CN110644944B - 一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置及方法，包括依次同轴连接的过水外管、中接头、下外管、钻头接头和外平式钻头；过水外管内设有能轴向移动的异形活塞，异形活塞端部与中接头端部之间为设有喷嘴的膨胀腔；异形活塞端部与中接头之间设有限位弹簧；过水外管与异形活塞之间的轴向通道、第一流道以及第二流道均密封连通；下外管内设有速凝箱，在第二流道与速凝箱之间连通有弯管，弯管侧壁开孔以与第一腔体连通；还包括分别设在第一腔体和第二腔体的第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴。采用本装置及工艺方法能充分发挥旋喷注浆改善煤矿井下复杂破碎地层的作用，能够有效护壁防塌、强化地层，减少或避免孔内事故的发生。

Description

一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置及方法。

背景技术

我国是煤矿开采大国，95％以上的煤矿为井工开采，复杂的煤层地质条件，不仅限制了矿井的生产能力、采区走向长度、采煤工作面长度，造成了开采难度大、掘进效率低等问题，而且给煤矿安全生产带来了严重灾害，其中井下瓦斯灾害是我国煤矿安全生产中最严重的灾害之一，且随着采煤范围的扩大和采煤深度的增加，一些低瓦斯矿井逐渐转变成了高瓦斯矿井，使得煤矿安全生产形势更加严峻。我国煤矿几十年瓦斯治理的经验证明：瓦斯预抽采是降低煤层瓦斯含量、防治瓦斯灾害最有效的技术手段，同时也是综合利用瓦斯的基础。

煤矿井下定向长钻孔是目前瓦斯抽采最有效的技术手段。但是目前，定向钻的循环介质依然以清水为主导，护壁防塌、抑制泥页岩水化膨胀等性能较差。即使加入一些改善性能的处理剂，但效果并不理想。并且在成孔过程中消耗大量清水及处理剂，施工成本高且污染井巷环境。尤其当钻遇的地层呈现多样化，如煤岩层中出现断层、陷落柱、破碎地层、中硬及以上煤岩层变为不同类型煤岩层和顶底板岩层等问题，造成孔壁稳定性差、成孔难度大、易发生卡钻等孔内事故的问题，严重影响钻孔工程目标的实现。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置及方法，解决煤矿井下复杂破碎地层钻孔孔壁稳定性差、成孔难度大、易卡钻等问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，包括依次同轴连接的过水外管、中接头、下外管、钻头接头和外平式钻头；

所述过水外管内设有能轴向移动的异形活塞，异形活塞端部与中接头端部之间的过水外管内部空间为膨胀腔，膨胀腔所在过水外管侧壁设有喷嘴；异形活塞端部与中接头之间设有限位弹簧；

所述过水外管与异形活塞之间的轴向通道、过水外管管壁上设置的沿轴向的第一流道以及中接头上设置的沿轴向贯通的第二流道均密封连通；

在所述下外管内设有速凝箱，速凝箱端部与中接头端部之间的空间为第一腔体，在第二流道与速凝箱之间连通有弯管，所述弯管侧壁开孔以与第一腔体连通；在第一腔体所在下外管侧壁设有能连通第一腔体与下外管外部的第一单向射流喷嘴，第一单向射流喷嘴沿下外管径向布设且能向下外管外部喷射；

所述钻头接头内部空间为第二腔体，速凝箱与所述第二腔体密封连通，在钻头接头侧壁设有能连通第二腔体与钻头接头外部的第二单向射流喷嘴，第二单向射流喷嘴沿钻头接头径向布设且能向钻头接头外部喷射。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述异形活塞包括一体成型的：中心杆、沿轴向均布在中心杆上的三个插板、设在插板端部的圆柱形的活塞头以及设在活塞头端面上的沿轴向布设的弹簧柱；

所述每个插板均沿中心杆的径向布设，所述插板沿中心杆径向的长度小于活塞头的半径；在所述活塞头的侧壁上开设有以中心杆中心轴为轴线的贯通活塞头两端的扇形槽；

所述插板对应的过水外管内壁为圆筒形内壁，且在圆筒形内壁上设有三个沿过水外管轴向并与三个插板一一对应的滑槽，所述插板安装在滑槽内；所述中心杆与圆筒形内壁之间的空间为过水外管与异形活塞之间的轴向通道；

