CN103924945B - 煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺至少包含如下步骤：A)固管注浆；B)二次钻进；C)注浆芯管安装；D)高压注浆；由此，本发明于向注浆孔内下入较细的注浆芯管，注浆芯管与二级钻孔及孔口管之间形成空隙，且注浆芯管前段设置有固管止浆装置，充填入固管料，可行成较厚的固管层，且固管料不会进入止浆装置下的地层，保证了受注层位断面新鲜不受固管液污染；形成的固管层物理、化学、力学性质稳定，在空隙中连续性好且缺陷少，能够耐受较大的注浆压力，大大提高了施工效率，且注浆效率高、注浆成本低、注浆效果好，能够适应突水事故的快速堵水特点。

Description

煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺

技术领域

本发明涉及煤矿防治水技术领域，尤其涉及一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺。

背景技术

煤矿在巷道掘进与回采作业时，经常会面临各种灾害的爆发，而突水灾害正是其中的主要一种，容易发生突水的地质构造有很多种类型，其中一种地质构造是煤层上地层具有富水风化裂隙岩层，且富水风化裂隙岩层上还具有坚硬岩层和厚松散层，在巷道掘进与回采作业扰动所产生的裂隙在沟通该富水风化裂隙岩层与采空空间时，富水风化裂隙岩层中的水将容易被导入采空区中，从而引发发生突水灾害。

突水是最严重矿井灾害之一，在煤矿领域仅次于瓦斯灾害，一旦发生突水现象将会造成巨大的人员和财产损失。2007年至2008年，全国煤矿共发生70余起透水事故，死亡人数达300多人。其中，2008年发生25起透水事故，造成100余人死亡；2007年发生40余起透水事故，死亡达200人左右。

在现有的煤矿安全防护技术中，最常用的治理厚松散层和坚硬岩层下伏富水风化裂隙岩层突水灾害的手段是在地面通过钻孔向富水风化裂隙岩层带中注浆，从而在富水风化裂隙岩层中形成一条止水帷幕，以减少或阻止向采空区中继续涌水，同时由采空区向地面排水，清理掘进或回采工作面，从而实现复采。

常规的注浆方法是开孔一次性钻进至松散层下粘土中一定深度，然后下入比钻孔直径小30mm左右的孔口管，孔口管地面出露端设置法兰，孔口压力注浆，孔口管与孔壁间隙返浆固管，后缩小孔径继续钻进至目标层位以下岩层一定深度终止。在孔口管处利用法兰与地面输将管路连接，然后进行注浆，这种方法虽然施工速度快，是目前煤矿堵水最常用的方法之一。

但这种常规注浆方法中，如果采用不太高的注浆压力，浆液便会从周围松散层中或孔口管与孔壁间隙中冒浆，导致注浆失败。连续改变孔口管进入松散层下伏地层的长度，也无法避免冒浆现象的发生。经本发明的发明人进行长期的实践和分析，可以认为这种情况是由于孔口管与孔壁间的固管料厚度不足，且常存在固化不饱和区域或不连续区域导致的，而在高压注浆时，这些区域又容易被击穿，而使浆液通过松散层冒至地面，无法实现对风化裂隙岩层注浆，从而使注浆孔报废。

本发明的发明人认为良好的固管是实现向目标地层高压注浆的前提，尤其是在目标层上有较厚的松散层，松散层段固管是个较复杂和关键的问题，也是高压注浆容易击穿冒浆的薄弱环节。根据对该问题和现状的分析，应在厚松散层下坚硬岩体中形成良好的固管效果，给高压注浆形成第一道，也是最重要的屏障。本发明的方法就是在二次成孔后，下入较细的注浆芯管，注浆芯管前端自带固管止浆装置，可以保证目标层位不会被固管液封堵。利用较大的注浆芯管与注浆钻孔壁间隙形成较厚且饱满的固管层，固管效果较好，同时可保证目标层位段注浆管和地层不受注浆固管干扰，固管完成后可实现高压注浆，该种方法缩短了一个完整注浆孔钻探、固管和注浆全过程的时间，并提升了注浆成功率和效果。从而可为煤矿突水救援及恢复生产争取更多的时间，并降低堵水成本。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺，其工序简单，操作便利，能有效解决利用特殊注浆装置和工艺对厚松散层下伏风化裂隙岩体的快速高压注浆问题，达到了注浆压力高、单孔可注时间长、固管效果好、地面不冒浆、报废钻孔少等效果，从而实现由地面向地层中特定地层注浆形成止水帷幕。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺，至少包含如下步骤：

A)固管注浆：在注浆孔的孔位上进行第一次钻入，完成一级钻孔，然后进行孔口管的下管操作，所述孔口管的外径小于一级钻孔的直径，而长度大于所述一级钻孔的深度，后进行第一次压注，对一级钻孔和孔口管之间压注细固管料；

B)二次钻进：待固管注浆的细固管料凝固后，进行第二次钻进，完成二级钻孔，所述二级钻孔的孔径小于孔口管的内径，所述二级钻孔至少贯穿富水风化裂隙岩层；

C)注浆芯管安装：在二级钻孔内将下入注浆芯管，所述注浆芯管为中空且下端设有多个出浆孔，所述注浆芯管的外缘设有止浆装置，所述止浆装置设于富水风化裂隙岩层的上方，所述止浆装置的内缘固接于注浆芯管的外缘，外缘抵靠于所述二级钻孔的内壁，从而在富水风化裂隙岩层上方的注浆芯管和二级钻孔之间形成充填空间，所述充填空间填充固管料；

