CN111677513A - 一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法 - Google Patents
一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，包括以下步骤：步骤S1，将地层划分为三段，三段地层分别为常规段、地层交替段、涌水溃砂段；步骤S2，对钻塔进行水平度校正及浇注水泥台，安装钻机并校准钻机的水平度和垂直度；步骤S3，对钻具进行改进，采用多级套管组成的宝塔式钻具进行组合钻孔，并采用套管环套+多级缩孔的方式进行钻孔和护孔；步骤S4，对步骤S1中的三段地层逐层进行钻进，形成钻孔；步骤S5，检测步骤S4中形成的钻孔的裂隙情况和胶结特性，并对钻孔进行清孔。本发明确保了煤矿立井井筒治理修复的正常进行，提高施工作业效率，降低了施工作业成本。
Description
技术领域
本发明属于立井井筒治理修复技术领域，具体涉及一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法。
背景技术
地面钻孔注浆是煤矿立井建设及开采过程中治理水害的常用方法。通过地面钻孔注浆的方法对水平巷道或立井遇到的破碎不稳定围岩进行注浆改善，以提高其围岩完整性、降低其渗透性，从而达到提高围岩稳定性、降低支护难度的目的，确保安全开采。
地面注浆施工需要钻孔与注浆工艺相互配合作业，而在煤矿立井井筒治理修复过程中，常需要通过钻孔来探明地层的扰动情况和扰动后的水文地质特征，并通过注浆的方式针对软弱地层进行加固，因此地面钻孔注浆也逐渐的被用于立井井筒治理修复中。煤矿立井井筒治理修复通常面对的是复杂的软弱地层，因此钻孔的成孔效果直接决定了地面注浆施工的成败。
在煤矿立井井筒治理修复过程中，地面钻孔面对的是受扰动后的软弱地层，该地层极容易发生涌水溃砂，通过大量的工程实践发现，现有技术虽对软弱地层的钻孔方法进行了大量的改进，却常出现因地层严重漏失导致的埋钻和泥浆漏失现象。
因此，现有技术面对涌水溃砂地层表现出了极大的不适应性，解决涌水溃砂地层地面钻孔注浆成孔问题极为迫切，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，用以解决涌水溃砂地层地面钻孔注浆成孔时遇到的埋钻、泥浆漏失严重和钻孔易偏斜的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，所述地面注浆成孔方法包括以下步骤：
步骤S1，将地层划分为三段，三段地层分别为常规段、地层交替段、涌水溃砂段；
步骤S2，对钻塔进行水平度校正及浇注水泥台，安装钻机并校准钻机的水平度和垂直度；
步骤S3，对钻具进行改进，采用多级套管组成的宝塔式钻具进行组合钻孔，并采用套管环套+多级缩孔的方式进行钻孔和护孔；
步骤S4，对步骤S1中的三段地层逐层进行钻进，形成钻孔；
步骤S5，检测步骤S4中形成的钻孔的裂隙情况和胶结特性，并对钻孔进行清孔。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S1还包括步骤S101，注浆前对地层土体参数进行分析，然后建立立井井筒治理修复地面钻孔注浆效果检测标准为：
深度小于600m的井筒，漏水量不超过6m3/h；
深度大于600m的井筒，漏水量不超过10m3/h；
优选地，所述步骤S1中划分地层时的根据是地质勘探报告以及地质属性；
再优选地，所述立井井筒的出水点的漏水量不超过0.5m3/h。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S201，对钻塔的水平度进行校正，在钻塔的四角处浇注水泥台，并对水泥台的水平度进行校正，确保水泥台处于水平状态，并在水泥台上铺设基台木；
步骤S202，安装钻机，并校准钻机的水平度和垂直度；
优选地，对水泥台的水平度进行校正时采用水准仪进行校正；
再优选地，所述钻塔的水平度控制在±1％，钻机的水平度和垂直度校准的控制值为1％。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S3中的宝塔式钻具包括钻头和套管，所述钻头为由不同尺寸的圆钻铤组成的满眼防斜钻头，所述套管为通过环向卡套连接的具有多级尺寸的套管；
所述套管环套的方式为利用相邻两级套管的重叠环套对易扰动松散环水层及时进行保护，防止含水层塌落。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S4中针对常规地层的钻进方法为：