所述膨胀腔对应的过水外管的内壁设有沿轴向布设的扇形凸起，所述扇形凸起与所述扇形槽对应；在扇形凸起内布设所述第一流道，且在第一流道与活塞头侧壁之间的扇形凸起侧壁上设有泄流孔。

具体的，在所述中接头端部中心设有用以安装所述限位弹簧的凹槽；所述限位弹簧一端***所述弹簧柱上且另一端***所述凹槽内，所述限位弹簧预紧力设置为0.5～1MPa。

具体的，所述弯管与中接头之间螺纹连接，弯管下部中轴线与下外管中轴线一致，所述弯管上设有多个开孔；

所述弯管与速凝箱之间通过上单向阀连接，上单向阀与弯管下端的内螺纹连接，所述速凝箱与弯管下端的外螺纹连接，上单向阀套设于所述速凝箱内；

所述速凝箱与钻头接头之间通过下单向阀连接，下单向阀一端螺纹连接于速凝箱，另一端插接于钻头接头中；

所述上单向阀和下单向阀的开启压力设置为2～3MPa；

所述钻头接头与外平式钻头之间通过特殊单向阀连接。

具体的，所述喷嘴、第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴均分布在装置的一侧且在一条直线上；

所述第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴均包括：第一外部壳体、设在第一外部壳体一端内部的锥直型流道、设在第一外部壳体另一端的贯通的第一端盖、位于锥直型流道与第一端盖之间的第一泄压端盖以及位于第一泄压端盖内的第一预紧弹簧；

所述锥直型流道包括紧邻第一预紧弹簧的大口径直段、缩口锥段和小口径直段；小口径直段为出口端；

所述第一泄压端盖为底部封口的圆筒形结构，且在第一泄压端盖的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第一泄压端盖侧壁与第一外部壳体内壁之间有空隙；

所述第一预紧弹簧位于第一泄压端盖内，且限位在大口径直段端面与第一泄压端盖底壁之间；第一泄压端盖能通过压缩第一预紧弹簧轴向移动；

所述第一端盖与第一外部壳体之间螺纹连接；

设置所述第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴的开启压力为1～1.5MPa。

具体的，所述特殊单向阀包括：第二外部壳体、位于第二外部壳体一端的出口、位于第二外部壳体另一端的贯通的第二端盖、设在出口与第二端盖之间且开口朝向出口的第二泄压端盖以及设在第二泄压端盖内的第二预紧弹簧；

所述第二泄压端盖为底部封口的圆筒形结构，且在第二泄压端盖的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第二泄压端盖侧壁与第二外部壳体内壁之间有空隙；

所述第二预紧弹簧限位在出口端面与第二泄压端盖底壁之间；第二泄压端盖能通过压缩第二预紧弹簧轴向移动；所述第二泄压端盖的高度相较第二外部壳体内部用于套设第二泄压端盖的圆柱孔的深度小2～5mm，设置所述第二预紧弹簧预紧力为0.5～1MPa。

具体的，所述中接头两端均通过螺纹分别连接所述过水外管和下外管；所述钻头接头两端均通过螺纹分别连接所述下外管和外平式钻头；所述过水外管、中接头、下外管、钻头接头和外平式钻头形成的整体结构呈外平式。

本发明还提供一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置的施工方法，包括以下步骤：

a.施工准备步骤：根据目的地层的性质特点配置相应的钻井液，调整好各项性能指标使其符合要求；配置一定水灰配比的水泥浆液，要求应具有凝固速度快，凝固强度高的特性；

b.装置安装步骤：将异形活塞***所述过水外管内，依次连接限位弹簧、中接头，将定量膨胀剂装入膨胀腔内，弯管连接中接头且保证弯管下端中轴线与装置整体中轴线一致，再依次连接上单向阀、速凝箱、下单向阀、下外管、钻头接头、外平式钻头，速凝箱中装有特定量的速凝剂，特殊单向阀连接于钻头接头内一定深度，喷嘴、第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴分别连接于过水外管、下外管、钻头接头内直至外平；

