CN102134967B - 一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法。随着煤矿采深的不断延伸和开采范围的不断扩大，地应力随之增大，地质异常体也逐渐增多，水压逐渐升高，水文地质条件变得愈来愈复杂，突水威胁愈加严重。本发明通过在工作面煤层巷道内开拓钻场，在煤层中开孔,开孔方位指向煤层底板隔水层和含水层；钻孔采用回转钻进至煤层底板以下一定深度后提钻、扩孔，并安装一级封孔套管注浆封孔，待其凝固完毕后扫孔，然后一级套管固孔、二级套管固孔、定向钻孔施工，使钻孔按照设计轨迹沿预定加固层位延伸，最终形成钻孔。本发明根据对隔水、含水层的分析进行钻孔轨迹设计，确定钻孔加固半径，合理布置定向钻孔，实现区域工作面煤层底板的整体固结。
Description
技术领域
本发明属于采矿领域，具体涉及一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法。
背景技术
随着煤矿采深的不断延伸和开采范围的不断扩大，地应力随之增大，地质异常体也逐渐增多，水压逐渐升高，水文地质条件变得愈来愈复杂，突水威胁愈加严重。如果突水频繁，突水量大，给煤矿安全生产造成严重影响。
煤层底板含水层注浆防治水技术主要是探查煤层底板隔水、含水层薄弱地段，注浆加固底板含水层，封堵底板突水通道，补强底板含水层阻水和堵水性能，实现工作面不突水开采。
现有的煤层底板加固技术都采用普通的回转钻进，开孔倾角和方位角一定，成孔基本上都为直孔，钻孔轨迹不可控制，因此穿过含水层的距离较短，钻孔注浆段较短，致使钻孔注浆效果不好，钻孔利用率较低，施工成本较大，且当钻孔钻遇含水层时，不能计算钻孔轨迹坐标，无法确定含水层位的位置，严重影响钻孔注浆加固效果。专利申请号为200810050051.X，公开号为CN 101608552A的中国专利：煤层底板含水层加固并在加固过程中保护隔水层的方法，采用大倾角钻孔，夹角α为20°－90°，同时使注浆终孔压力控制在L8灰岩水压的2倍以下，最小程度的破坏隔水层，但是钻孔都为直孔，钻孔钻遇含水层孔段较短，如果要达到较好的底板加固效果，需钻进密集型钻孔，导致钻孔施工工程量大，施工成本高，同时加大了煤矿工作面采掘交替时间，严重影响煤矿生产进度。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种在煤矿区底板隔水、含水层进行定向钻孔的施工，实时控制钻孔轨迹，缩短钻孔钻遇隔水层有效孔段，增加钻孔轨迹钻遇含水层的有效孔段，提高隔水、含水层的有效加固厚度，补强阻水和堵水的性能的煤层底板注浆加固定向钻孔的钻具及其施工方法。水平定向钻进技术使用的钻具组合依次为：PDC钻头、单弯螺杆马达、随钻测量仪器、信号传输通缆钻杆和钻孔轨迹采集与处理系统。
为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案：
一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，通过以下步骤实现：
（1）、在工作面煤层的巷道内开拓钻场，在煤层中开孔,开孔方位指向煤层底板隔水层和底板含水层；钻孔采用回转钻进至煤层底板以下一定深度后提钻、扩孔，并安装一级封孔套管注浆封孔，待其凝固完毕后扫孔；
（2）、一级套管固孔：采用 PDC钻头回转钻进至煤层底板以下垂深为a，退钻；换一级套管用PDC扩孔钻头扩孔至孔底，下入一级套管，管内注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头透孔，透出一级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（3）、二级套管固孔：一级套管耐压试验合格后，采用二级套管用PDC扩孔钻头钻进成二级扩孔钻孔至一级套管以下垂深b位置，下入二级套管，管内或者管外注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头透孔，透出二级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（4）、定向钻孔施工：二级套管耐压试验合格后采用PDC钻头进行定向钻进，形成裸眼钻孔，钻进过程中每施工6米对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的地质资料，调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹沿预定加固层位延伸，最终形成剖面布置钻孔。
上述的步骤中当钻孔在钻遇隔水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹倾角加大，缩短钻孔钻遇隔水层有效孔段，避免破坏隔水层。
上述的步骤中当钻孔在钻遇含水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹沿含水层延伸，增加钻孔钻遇含水层有效孔段。
上述的步骤中的煤层底板以下垂深a≥7m。
上述的步骤中的一级套管以下垂深b≥3m。
上述的步骤中的一级套管的尺寸与一级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
上述的步骤中的二级套管的尺寸与二级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
上述施工方法中的钻具包括PDC钻头、单弯螺杆马达、随钻测量仪器、信号传输通缆钻杆、钻孔轨迹采集与处理单元，信号传输通缆钻杆和单弯螺杆马达通过随钻测量仪器连接，信号传输通缆钻杆的后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元连接。