步骤S401，采用一级钻具，用钻铤加压的方式进行钻进；
所述步骤S4中针对地层交替段的钻进方法为：
步骤S402，在地层界面及软硬互层界面范围内，采用轻压吊打的钻进方式进行，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期阻力时再进行钻进，并增大泥浆稠度、观察泥浆流量；待通过地层界面及软硬互层界面后，立即安放套管；
所述步骤S4中针对涌水溃砂的钻进方法为：
步骤S403，当遇涌水溃砂层时，采用轻压慢转的方式进行钻进，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期阻力时安装套管，再进行钻进，撸孔后待通过涌水溃砂层后，进行钻孔测斜，更换下一级钻具进行钻进，利用重叠套管护孔，以降低易扰动松散含水层反复钻捣的几率。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S4钻进过程中配制泥浆注浆成孔，且在钻机施工过程中，泥浆液面式中不低于套管底部，用于保证钻孔孔壁的稳定性；
优选地，配制泥浆的相对密度为1.2～1.3。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S501，对注浆后钻孔的裂隙情况以及胶结特性进行检测；
步骤S502，检测完成后，对钻孔进行清孔；
优选地，步骤S501中进行检测时采用钻孔电视进行检测，并按照注浆钻孔与观测钻孔10：1的比例进行选孔；
再优选地，步骤S502中进行清孔时采用的泥浆的相对密度为1.0～1.05，并使钻孔底部的泥浆密度控制在1.05～1.10。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S401中，钻进过程中每钻进50m时进行测孔一次，从而保证钻孔的垂直度；
所述步骤S402中采用轻压吊打的钻进方式的位置为地层界面及软硬互层界面上下5m范围内，且上下撸孔的钻进距离为1.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期阻力的30％，水泥浆液的流量为35L/min；
所述步骤S403中采用轻压慢转的方式进行钻进的位置为距涌水溃砂层7-9m处，且上下撸孔的钻进距离为0.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期的20％。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S201中的基台木为径向横纹木块，且基台木的密度误差不超过20％，尺寸误差不超过5％；
所述水泥台包括两个台阶承台装置，两个承台装置分别为上台阶和下台阶，所述水泥台用于防止钻机钻进过程中因钻进荷载而导致偏斜。
如上所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，作为优选方案，所述步骤S3中多级缩孔具体为通过第一级扰动层后，利用多级缩孔的方式对下一阶段进行小直径钻孔，依次通过各级扰动层。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明针对涌水溃砂地层的地面预注浆成孔方法能够较好地避免因地层漏失而导致的埋钻和泥浆漏失的现象，同时本发明针对涌水溃砂层也有较好的适应性。本发明中对地层进行重新划分为三种地层，每种地层的注浆合格标准也不相同，从而能够更为准确地根据地层本身的地质属性来针对性的注浆。此外钻孔后进行护壁时采用套管环套+多级缩孔的方式，从而可以更为及时有效的保护易扰动含水层的钻孔，便于后续进行注浆。本发明确保了煤矿立井井筒治理修复的正常进行，提高施工作业效率，降低了施工作业成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例的上台阶与下台阶位置关系示意图；
图2为本发明实施例的注浆成孔示意图。
图中：1、上台阶；2、下台阶；3、注浆套管A；注浆套管B；4、注浆套管C；5、注浆套管D；6、注浆套管E。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1和图2所示，本发明提供一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，地面注浆成孔方法包括以下步骤：