c.下入该装置步骤：将该装置与普通外平钻杆连接，过程中需要控制给水压力处于一个较低值0.2～0.5MPa，限位弹簧稍有压缩，异形活塞下行2～3cm且无法完全压缩膨胀腔中的膨胀剂，异形活塞下行露出过水外管内侧的泄流孔，压力值较低无法打开第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴、上单向阀、下单向阀，特殊单向阀低压处于开启状态，水沿着第一流道和第二流道从外平式钻头的出水口流出冷却钻头，直至下钻至特定孔段；

d.局部封堵钻孔步骤：下钻至特定孔段，提高给水压力至1～1.2MPa，完全压缩限位弹簧，异形活塞挤压膨胀腔，使膨胀剂从喷嘴喷出，水通过第一流道和第二流道进入弯管中，压力较低仍无法打开上单向阀、下单向阀，水压的升高使水可以从第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出，水压高于特殊单向阀设置压力，特殊单向阀处于关闭状态，过程中保持钻具慢速回转，并短距离反复提拉，使膨胀剂与第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出的水混合而迅速膨胀，从而有效密封局部环空；

e.旋喷注浆步骤：环空密封完成，保持钻具慢速回转，通过高压泥浆泵将准备好的水泥浆液泵入该装置，入口压力控制在15MPa左右，水泥浆液沿着流道通过弯管，高压环境使上单向阀和下单向阀打开，水泥浆液通过速凝箱与其内部的速凝剂混合，高压状态特殊单向阀关闭，水泥浆液只能通过第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴以高速水平喷入岩层，借助液体的冲击力切削土层，同时钻具一面以20r/min钻速回转，一面以15～30cm/min的速度给进，使土体与水泥浆液充分搅拌混合凝固，形成具有强度范围在30MPa～40MPa的圆柱固结体，从而使破碎地层得以强化。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明通过高压泥浆泵将水泥浆液通过射流喷嘴高速喷出，借助水泥浆液的冲击力切削岩层，并使岩屑与水泥浆液充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度范围的圆柱固结体，从而使破碎地层得以强化。同时本发明可以实现局部环空封堵，减少水泥浆液上返，钻孔适用性强，本发明携带一定剂量的速凝剂，可有效提高水泥浆液与岩屑的固结速率。本发明主要解决煤矿井下复杂地层孔壁稳定性差、成孔难度大、易卡钻等问题，采用本装置及工艺方法能充分发挥旋喷注浆改善煤矿井下复杂破碎地层的作用，能够有效护壁防塌、强化地层，减少或避免孔内事故的发生。

本发明适用于煤矿井下复杂地层施工，整套装置呈外平式结构，整套钻具外径尺寸都是一样的，目的是防止发生卡钻、埋钻事故，对孔壁起到较好的支撑作用；采用单向射流喷嘴，可以有效避免成孔过程中液流通过喷嘴进入装置内部；采用特殊单向阀接头，可以实现低压打开、高压关闭，针对不同工作环节起到不同的作用，下钻过程冷却钻头，旋喷过程封闭钻具中心通道防止泄压；可以实现局部环空密封，防止水泥浆液沿着钻孔过多上返，影响注浆效果，钻孔适应性强，斜孔、水平孔均适用；装置携带一定量速凝剂，可以大大缩短水泥浆液凝固时间，提高施工效率；过程中形成一定尺寸且强度较高的圆柱固结体，相对于传统静压法具有作用面积大、牢固可靠的明显优势。

附图说明

附图1是本发明外平式高压旋喷注浆装置主视图；

附图2是本发明A～A剖视图；

附图3是本发明异形活塞的主视图；

附图4是本发明B～B剖视图；

附图5是本发明I部分局部视图及C～C剖视图；

附图6是本发明中接头的主视图；

附图7是本发明单向射流喷嘴的主视图；

附图8是本发明特殊单向阀的主视图；

附图9是本发明弯管的主视图。

图中各标号表示为：1-过水外管，2-中接头，3-下外管，4-钻头接头，5-外平式钻头，6-异形活塞，7-膨胀腔，8-喷嘴，9-限位弹簧，10-速凝箱，11-第一腔体，12-弯管，14-第一单向射流喷嘴，15-第二单向射流喷嘴，16-上单向阀，17-下单向阀，18-特殊单向阀；