上述的信号传输通缆钻杆的前端内设置连接单弯螺杆马达，单弯螺杆马达前端与PDC钻头连接，信号传输通缆钻杆的中部内设置随钻测量仪器，信号传输通缆钻杆后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用了定向钻进技术进行煤层底板隔水、含水层加固，根据对隔水、含水层的分析进行钻孔轨迹设计，确定钻孔加固半径，合理布置定向钻孔，实现区域工作面煤层底板的整体固结。
2、本发明是采用钻具进行定向钻进，钻进过程中每施工6米对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的实际地质资料，可调整钻孔钻进方向，使钻孔轨迹沿设计轨迹延伸。
3、本发明利用定向钻进技术能够调整钻进方向，故而能够探明工作面地质构造，为煤层底板加固提供更详实的地质资料。
4、本发明利用定向钻进技术能够调整钻进方向，在设备能力和地层允许的情况下，增加钻孔钻遇含水层的深度，使注浆范围扩大，注浆加固效果增强。
5、本发明所施工的注浆钻孔距离长，范围大，可实现区域工作面的超前加固，缩短工作面采掘接替的时间。
附图说明
图1为底板注浆加固钻孔剖面示意图；
图2为底板注浆加固钻孔施工结构图；
图3为钻孔施工钻具组合图。
图中标号及符号说明：1.巷道，2.煤层，3.底板隔水层，4.底板含水层，5.剖面布置钻孔，6. 一级扩孔钻孔，垂深为a， 7.一级套管， 8.二级扩孔钻孔，垂深为b， 9. 二级套管10.裸眼钻孔，11. PDC钻头，12. 单弯螺杆马达，13. 随钻测量仪器，14. 信号传输通缆钻杆，15. 钻孔轨迹采集与处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
对预加固地层的地质资料有了详细的了解后，根据隔水、含水层的埋深及工作面固结范围，进行钻孔设计，然后进行钻孔的施工，钻孔的施工步骤和结构如附图1、2所示，具体的施工步骤如下：
（1）、在工作面煤层2的巷道1内开拓钻场，在煤层2中开孔,开孔方位指向煤层底板隔水层3和底板含水层4；钻孔回转钻进至煤层底板以下一定深度后提钻、扩孔，并安装一级封孔套管注浆封孔，待其凝固完毕后扫孔；
（2）、一级套管固孔：采用 PDC钻头11回转钻进至煤层底板以下垂深为a，退钻；换一级套管用PDC扩孔钻头扩孔6至孔底，下入一级套管7，管内注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头11透孔，透出一级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（3）、二级套管固孔：一级套管耐压试验合格后，采用二级套管用PDC扩孔钻头钻进成二级扩孔钻孔8至一级套管以下垂深b位置，下入二级套管9，管内或者管外注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头11透孔，透出二级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（4）、定向钻孔施工：二级套管耐压试验合格后钻具采用PDC钻头11进行定向钻进，形成裸眼钻孔10，钻进过程中每施工6米对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的地质资料，调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹沿预定加固层位延伸，最终形成剖面布置钻孔5。
上述的步骤中当钻孔在钻遇隔水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹倾角加大，缩短钻孔钻遇隔水层有效孔段，避免破坏隔水层。
上述的步骤中当钻孔在钻遇含水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹沿含水层延伸，增加钻孔钻遇含水层有效孔段。
上述的步骤中的煤层底板以下垂深a≥7m。
上述的步骤中b≥3m。
上述的步骤中的一级套管7的尺寸与一级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
上述的步骤中的二级套管9的尺寸与二级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
上述施工方法中的钻具包括PDC钻头11、单弯螺杆马达12、随钻测量仪器13、信号传输通缆钻杆14、钻孔轨迹采集与处理单元15。信号传输通缆钻杆14和单弯螺杆马达12通过随钻测量仪器13连接，信号传输通缆钻杆14的后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元15连接。
信号传输通缆钻杆14的前端内设置连接单弯螺杆马达12，单弯螺杆马达12前端与PDC钻头11连接，信号传输通缆钻杆14的中部内设置随钻测量仪器13，信号传输通缆钻杆14后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元15连接。
Claims (9)
1.一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：通过以下步骤实现：
（1）、在工作面煤层（2）的巷道（1）内开拓钻场，在煤层（2）中开孔，开孔方位指向煤层底板隔水层（3）和底板含水层（4）；钻孔采用回转钻进至煤层底板以下一定深度后提钻、扩孔，并安装一级封孔套管注浆封孔，待其凝固完毕后扫孔；