步骤S1，将地层划分为三段，三段地层分别为常规段、地层交替段、涌水溃砂段，其中步骤S1还包括步骤S101，注浆前对地层土体参数进行分析，土体参数包括土体的弹性模量、强度以及完整度，然后建立立井井筒治理修复地面钻孔注浆效果检测标准，检测标准具体为：
深度小于600m的井筒，漏水量不超过6m3/h；
深度大于600m的井筒，漏水量不超过10m3/h；
优选地，步骤S1中划分地层时的根据是地质勘探报告以及地质属性，地质属性包括含水砂层、松散黏土层。
再优选地，立井井筒的出水点的漏水量不超过0.5m3/h。
步骤S2，对钻塔进行水平度校正及浇注水泥台，安装钻机并校准钻机的水平度和垂直度，步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S201，对钻塔的水平度进行校正，在钻塔的四角处浇注水泥台，并对水泥台的水平度进行校正，确保水泥台处于水平状态，并在水泥台上铺设基台木。
步骤S202，安装钻机，并校准钻机的水平度和垂直度。
优选地，对水泥台的水平度进行校正时采用水准仪进行校正；
再优选地，钻塔的水平度控制在±1％，钻机的水平度和垂直度校准的控制值为1％。
步骤S201中的基台木为径向横纹木块，且基台木的密度误差不超过20％，尺寸误差不超过5％。
如图1所示，水泥台包括两个台阶承台装置，两个承台装置分别为上台阶1和下台阶2，水泥台用于防止钻机钻进过程中因钻进荷载而导致偏斜。其中上台阶1尺寸为40m×40m×30m，下台阶2的尺寸为50m×50m×50m，下台阶2的尺寸大于上台阶1的尺寸，从而使得底座更为稳定，上台阶1与下台阶2的材料均用C30混凝土进行浇注。
步骤S3，对钻具进行改进，采用多级套管组成的宝塔式钻具进行组合钻孔，并采用套管环套+多级缩孔的方式进行钻孔和护孔，步骤S3中的宝塔式钻具包括钻头和多级套管，钻头为由不同尺寸的圆钻铤组成的满眼防斜钻头，多级套管为具有多级尺寸的套管连接而成；多级缩孔具体为通过第一级扰动层后，利用多级缩孔的方式对下一阶段进行小直径钻孔，依次通过各级扰动层。其中塔式钻具为利用不同尺寸的圆钻铤组成的满眼防斜钻具，这种钻具下部采用较大尺寸的钻铤，由下而上其尺寸逐渐减小。本发明中的多级宝塔式钻具包括三级套管，第一级钻孔孔径为244.5mm，第二级钻孔孔径为177.8mm，第三级钻孔孔径为139.7mm。
如图2所示，套管环套的方式为利用相邻两级套管的重叠环套对易扰动松散环水层及时进行保护，防止含水层塌落。本实施例中在进行套管护壁时，当钻孔后护壁时采用注浆套管A3、注浆套管B4、注浆套管C4、注浆套管D5和注浆套管E6进行保护钻孔的内壁，注浆套管A3与注浆套管B4、注浆套管B4与注浆套管C4、注浆套管C4与注浆套管D5、注浆套管D5与注浆套管E6之间设置重叠部分，从而可以更好地避免含水层塌落，对易扰动松散含水层的钻孔及时进行保护。
步骤S4，对步骤S1中的三段地层逐层进行钻进，形成钻孔，步骤S4中针对常规地层的钻进方法为：
步骤S401，采用一级钻具，用钻铤加压的方式进行钻进，步骤S401中，钻进过程中钻进每次50m时进行测孔一次，从而保证钻孔的垂直度。
步骤S402中采用轻压吊打的钻进方式的位置为地层界面及软硬互层界面上下5m范围内，且上下撸孔的钻进距离为1.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期阻力的30％，水泥浆液的流量为35L/min。在地层界面及及软硬互层界面上下5m范围内，采用轻压吊打的钻进方式进行，每钻进1.5m，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期的30％时再进行钻进，并增大泥浆稠度、观察泥浆流量，水泥浆液的流量为35L/min，待通过地层界面及软硬互层界面后，立即安放套管。