(1-1)-第一流道，(1-2)-扇形凸起，(1-3)-泄流孔；(2-1)-第二流道，(2-2)-凹槽；(4-1)-第二腔体；(6-1)-中心杆，(6-2)-插板，(6-3)-活塞头，(6-4)-弹簧柱，(6-5)-扇形槽；(12-1)-开孔；(14-1)-第一外部壳体，(14-2)-锥直型流道，(14-3)-第一端盖，(14-4)-第一泄压端盖，(14-5)-第一预紧弹簧；(18-1)-第二外部壳体，(18-2)-出口，(18-3)-第二端盖，(18-4)-第二泄压端盖，(18-5)-第二预紧弹簧。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图9所示，本实施例提供一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，包括依次同轴连接的过水外管1、中接头2、下外管3、钻头接头4和外平式钻头5；过水外管1内设有能轴向移动的异形活塞6，异形活塞6端部与中接头2端部之间的过水外管1内部空间为膨胀腔7，膨胀腔7所在过水外管1侧壁设有喷嘴8；异形活塞6端部与中接头2之间设有限位弹簧9；过水外管1与异形活塞6之间的轴向通道、过水外管1管壁上设置的沿轴向的第一流道1-1以及中接头2上设置的沿轴向贯通的第二流道2-1均密封连通；在下外管3内设有速凝箱10，且在速凝箱10与下外管3之间有缝隙，用以使水能从下外管3与速凝箱10之间通过；速凝箱10端部与中接头2端部之间的空间为第一腔体11，在第二流道2-1与速凝箱10之间连通有弯管12，弯管12侧壁开孔以与第一腔体11连通；在第一腔体11所在下外管3侧壁设有能连通第一腔体11与下外管3外部的第一单向射流喷嘴14，第一单向射流喷嘴14沿下外管3径向布设且能向下外管3外部喷射；钻头接头4内部空间为第二腔体4-1，且在钻头接头4上设有钻头接头流道，用以将钻头接头4与速凝箱10之间的空腔和第二腔体4-1连通，从而实现：当压力值较低无法打开第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴、上单向阀、下单向阀，特殊单向阀低压处于开启状态，水沿着第一流道、第二流道、下外管3与速凝箱10之间的间隙、钻头接头流道以及第二腔体4-1从外平式钻头的出水口流出冷却钻头，直至下钻至特定孔段；速凝箱10与第二腔体4-1密封连通，在钻头接头4侧壁设有能连通第二腔体4-1与钻头接头4外部的第二单向射流喷嘴15，第二单向射流喷嘴15沿钻头接头4径向布设且能向钻头接头4外部喷射；采用单向射流喷嘴，可以有效避免成孔过程中液流通过喷嘴进入装置内部。

在本实施例中，速凝箱中装有特定量的速凝剂，特殊单向阀连接于钻头接头内一定深度，喷嘴、第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴分别连接于过水外管、下外管、钻头接头内直至外平。将该装置与普通外平钻杆连接，过程中需要控制给水压力处于一个较低值0.2～0.5MPa，限位弹簧稍有压缩，异形活塞下行2～3cm且无法完全压缩膨胀腔中的膨胀剂，异形活塞下行露出过水外管内侧的泄流孔，压力值较低无法打开第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴、上单向阀、下单向阀，特殊单向阀低压处于开启状态，水沿着第一流道和第二流道从外平式钻头的出水口流出冷却钻头，直至下钻至特定孔段。局部封堵钻孔：下钻至特定孔段，提高给水压力至1～1.2MPa，完全压缩限位弹簧，异形活塞挤压膨胀腔，使膨胀剂从喷嘴喷出，水通过第一流道和第二流道进入弯管中，压力较低仍无法打开上单向阀、下单向阀，水压的升高使水可以从第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出，水压高于特殊单向阀设置压力，特殊单向阀处于关闭状态，过程中保持钻具慢速回转，并短距离反复提拉，使膨胀剂与第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出的水混合而迅速膨胀，从而有效密封局部环空。旋喷注浆：环空密封完成，保持钻具慢速回转，通过高压泥浆泵将准备好的水泥浆液泵入该装置，入口压力控制在15MPa左右，水泥浆液沿着流道通过弯管，高压环境使上单向阀和下单向阀打开，水泥浆液通过速凝箱与其内部的速凝剂混合，高压状态特殊单向阀关闭，水泥浆液只能通过第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴以高速水平喷入岩层，借助液体的冲击力切削土层，同时钻具一面以20r/min钻速回转，一面以15～30cm/min的速度给进，使土体与水泥浆液充分搅拌混合凝固，形成具有强度范围在30MPa～40MPa的圆柱固结体，从而使破碎地层得以强化。