（2）、一级套管固孔：采用 PDC钻头（11）回转钻进至煤层底板以下垂深为a，退钻；换一级套管用PDC扩孔钻头扩孔（6）至孔底，下入一级套管（7），管内注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头（11）透孔，透出一级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（3）、二级套管固孔：一级套管耐压试验合格后，采用二级套管用PDC扩孔钻头钻进成二级扩孔钻孔（8）至一级套管以下垂深b位置，下入二级套管（9），管内或者管外注浆封固，待浆液凝固，然后用PDC钻头（11）透孔，透出二级套管0.5～1m后进行耐压试验；
（4）、定向钻孔施工：二级套管耐压试验合格后采用PDC钻头（11）进行定向钻进，形成裸眼钻孔（10），钻进过程中每施工6米对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的地质资料，调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹沿预定加固层位延伸，最终形成剖面布置钻孔（5）。
2.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中当钻孔在钻遇隔水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹倾角加大，缩短钻孔钻遇隔水层有效孔段，避免破坏隔水层。
3.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中当钻孔在钻遇含水层时，调整钻具的工具面向角，使钻孔轨迹沿含水层延伸，增加钻孔钻遇含水层有效孔段。
4.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中的煤层底板以下垂深a≥7m。
5.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中的一级套管以下垂深b≥3m。
6.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中的一级套管（7）的尺寸与一级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
7.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的步骤中的二级套管（9）的尺寸与二级套管用PDC扩孔钻头相匹配。
8.根据权利要求1所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述施工方法中的钻具包括PDC钻头（11）、单弯螺杆马达（12）、随钻测量仪器（13）、信号传输通缆钻杆（14）、钻孔轨迹采集与处理单元（15），信号传输通缆钻杆（14）和单弯螺杆马达（12）通过随钻测量仪器（13）连接, 信号传输通缆钻杆（14）的后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元（15）连接。
9.根据权利要求8所述的一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法，其特征在于：所述的信号传输通缆钻杆（14）的前端内设置连接单弯螺杆马达（12），单弯螺杆马达（12）前端与PDC钻头（11）连接，信号传输通缆钻杆（14）的中部内设置随钻测量仪器（13），信号传输通缆钻杆（14）后端通过通信缆路与钻孔轨迹采集与处理单元（15）连接。
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Owner name: CHINA COAL TECHNOLOGY + ENGINEERING GROUP XI AN RE Free format text: FORMER NAME: SIAN BRANCH OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 710075 Xi'an high tech Industrial Development Zone, Shaanxi, Jin Jin Road, No. 82 Patentee after: China Coal Technology & Engineering Group Xi'an Research Institute Address before: 710054 No. 52, Yanta Road, Xi'an, Shaanxi Patentee before: Sian Branch Of China Coal Research Institute |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: XI AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL TECHNOLOGY Free format text: FORMER NAME: CHINA COAL TECHNOLOGY + ENGINEERING GROUP XI AN RESEARCH INSTITUTE |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 710075 Xi'an high tech Industrial Development Zone, Shaanxi, Jin Jin Road, No. 82 Patentee after: Xi'an Research Institute, CCTEG Address before: 710075 Xi'an high tech Industrial Development Zone, Shaanxi, Jin Jin Road, No. 82 Patentee before: China Coal Technology & Engineering Group Xi'an Research Institute |