步骤S403中采用轻压慢转的方式进行钻进的位置为距涌水溃砂层7～9m(如7m、7.1m、7.2m、7.3m、8m、8.5m、8.9m、9m)处，且上下撸孔的钻进距离为0.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期阻力的20％。当距涌水溃砂层约8m时，采用轻压慢转的方式进行钻进，每钻进0.5m，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期阻力的20％时安装套管，再进行钻进，撸孔后待通过涌水溃砂层后，进行该钻孔测斜，更换下一级钻具进行钻进，利用重叠套管护孔，以降低易扰动松散含水层反复钻捣的几率。本发明中的轻压是指钻压相对较小，保持吊打，防止立井出现偏斜，一般是在容易发生井斜的井段采用。轻压慢转是指钻进的方式为开始以0.4～0.6m(如0.4m、0.42m、0.43m、0.48m、0.5m、0.55m、0.58m、0.6m)冲程低垂密击，直至孔深达护筒下3～4m(如3m、3.1m、3.2m、3.3m、3.5m、3.6m、3.9m、4.m)后，加大冲程至1.0～1.5m(如1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m)转入正常连续冲击。其中护筒的钢板厚度为8mm、内径比设计桩径大100mm，并且护筒上部开设两个溢流孔。
步骤S4中针对地层交替段的钻进方法为：
步骤S402，在地层界面及软硬互层界面范围内，采用轻压吊打的钻进方式进行，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期的时再进行钻进，并增大泥浆稠度、检测泥浆流量；待通过地层界面及软硬互层界面后，立即安放套管。在注浆中，一般所用浆液是由稀到浓，按照大、中、小进浆量，及时调整浆液浓度和两种浆液配合体积比。
步骤S4中针对涌水溃砂的钻进方法为：
步骤S403，当遇涌水溃砂层时，采用轻压慢转的方式进行钻进，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期时安装套管，再进行钻进，撸孔后待通过涌水溃砂层后，进行钻孔测斜，更换下一级钻具进行钻进，利用重叠套管护孔，以降低易扰动松散含水层反复钻捣的几率。
步骤S4钻进过程中配制泥浆注浆成孔，且在钻机施工过程中，泥浆液面式中不低于套管底部，用于保证钻孔孔壁的稳定性；
优选地，配制泥浆的相对密度为1.2～1.3(如1.21、1.22、1.23、1.24、1.25、1.28、1.29、1.3)。注浆采用超细水泥浆，水泥浆的水灰比控制在0.65：1，注浆时采用液压注浆泵进行，液压注浆泵的型号为ZBYSB100/20-18.5。
步骤S5，观测步骤S4中形成的钻孔的裂隙情况和胶结特性，并对钻孔进行清孔，步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S501，对注浆后钻孔的裂隙情况以及胶结特性进行检测；
步骤S502，检测完成后，对钻孔进行清孔；
优选地，步骤S501中进行检测时采用钻孔电视进行检测，并按照注浆钻孔与检测钻孔10：1的比例进行选孔；
再优选地，步骤S502中进行清孔时采用的泥浆的相对密度为1.0～1.05(如1.0、1.01、1.02、1.03、1.04、4.05)，并使钻孔底部的泥浆密度控制在1.05～1.10(如1.05、1.06、1.07、1.08、1.09、1.10)。水泥-水玻璃双液浆具有凝结时间可控制在几秒至几十分钟内，结石率高(接近100％)，早期强度增长快。
综上所述，本发明针对涌水溃砂地层的地面预注浆成孔方法能够较好地避免因地层漏失而导致的埋钻和泥浆漏失的现象，同时本发明针对涌水溃砂层也有较好的适应性。本发明中对地层进行重新划分为三种地层，每种地层的注浆合格标准也不相同，从而能够更为准确地根据地层本身的地质属性来针对性的注浆。此外钻孔后进行护壁时采用套管环套+多级缩孔的方式，从而可以更为及时有效的保护易扰动含水层的钻孔，便于后续进行注浆。本发明确保了煤矿立井井筒治理修复的正常进行，提高施工作业效率，降低施工作业成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述地面注浆成孔方法包括以下步骤：
步骤S1，将地层划分为三段，三段地层分别为常规段、地层交替段、涌水溃砂段；
步骤S2，对钻塔进行水平度校正及浇注水泥台，安装钻机并校准钻机的水平度和垂直度；
步骤S3，对钻具进行改进，采用多级套管组成的宝塔式钻具进行组合钻孔，并采用套管环套+多级缩孔的方式进行钻孔和护孔；
步骤S4，对步骤S1中的三段地层逐层进行钻进，形成钻孔；
步骤S5，检测步骤S4中形成的钻孔的裂隙情况和胶结特性，并对钻孔进行清孔。
2.如权利要求1所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤S101，注浆前对地层土体参数进行分析，然后建立立井井筒治理修复地面钻孔注浆效果检测标准为：
深度小于600m的井筒，漏水量不超过6m3/h；
