CN102926770B - 薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺，包括在探巷中施工第一钻孔、安装孔口管、注浆、施工第二钻孔、安装深孔注浆管、疏水、安装浅孔注浆管并依次进行浅孔注浆和深孔注浆。通过对松散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或包裹物，待工作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充当顶板，块状或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治涌水溃砂，并且采用一次性深孔注浆管代替了钻杆注浆，使钻机的工作效率翻了几倍，同时也避免了钻杆的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及采煤工艺，特别涉及一种薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层安全开采的井下疏水注浆工艺。
背景技术
在一些煤炭储量丰富的地方，例如中国的西北及内蒙地区，煤炭资源十分丰富，但好多地区水文地质结构复杂，地形起伏较大，地貌以砂盖的丘陵为主，大大小小的古冲沟与现有冲沟纵横交错，沟谷中地下水以下降泉的形式补给地表水，与大气降水形成了季节性和常年性河流，河水常年不断地对沟谷下基岩冲刷、侵蚀，使得大量煤层处在薄基岩、厚松散砂层富水区域的覆盖之下，给采煤造成了困难，由于煤层上方基岩薄、而基岩上方主要为富水的松散砂层，比如松散沙层，在开采时，导水裂隙带甚至垮落带可以导通地表，松散砂层流动性较强，可能在重力和水的作用下，沿开采造成的裂隙流入井下，造成溃水溃沙事故，甚至导致淹井等严重的后果。
为了保证薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层的开采安全，根据采煤的方式，采用了不同的处理方法。比如当采用房柱式开采时，降低此区域的回采率，回采率减小到30%左右，有时甚至不回采，这种方法虽然保证了回采的安全，却造成了资源的极大浪费；而对综合机械化开采的矿井，在二十世纪九十年代前，主要是此区域下煤层大部分作为保安煤柱留设，重新开设切眼，设备“搬家倒面”，这种方法不但造成资源的浪费，而且设备的搬迁费动辄千万以上，增加了采煤成本。
九十年代后期逐步采用提前治理再开采的方法，治理方法有以下几种：（1）地表抽水，地下排水；（2）地下排水，地面注浆；（3）地面抽水及注浆；（4）充填式开采。前三种方法都受到交通，地形地貌等自然条件、水电等施工条件以及社会人为因素的限制，附属工程量大，有时甚至超过主体工程，第四种方法成本则较高。均未能很好地解决薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层安全开采的问题。
另外，对富水区松散砂层进行注浆处理，也有注浆工艺采用钻杆作注浆管，孔口直接止浆进行注浆固结，缺点是：⑴、在疏放水阶段，采用钻杆疏水，疏放水效果差；⑵、在深孔注浆阶段，钻机必须配合注浆，每间隔一段时间，例如1小时左右就必须活动钻杆，以免钻杆与凝固的浆液及松散砂层抱死。即便这样，稍有不慎，还时常发生钻杆被抱死的事故，造成钻孔报废，钻杆损耗，且钻机工作效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于解决薄基岩厚松散砂层富水区域下煤层安全开采的问题，提供一种高效、低成本的薄基岩、厚松散砂层富水区域的井下疏水注浆工艺。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺，其特征在于，所述工艺包括：
a.在薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层中施工探巷，为井下注浆提供工作场所;
b.在井下探巷顶板上基岩中钻进，得到第一钻孔；
c.在步骤b钻出的第一钻孔中插入孔口管，注浆将所述孔口管固结在第一钻孔内；
d.对孔口管内凝固浆液透孔后继续钻进至设计深度，拔出钻进设备，得到第二钻孔；
e.在钻杆的空心内置入深孔注浆管，对第二钻孔重新钻至设计深度，将钻头及深孔注浆管留在第二钻孔内，拔出钻杆；
f.利用深孔注浆管对富水区的松散砂层进行疏放水；
g.在深孔注浆管与第二钻孔之间安装浅孔注浆管，并通过浅孔注浆管注入水泥浆液，以固结深孔注浆管；
h.浅孔注浆完成后，利用深孔注浆管对松散砂层进行深孔注浆。
作为本发明方法的优选方式，在步骤a中所述探巷与工作面斜交，夹角为15-30度，并且所述探巷长度的50%-80%处于富水区域下方。
作为本发明方法的优选方式，在步骤b中，根据钻孔的方位角、倾角，在探巷内辐射状布置钻孔，使钻孔的落点梅花型分布在待加固的富水区域，钻孔落点间距为6-10m；所述第一钻孔的钻进深度为6～10m。