如图1至图3所示，本实施例中，异形活塞6包括一体成型的：中心杆6-1、沿轴向均布在中心杆6-1上的三个插板6-2、设在插板6-2端部的圆柱形的活塞头6-3以及设在活塞头6-3端面上的沿轴向布设的弹簧柱6-4；每个插板6-2均沿中心杆6-1的径向布设，插板6-2沿中心杆6-1径向的长度小于活塞头6-3的半径；在活塞头6-3的侧壁上开设有以中心杆6-1中心轴为轴线的贯通活塞头6-3两端的扇形槽6-5；插板6-2对应的过水外管内壁为圆筒形内壁，且在圆筒形内壁上设有三个沿过水外管1轴向并与三个插板6-2一一对应的滑槽，插板6-2安装在滑槽内；中心杆6-1与圆筒形内壁之间的空间为过水外管1与异形活塞6之间的轴向通道；膨胀腔7对应的过水外管1的内壁设有沿轴向布设的扇形凸起1-2，扇形凸起1-2与扇形槽6-5对应；在扇形凸起1-2内布设第一流道1-1，且在第一流道1-1与活塞头6-3侧壁之间的扇形凸起1-2侧壁上设有泄流孔1-3。

如图1、2和4所示，在中接头2端部中心设有用以安装限位弹簧9的凹槽2-2；限位弹簧9一端***弹簧柱6-4上且另一端***凹槽2-2内，限位弹簧9预紧力设置为0.5～1MPa。

弯管12与中接头2之间螺纹连接，弯管12下部中轴线与下外管3中轴线一致，弯管12上设有多个开孔12-1；弯管12与速凝箱10之间通过上单向阀16连接，上单向阀16与弯管12下端的内螺纹连接，速凝箱10与弯管12下端的外螺纹连接，上单向阀16套设于速凝箱10内；速凝箱10与钻头接头4之间通过下单向阀17连接，下单向阀17一端螺纹连接于速凝箱10，另一端插接于钻头接头4中；上单向阀16和下单向阀17的开启压力设置为2～3MPa；钻头接头4与外平式钻头5之间通过特殊单向阀18连接。

喷嘴8、第一单向射流喷嘴14和第二单向射流喷嘴15均分布在装置的一侧且在一条直线上；如图7所示，第一单向射流喷嘴14和第二单向射流喷嘴15均包括：第一外部壳体14-1、设在第一外部壳体14-1一端内部的锥直型流道14-2、设在第一外部壳体14-1另一端的贯通的第一端盖14-3、位于锥直型流道14-2与第一端盖14-3之间的第一泄压端盖14-4以及位于第一泄压端盖14-4内的第一预紧弹簧14-5；锥直型流道14-2包括紧邻第一预紧弹簧14-5的大口径直段、缩口锥段和小口径直段；小口径直段为出口端；第一泄压端盖14-4为底部封口的圆筒形结构，且在第一泄压端盖14-4的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第一泄压端盖14-4侧壁与第一外部壳体14-1内壁之间有空隙；第一预紧弹簧14-5位于第一泄压端盖14-4内，且限位在大口径直段端面与第一泄压端盖14-4底壁之间；第一泄压端盖14-4能通过压缩第一预紧弹簧14-5轴向移动；第一端盖14-3与第一外部壳体14-1之间螺纹连接；设置第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴的开启压力为1～1.5MPa。

如图8所示，特殊单向阀18包括：第二外部壳体18-1、位于第二外部壳体18-1一端的出口18-2、位于第二外部壳体18-1另一端的贯通的第二端盖18-3、设在出口18-2与第二端盖18-3之间且开口朝向出口的第二泄压端盖18-4以及设在第二泄压端盖18-4内的第二预紧弹簧18-5；第二泄压端盖18-4为底部封口的圆筒形结构，且在第二泄压端盖18-4的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第二泄压端盖18-4侧壁与第二外部壳体18-1内壁之间有空隙；第二预紧弹簧18-5限位在出口18-2端面与第二泄压端盖18-4底壁之间；第二泄压端盖18-4能通过压缩第二预紧弹簧18-5轴向移动；第二泄压端盖18-4的高度(h)相较第二外部壳体18-1内部用于套设第二泄压端盖18-4的圆柱孔的深度(H)小2～5mm(H-h)，设置第二预紧弹簧18-5预紧力为0.5～1MPa。