深度大于600m的井筒，漏水量不超过10m3/h；
优选地，所述步骤S1中划分地层时的根据是地质勘探报告以及地质属性；
再优选地，所述立井井筒的出水点的漏水量不超过0.5m3/h。
3.如权利要求1所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S201，对钻塔的水平度进行校正，在钻塔的四角处浇注水泥台，并对水泥台的水平度进行校正，确保水泥台处于水平状态，并在水泥台上铺设基台木；
步骤S202，安装钻机，并校准钻机的水平度和垂直度；
优选地，对水泥台的水平度进行校正时采用水准仪进行校正；
再优选地，所述钻塔的水平度控制在±1％，钻机的水平度和垂直度校准的控制值为1％。
4.如权利要求1所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S3中的宝塔式钻具包括钻头和多级套管，所述钻头为由不同尺寸的圆钻铤组成的满眼防斜钻头，所述多级套管为具有多级尺寸的套管连接而成；
所述多级套管环套的方式为利用相邻两级套管的重叠环套对易扰动松散环水层及时进行保护，防止含水层塌落。
5.如权利要求1所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S4中针对常规地层的钻进方法为：
步骤S401，采用一级钻具，用钻铤加压的方式进行钻进；
所述步骤S4中针对地层交替段的钻进方法为：
步骤S402，在地层界面及软硬互层界面范围内，采用轻压吊打的钻进方式进行，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期阻力时再进行钻进，并增大泥浆稠度、观察泥浆流量；待通过地层界面及软硬互层界面后，立即安放套管；
所述步骤S4中针对涌水溃砂的钻进方法为：
步骤S403，当遇涌水溃砂层时，采用轻压慢转的方式进行钻进，对钻孔进行上下撸孔，直至钻具上下阻力小于初期阻力时安装套管，再进行钻进，撸孔后待通过涌水溃砂层后，进行钻孔测斜，更换下一级钻具进行钻进，利用重叠套管护孔，以降低易扰动松散含水层反复钻捣的几率。
6.如权利要求5所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S4钻进过程中配制泥浆注浆成孔，且在钻机施工过程中，泥浆液面始终不低于套管底部，用于保证钻孔孔壁的稳定性；
优选地，配制泥浆的相对密度为1.2～1.3。
7.如权利要求4所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S501，对注浆后钻孔的裂隙情况以及胶结特性进行检测；
步骤S502，检测完成后，对钻孔进行清孔；
优选地，步骤S501中进行检测时采用钻孔电视进行检测，并按照注浆钻孔与观测钻孔10：1的比例进行选孔；
再优选地，步骤S502中进行清孔时采用的泥浆的相对密度为1.0～1.05，并使钻孔底部的泥浆密度控制在1.05～1.10。
8.如权利要求5所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S401中，钻进过程中每次钻进50m时进行测孔一次，从而保证钻孔的垂直度；
所述步骤S402中采用轻压吊打的钻进方式的位置为地层界面及软硬互层界面上下5m范围内，且上下撸孔的钻进距离为1.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期阻力的30％，水泥浆液的流量为35L/min；
所述步骤S403中采用轻压慢转的方式进行钻进的位置为距涌水溃砂层7～9m处，且上下撸孔的钻进距离为0.5m，上下撸孔后再进行钻进的钻具的上下阻力小于初期的20％。
9.如权利要求3所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S201中的基台木为径向横纹木块，且基台木的密度误差不超过20％，尺寸误差不超过5％；
所述水泥台包括两个台阶承台装置，两个承台装置分别为上台阶和下台阶，所述水泥台用于防止钻机钻进过程中因钻进荷载而导致偏斜。
10.如权利要求1所述涌水溃砂扰动深厚松散地层地面注浆成孔方法，其特征在于，所述步骤S3中多级缩孔具体为通过第一级扰动层后，利用多级缩孔的方式对下一阶段进行小直径钻孔，依次通过各级扰动层。
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