作为本发明方法的优选方式，在步骤c中，所述孔口管的外径小于第一钻孔的孔径15-30mm，在注浆压力不小于1MPa时，关闭注浆阀门，静待10-15小时。
作为本发明方法的优选方式，在步骤d中，所述二开钻进所用钻头的直径小于孔口管内径20-40mm。
作为本发明方法的优选方式，在步骤d中，所使用的钻头为一次性钻头，所述深孔注浆管顶部为花管，所述花管长度大于松散砂层内钻孔长度2m～3m。
作为本发明方法的优选方式，在步骤g中，待浆液从深孔注浆管中流出时，关闭浅孔注浆阀门，注浆结束。
作为本发明方法的优选方式，在步骤h中所述深孔注浆过程中的浆液浓度逐步增大，所述深孔注浆在浅孔中的凝固体强度达到5MPa后进行，当深孔注浆压力大于5MPa，深孔对浆液的吸浆量小于30L/min，持续时间不小于30min时注浆结束。
作为本发明方法的优选方式，在步骤h中当相邻的钻孔存在串浆现象时，所述相邻的钻孔同时进行注浆。
由上述技术方案可见，本发明提供的井下疏水注浆工艺，通过对松散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或包裹物，待工作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充当顶板，块状或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治涌水溃砂。采用的一次性深孔注浆管代替了传统的钻杆注浆，使钻机的工作效率翻了几倍，同时也避免的钻杆的损耗。保证煤炭安全、高效开采，还能节约成本，提高回采率，保护资源，以适应现代绿色矿山发展趋势就显得尤为重要。
附图说明
图1为本发明中孔口管安装的一种实施方式的示意图；
图2本发明中深孔注浆管及浅孔注浆管安装的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
对于薄基岩、厚松散砂层富水区域，为了保证此区域下煤层的安全开采，拟对流动性较强的松散砂层进行注浆固结加固，使得松散砂层经过注浆固结为整体，增加顶板的厚度，而对于连通性不好松散砂层沙层使之固结为块体，减少工作面回采时顶板冒落带涌水溃砂量。具体的工艺如下：
第一步，进行探巷施工：在此区域下方的煤层中施工探巷，以便为井下注浆提供工作场所。优选地，探巷按以下原则布置：⑴、探巷与工作面的夹角在15-30度。⑵、使探巷长度的50%-80℅处于富水区域下方，以有利于减少钻探的工作量。优选地，在完成巷道支护、排水清淤、人员撤离通道的准备工作后开始施工探巷。
第二步，在探巷顶部的基岩内进行一开钻进（即第一次开钻）：在施工探巷时，为减小工程量并保证安全，应该在能够对拟加固的富水区域进行注浆的前提下，施工探巷，然后在探巷内，根据钻孔的方位角、倾角，辐射状布置钻孔，使钻孔的落点梅花型分布在拟加固的富水区域，钻孔落点间距宜为3m～10m,优选为6-10m。
在确定好钻孔位置后，使用大功率钻机在井下探巷顶板施工钻孔，得到第一钻孔，优选地，所述第一钻孔的钻进深度为6-10m。
第三步，安装孔口管：在第二步得到的第一钻孔中插入孔口管，并在连接注浆管后向孔口管内注浆，以固结孔口管。优选地，所述孔口管的外径比一开钻进得到的第一钻孔的孔径小15-30mm，以便浆液可以进入钻孔与孔口管之间，固结孔口管，为后续打孔注浆做准备。
图1示出了孔口管安装的一种实施方式，其中，在插入的孔口管5朝外的一端与第一钻孔之间的间隙塞入树脂卷6进行封闭，同时设置一排气管4以连通树脂卷6的两侧，以便在注浆时排出孔口管中以及孔口管与第一钻孔的间隙中的空气。孔口管5通过法兰盘3连接注浆管路1，使用注浆泵压入固管用水泥浆液，通过球阀2控制流量。在注浆压力不小于1MPa时，关闭注浆阀门，静待10-15h，保证浆液的凝固；为了确定注浆效果，还可以进行压水试验，注水压力不小于1MPa后，持续时间不小于10min，孔口及周围没有渗水，进行下一步。
第四步，进行二开钻进（即第二次开钻）：对孔口管内凝固浆液透孔后继续钻进至设计深度，停止钻进，拔出钻杆，得到第二钻孔。优选地，所述二开钻进所用钻头的直径小于孔口管内径20-40mm。
第五步，下入深孔注浆管：在钻杆的空心内插入深孔注浆管，对第二钻孔重新钻至设计深度时，将钻头及深孔注浆管留在第二钻孔内，拔出钻杆，此时钻杆可以使用大内径钻杆,比如内径比所述深孔注浆管的外径大10-20mm的钻杆；钻头可以使用一次性钻头。为节省成本，所述深孔注浆管为PVC管，作为一次性注浆管。所述深孔注浆管顶部为花管，花管长度优选大于松散砂层内钻孔长度2m～3m，从而可以在松散砂层及松散砂层下部的基岩及二者接触面处进行注浆。
在薄基岩厚松散砂层富水区域，所述第二钻孔在钻杆拔出后会被松散砂层填充，因此直接向第二钻孔内插入深孔注浆管根本不可行；而不进行二开钻进，直接通过第五步下入深孔注浆管也会由于一次性钻头的钻进进尺限制而难以进行。