本实施例中，中接头2两端均通过螺纹分别连接过水外管1和下外管3；钻头接头4两端均通过螺纹分别连接下外管3和外平式钻头5；过水外管1、中接头2、下外管3、钻头接头4和外平式钻头5形成的整体结构呈外平式。

实施例2：

本实施例还提供了一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置的施工方法，包括以下步骤：

a.施工准备步骤：根据目的地层的性质特点配置相应的钻井液，调整好各项性能指标使其符合要求；配置一定水灰配比的水泥浆液，要求应具有凝固速度快，凝固强度高的特性；

b.装置安装步骤：将异形活塞***过水外管内，依次连接限位弹簧、中接头，将定量膨胀剂装入膨胀腔内，弯管连接中接头且保证弯管下端中轴线与装置整体中轴线一致，再依次连接上单向阀、速凝箱、下单向阀、下外管、钻头接头、外平式钻头，速凝箱中装有特定量的速凝剂，特殊单向阀连接于钻头接头内一定深度，喷嘴、第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴分别连接于过水外管、下外管、钻头接头内直至外平；

c.下入该装置步骤：将该装置与普通外平钻杆连接，过程中需要控制给水压力处于一个较低值0.2～0.5MPa，限位弹簧稍有压缩，异形活塞下行2～3cm且无法完全压缩膨胀腔中的膨胀剂，异形活塞下行露出过水外管内侧的泄流孔，压力值较低无法打开第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴、上单向阀、下单向阀，特殊单向阀低压处于开启状态，水沿着第一流道和第二流道从外平式钻头的出水口流出冷却钻头，直至下钻至特定孔段；

d.局部封堵钻孔步骤：下钻至特定孔段，提高给水压力至1～1.2MPa，完全压缩限位弹簧，异形活塞挤压膨胀腔，使膨胀剂从喷嘴喷出，水通过第一流道和第二流道进入弯管中，压力较低仍无法打开上单向阀、下单向阀，水压的升高使水可以从第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出，水压高于特殊单向阀设置压力，特殊单向阀处于关闭状态，过程中保持钻具慢速回转，并短距离反复提拉，使膨胀剂与第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出的水混合而迅速膨胀，从而有效密封局部环空；

e.旋喷注浆步骤：环空密封完成，保持钻具慢速回转，通过高压泥浆泵将准备好的水泥浆液泵入该装置，入口压力控制在15MPa左右，水泥浆液沿着流道通过弯管，高压环境使上单向阀和下单向阀打开，水泥浆液通过速凝箱与其内部的速凝剂混合，高压状态特殊单向阀关闭，水泥浆液只能通过第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴以高速水平喷入岩层，借助液体的冲击力切削土层，同时钻具一面以20r/min钻速回转，一面以15～30cm/min的速度给进，使土体与水泥浆液充分搅拌混合凝固，形成具有强度范围在30MPa～40MPa的圆柱固结体，从而使破碎地层得以强化。

Claims (7)

1.一种煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，包括依次同轴连接的过水外管(1)、中接头(2)、下外管(3)、钻头接头(4)和外平式钻头(5)；

所述过水外管(1)内设有能轴向移动的异形活塞(6)，异形活塞(6)端部与中接头(2)端部之间的过水外管(1)内部空间为膨胀腔(7)，膨胀腔(7)所在过水外管(1)侧壁设有喷嘴(8)；异形活塞(6)端部与中接头(2)之间设有限位弹簧(9)；

所述过水外管(1)与异形活塞(6)之间的轴向通道、过水外管(1)管壁上设置的沿轴向的第一流道(1-1)以及中接头(2)上设置的沿轴向贯通的第二流道(2-1)均密封连通；

在所述下外管(3)内设有速凝箱(10)，速凝箱(10)端部与中接头(2)端部之间的空间为第一腔体(11)，在第二流道(2-1)与速凝箱(10)之间连通有弯管(12)，所述弯管(12)侧壁开孔以与第一腔体(11)连通；在第一腔体(11)所在下外管(3)侧壁设有第一单向射流喷嘴(14)；

