地面注浆钻孔封堵河流与采空区强水力通道。
强水力联系下注浆堵水的装置，包括钻杆，所述钻杆为螺旋钻杆，所述钻杆中间部分为光杆部，所述光杆部上间距设置有两台肩3，两个所述台肩3外侧均设置有耐磨套4，所述耐磨套4的外径与螺旋钻杆外径相等；所述钻杆内沿轴线开设有通水孔5，所述钻杆的两端分别设置有公头螺纹和母头螺纹。公头螺纹部分设置有挡板6，挡板6上设置有密封垫，在多跟钻杆连接时起到限位及密封作用；所述公头螺纹和母头螺纹为同螺距的矩形螺纹，使多根钻杆相互配合使用时，相比现有的普通60°螺纹和锥螺纹，其能提供较稳定的力矩传动，特别适合在多岩层地区使用。钻杆本体由优质42CrMoV材质经整体调质加工而成，提供较高的硬度及强度，耐磨层可增加钻杆的使用寿命，同时减少螺旋部1的磨损。
所述螺旋钻杆的螺旋部分上设置有相同螺距的螺旋叶片2，所述螺旋叶片2的外径小于螺旋钻杆的螺旋部1外径3～5mm。在螺旋部1磨损后，其钻杆的强度和下钻的力度将大大降低，此时未磨损的螺旋叶片2可代替螺旋部1进行下钻，增加钻杆的使用寿命，节约成本。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过采空积水区物探情况，获得水力通道的位置，并依据水力通道的位置设计钻场的位置及注浆钻孔的参数；
根据所述钻孔的参数，进行钻孔作业并进行孔口管下设；
孔口管下设完毕后，进行注浆作业；
待注浆结束凝固后，使用清水对钻孔进行耐压试验；
所述钻孔作业中采用分段式循环注浆法，包括以下步骤：
①使用开口钻头进行开孔，钻孔出现不返水的现象时立即停止钻进，提钻并准确丈量钻杆余尺；
②若钻杆和钻头均未堵塞，则判定为钻孔漏水，需对孔壁周围进行注浆加固；
③孔壁加固后，若钻孔开始返水，继续实施钻进，钻孔钻进至预设位置前进行最后一次注浆加固孔壁；
④钻孔最后一次孔壁加固结束后使用比开口钻头小一号的钻头进行扫孔；
⑤然后下设小于钻孔孔径的孔口管，且孔口管下设长度不大于孔深的一半深度。
2.根据权利要求1所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：所述钻场位置施工设置混凝土基础，本次注浆钻孔包含若干个钻孔，且所述钻孔按单排孔布置，且开孔位置均位于混凝土基础上。
3.根据权利要求2所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：设计布置注浆钻孔10个，终孔位置间距4.5m～10m，孔深20.3m～35.5m。
4.根据权利要求1所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：注浆作业时，使用注浆泵向钻孔内注入水泥浆液，直待压力达到3MPa且维持时间不少于3分钟后，方可停止注浆；
第一次注浆结束8h后水泥已凝固，进行第二次注浆直至孔壁周围岩石裂隙充满水泥浆；
注浆结束待凝固16h后，使用清水对钻孔进行耐压试验，试验压力控制为3MPa，如果试验压力维持3MPa持续时间不少于30min，则该孔注浆工作结束。
5.根据权利要求1所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：所述注浆包括三级水灰比的浆液，所述浆液的水灰重量比分别为2:1、1:1、0.5:1。
6.根据权利要求5所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：所述浆液包括水泥浆和/或掺合料；所述掺合料为砂、水玻璃、大豆和石子。
7.根据权利要求6所述的强水力联系下注浆堵水的方法，其特征在于：所述砂为粒径不大于2.5mm的硬质天然砂或人工砂，砂砾细度模数不大于2.0，含泥量不大于3％；所述水玻璃的模数为2.4～3.0，浓度为30～45波美度；所述石子的粒径为5mm～15mm。
8.实施权利要求1至4任一项所述的强水力联系下注浆堵水的方法的装置，其特征在于：包括钻杆，所述钻杆为螺旋钻杆，所述钻杆中间部分为光杆部，所述光杆部上间距设置有两台肩(3)，两个所述台肩(3)外侧均设置有耐磨套(4)，所述耐磨套(4)的外径与螺旋钻杆外径相等；所述钻杆内沿轴线开设有通水孔(5)，所述钻杆的两端分别设置有公头螺纹和母头螺纹。
9.根据权利要求8所述的实施强水力联系下注浆堵水的方法的装置，其特征在于：所述螺旋钻杆的螺旋部分上设置有相同螺距的螺旋叶片(2)，所述螺旋叶片(2)的外径小于螺旋钻杆的螺旋部(1)外径。
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2017
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