图2本发明中深孔注浆管及浅孔注浆管安装的一种实施方式的示意图，其中，基岩上方为富水的松散沙层，一次性钻头8和一次性PVC深孔注浆管7保留在第二钻孔中，深孔注浆管7顶部为花管71，在孔口管5与深孔注浆管7之间还设有浅孔注浆管9。
第六步，钻孔疏放水：利用深孔注浆管顶部的花管对富水区的松散砂层进行疏放水。
第七步，浅孔注浆：在深孔注浆管与第二钻孔之间安装浅孔注浆管，并通过浅孔注浆管注入水泥浆液，从而固结深孔注浆管，为深孔注浆做准备。具体地，可以类似于第三步，接上同径压盖及连接注浆管路，用注浆泵压入水泥浆液，待浆液从深孔注浆管中流出，说明此时所注浆液已接近含水松散砂层，关闭浅孔注浆阀门，注浆结束。
第八步，进行深孔注浆：浅孔注浆完成后，利用深孔注浆管进行深孔注浆。注浆的机理：对孔隙较大的松散砂层进行固结，使之形成块状或整体，对连通性不好，孔隙较小的松散砂层，注浆机理为劈裂灌浆，利用劈开的裂缝使之形成不规矩的层状或网状包裹体，减少其流动性。优选地，所注浆液应该逐步增大，例如：开始注浆的水灰比为2:1，然后按1.5:1，1.2:1，1:1，0.8:1逐级加浓。为了使注浆更深入松散砂层，所述深孔注浆优选地应该在浅孔中的凝固体强度达到5MPa后进行，当深孔注浆压力大于5MPa，深孔对浆液的吸浆量小于30L/min，持续时间不小于30min时注浆结束。
此外，如果相邻的几个钻孔存在串浆现象时，这几个钻孔应同时注浆。
通过对松散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或包裹物，待工作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充当顶板，块状或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治涌水溃砂。
Claims (9)
1.一种薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺，其特征在于，所述工艺包括：
a.在薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层中施工探巷，为井下注浆提供工作场所；
b.在井下探巷顶板上基岩中钻进，得到第一钻孔；
c.在步骤b钻出的第一钻孔中插入孔口管，注浆将所述孔口管固结在第一钻孔内；
d.对孔口管内凝固浆液透孔后继续钻进至设计深度，拔出钻杆，得到第二钻孔；
e.在钻杆的空心内置入深孔注浆管，对第二钻孔重新钻至设计深度，将一次性钻头及深孔注浆管留在第二钻孔内，拔出钻杆；
f.利用深孔注浆管对富水区的松散砂层进行疏放水；
g.在深孔注浆管与第二钻孔之间安装浅孔注浆管，并通过浅孔注浆管注入水泥浆液，以固结深孔注浆管；
h.浅孔注浆完成后，利用深孔注浆管对松散砂层进行深孔注浆。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤a中所述探巷与工作面斜交，夹角为15～30度，并且所述探巷的长度的50％～80％处于富水区域下方。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤b中，根据钻孔的方位角、倾角，在探巷内辐射状布置钻孔，使钻孔的落点分布在待加固的富水区域，钻孔落点间距为6～10m；所述第一钻孔的钻进深度为6～10m。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤c中，所述孔口管的外径小于第一钻孔的孔径15～30mm，在注浆压力不小于1MPa时，关闭注浆阀门，静待10～15小时。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤d中，所用钻头的直径小于孔口管内径20～40mm。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤e中，所使用的钻头为一次性钻头，所述深孔注浆管顶部为花管，所述花管的长度比松散砂层内钻孔的长度大2m～3m。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤g中，待水泥浆液从深孔注浆管中流出时，关闭浅孔注浆阀门，浅孔注浆完成。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤h中所述深孔注浆过程中的浆液浓度逐步增大，所述深孔注浆在浅孔中的凝固体强度达到5MPa后进行，当深孔注浆压力大于5MPa，深孔对浆液的吸浆量小于30L/min，持续时间不小于30min时注浆结束。
9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤h中当相邻的钻孔存在串浆现象时，所述相邻的钻孔同时进行注浆。
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