所述钻头接头(4)内部空间为第二腔体(4-1)，速凝箱(10)与所述第二腔体(4-1)密封连通，在钻头接头(4)侧壁设有第二单向射流喷嘴(15)。

2.如权利要求1所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，所述异形活塞(6)包括一体成型的：中心杆(6-1)、沿轴向均布在中心杆(6-1)上的三个插板(6-2)、设在插板(6-2)端部的圆柱形的活塞头(6-3)以及设在活塞头(6-3)端面上的沿轴向布设的弹簧柱(6-4)；

所述每个插板(6-2)均沿中心杆(6-1)的径向布设，所述插板(6-2)沿中心杆(6-1)径向的长度小于活塞头(6-3)的半径；在所述活塞头(6-3)的侧壁上开设有以中心杆(6-1)中心轴为轴线的贯通活塞头(6-3)两端的扇形槽(6-5)；

所述插板(6-2)对应的过水外管内壁为圆筒形内壁，且在圆筒形内壁上设有三个沿过水外管(1)轴向并与三个插板(6-2)一一对应的滑槽，所述插板(6-2)安装在滑槽内；所述中心杆(6-1)与圆筒形内壁之间的空间为过水外管(1)与异形活塞(6)之间的轴向通道；

所述膨胀腔(7)对应的过水外管(1)的内壁设有沿轴向布设的扇形凸起(1-2)，所述扇形凸起(1-2)与所述扇形槽(6-5)对应；在扇形凸起(1-2)内布设所述第一流道(1-1)，且在第一流道(1-1)与活塞头(6-3)侧壁之间的扇形凸起(1-2)侧壁上设有泄流孔(1-3)。

3.如权利要求2所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，在所述中接头(2)端部中心设有用以安装所述限位弹簧(9)的凹槽(2-2)；所述限位弹簧(9)一端***所述弹簧柱(6-4)上且另一端***所述凹槽(2-2)内，所述限位弹簧(9)预紧力设置为0.5～1MPa。

4.如权利要求1所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，所述弯管(12)与中接头(2)之间螺纹连接，弯管(12)下部中轴线与下外管(3)中轴线一致，所述弯管(12)上设有多个开孔(12-1)；

所述弯管(12)与速凝箱(10)之间通过上单向阀(16)连接，上单向阀(16)与弯管(12)下端的内螺纹连接，所述速凝箱(10)与弯管(12)下端的外螺纹连接，上单向阀(16)套设于所述速凝箱(10)内；

所述速凝箱(10)与钻头接头(4)之间通过下单向阀(17)连接，下单向阀(17)一端螺纹连接于速凝箱(10)，另一端插接于钻头接头(4)中；

所述上单向阀(16)和下单向阀(17)的开启压力设置为2～3MPa；

所述钻头接头(4)与外平式钻头(5)之间通过特殊单向阀(18)连接；

所述特殊单向阀(18)包括：第二外部壳体(18-1)、位于第二外部壳体(18-1)一端的出口(18-2)、位于第二外部壳体(18-1)另一端的贯通的第二端盖(18-3)、设在出口(18-2)与第二端盖(18-3)之间且开口朝向出口的第二泄压端盖(18-4)以及设在第二泄压端盖(18-4)内的第二预紧弹簧(18-5)；

所述第二泄压端盖(18-4)为底部封口的圆筒形结构，且在第二泄压端盖(18-4)的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第二泄压端盖(18-4)侧壁与第二外部壳体(18-1)内壁之间有空隙；

所述第二预紧弹簧(18-5)限位在出口(18-2)端面与第二泄压端盖(18-4)底壁之间；第二泄压端盖(18-4)能通过压缩第二预紧弹簧(18-5)轴向移动；所述第二泄压端盖(18-4)的高度相较第二外部壳体(18-1)内部用于套设第二泄压端盖(18-4)的圆柱孔的深度小2～5mm，设置所述第二预紧弹簧(18-5)预紧力为0.5～1MPa。

5.如权利要求1所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，所述喷嘴(8)、第一单向射流喷嘴(14)和第二单向射流喷嘴(15)均分布在装置的一侧且在一条直线上；

所述第一单向射流喷嘴(14)和第二单向射流喷嘴(15)均包括：第一外部壳体(14-1)、设在第一外部壳体(14-1)一端内部的锥直型流道(14-2)、设在第一外部壳体(14-1)另一端的贯通的第一端盖(14-3)、位于锥直型流道(14-2)与第一端盖(14-3)之间的第一泄压端盖(14-4)以及位于第一泄压端盖(14-4)内的第一预紧弹簧(14-5)；

所述锥直型流道(14-2)包括紧邻第一预紧弹簧(14-5)的大口径直段、缩口锥段和小口径直段；小口径直段为出口端；

所述第一泄压端盖(14-4)为底部封口的圆筒形结构，且在第一泄压端盖(14-4)的侧壁设有多个通孔，通孔所对应的第一泄压端盖(14-4)侧壁与第一外部壳体(14-1)内壁之间有空隙；

所述第一预紧弹簧(14-5)位于第一泄压端盖(14-4)内，且限位在大口径直段端面与第一泄压端盖(14-4)底壁之间；第一泄压端盖(14-4)能通过压缩第一预紧弹簧(14-5)轴向移动；

所述第一端盖(14-3)与第一外部壳体(14-1)之间螺纹连接；

设置所述第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴的开启压力为1～1.5MPa。

6.如权利要求1所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置，其特征在于，所述中接头(2)两端均通过螺纹分别连接所述过水外管(1)和下外管(3)；所述钻头接头(4)两端均通过螺纹分别连接所述下外管(3)和外平式钻头(5)；所述过水外管(1)、中接头(2)、下外管(3)、钻头接头(4)和外平式钻头(5)形成的整体结构呈外平式。

7.权利要求4所述的煤矿井下复杂地层用外平式高压旋喷注浆装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.施工准备步骤：根据目的地层的性质特点配置相应的钻井液，调整好各项性能指标使其符合要求；配置一定水灰配比的水泥浆液，要求应具有凝固速度快，凝固强度高的特性；

b.装置安装步骤：将异形活塞***所述过水外管内，依次连接限位弹簧、中接头，将定量膨胀剂装入膨胀腔内，弯管连接中接头且保证弯管下端中轴线与装置整体中轴线一致，再依次连接上单向阀、速凝箱、下单向阀、下外管、钻头接头、外平式钻头，速凝箱中装有特定量的速凝剂，特殊单向阀连接于钻头接头内一定深度，喷嘴、第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴分别连接于过水外管、下外管、钻头接头内直至外平；

c.下入该装置步骤：将该装置与普通外平钻杆连接，过程中需要控制给水压力处于一个较低值0.2～0.5MPa，限位弹簧稍有压缩，异形活塞下行2～3cm且无法完全压缩膨胀腔中的膨胀剂，异形活塞下行露出过水外管内侧的泄流孔，压力值较低无法打开第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴、上单向阀、下单向阀，特殊单向阀低压处于开启状态，水沿着第一流道和第二流道从外平式钻头的出水口流出冷却钻头，直至下钻至特定孔段；

d.局部封堵钻孔步骤：下钻至特定孔段，提高给水压力至1～1.2MPa，完全压缩限位弹簧，异形活塞挤压膨胀腔，使膨胀剂从喷嘴喷出，水通过第一流道和第二流道进入弯管中，压力较低仍无法打开上单向阀、下单向阀，水压的升高使水可以从第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出，水压高于特殊单向阀设置压力，特殊单向阀处于关闭状态，过程中保持钻具慢速回转，并短距离反复提拉，使膨胀剂与第一单向射流喷嘴、第二单向射流喷嘴喷出的水混合而迅速膨胀，从而有效密封局部环空；

e.旋喷注浆步骤：环空密封完成，保持钻具慢速回转，通过高压泥浆泵将准备好的水泥浆液泵入该装置，入口压力控制在15MPa左右，水泥浆液沿着流道通过弯管，高压环境使上单向阀和下单向阀打开，水泥浆液通过速凝箱与其内部的速凝剂混合，高压状态特殊单向阀关闭，水泥浆液只能通过第一单向射流喷嘴和第二单向射流喷嘴以高速水平喷入岩层，借助液体的冲击力切削土层，同时钻具一面以20r/min钻速回转，一面以15～30cm/min的速度给进，使土体与水泥浆液充分搅拌混合凝固，形成具有强度范围在30MPa～40MPa的圆柱固结体，从而使破碎地层得以强化。

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