D)高压注浆：注浆芯管固管完成后，将地面输浆管连接至注浆芯管的上端，并通过高压泵进行高压注浆，浆液由注浆芯管下端的出浆孔高压射出，进入富水风化裂隙岩层。

其中：所述孔口管的外径比一级钻孔的直径小30mm，所述二级钻孔的孔径比孔口管的内径小30mm。

其中：所述注浆芯管的上端设有注浆芯管法兰，所述注浆芯管法兰上等距间隔设有多个注浆芯管法兰螺栓孔；所述地面输浆管的末端设有地面输浆管法兰，并通过连接螺栓和注浆芯管法兰进行固定连接。

其中：在步骤C)中，所述充填空间先填充粗固管料至一定高度后，再填充细固管料至地面高度。

其中：所述止浆装置包含上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板之间夹持有橡胶圈，所述橡胶圈的外缘大于所述二级钻孔的内径，从而紧紧的抵靠于二级钻孔的内壁。

通过上述结构可知，本发明的煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺实现了如下效果：第一是注浆目标层位明确，根据钻孔资料，可灵活设置注浆芯管带注浆孔段的长短和位置，能够较准确地对目标地层进行注浆，而不会对其它地层进行注浆；第二是经济效益好，利用该工艺进行固管和注浆，厚松散层和地表冒浆卸压的概率较低，一次注浆成功率较高，降低了钻孔的报废率，另外，只对单一地层注浆，避免了对全孔注浆造成的浆液浪费；第三是注浆效果好，利用该工艺可实现对目标地层高压注浆，单孔可注浆时间长，浆液有效扩散半径大，减少注浆钻孔的数量，可实现较短时间内形成止水帷幕，达到对突水的有效控制。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明一级钻孔成孔及固管的示意图；

图2显示了本发明二级钻孔的成孔图；

图3显示了本发明注浆芯管的安装图；

图4显示了本发明注浆芯管与二级钻孔壁间的充填图；

图5显示了本发明注浆芯管固管及地面管路和仪表连接图；

图6显示了本发明注浆芯管固管止浆装置的部分放大示意图。

附图标记：101：松散沙层；102：土层；103：上完整坚硬岩层；104：富水风化裂隙岩层；105：下完整坚硬岩层；11：一级钻孔；12：细固管料；13：二级钻孔；14：粗固管料；21：孔口管；22：孔口管法兰；23：孔口管螺栓孔；31：注浆芯管；32：注浆芯管法兰；33：注浆芯管法兰螺栓孔；34：上夹板；35：下夹板；36：橡胶圈；37：夹板螺栓；38：出浆孔；39：芯管连接螺纹；41：地面输浆管；42：地面输浆管法兰；43：连接螺栓；44：压力表。

具体实施方式

参见图1-5，显示了本发明的煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺。

所述煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺至少包含如下步骤：

A)固管注浆：在注浆孔的孔位上进行第一次钻入，钻入深度优选至松散层101下的粘土层102一定深度，从而完成一级钻孔11的工作，然后进行孔口管21的下管操作，所述孔口管21的外径小于一级钻孔11的直径，而长度大于所述一级钻孔11的深度，优选的是，所述孔口管21的外径比一级钻孔11的直径小30mm，所述孔口管21出露一级钻孔的地面端设有孔口管法兰22，所述孔口管法兰22上等距间隔设有多个孔口管螺栓孔23，然后再进行第一次压注，对一级钻孔11和孔口管21之间压注细固管料12，结束固管注浆；

B)二次钻进：待固管注浆的细固管料12凝固后，进行第二次钻进，钻入深度至目标层位，完成二级钻孔13的钻进，所述二级钻孔13的孔径小于孔口管21的内径，优选的是，所述二级钻孔13的孔径比孔口管21的内径小30mm，其中，所述二级钻孔13至少贯穿富水风化裂隙岩层104，可选的是，所述二级钻孔13还贯穿松散层101下的粘土层102、粘土层102和富水风化裂隙岩层104之间的上完整坚硬岩层103并钻入富水风化裂隙岩层104下的下完整坚硬岩层一定深度；

C)注浆芯管安装：在二级钻孔13内下入注浆芯管31，所述注浆芯管31为中空且可采用多节组装，如通过芯管连接螺纹39进行螺纹连接，所述注浆芯管31的上端可设有注浆芯管法兰32，下端设有多个出浆孔38，所述注浆芯管法兰32上等距间隔设有多个注浆芯管法兰螺栓孔33；所述注浆芯管31的外缘设有止浆装置，所述止浆装置可设于富水风化裂隙岩层104的上方，所述止浆装置的内缘固接于注浆芯管31的外缘，外缘抵靠于所述二级钻孔13的内壁，从而在富水风化裂隙岩层104上方的注浆芯管31和二级钻孔13之间形成充填空间，所述充填空间填充固管料，固管料由于止浆装置的存在而不会落入富水风化裂隙岩层104内，可选的是，先填充粗固管料14至一定高度后，再填充细固管料12至地面高度；

其中，所述止浆装置包含上夹板34和下夹板35，所述上夹板34和下夹板35之间夹持有橡胶圈36，所述橡胶圈36的外缘大于所述二级钻孔13的内径，从而紧紧的抵靠于二级钻孔13的内壁，有效避免固管料的落下，可选的是，所述橡胶圈36通过多个夹板螺栓37固定于所述上夹板34和下夹板35之间；

可选的是，所述多个出浆孔38位于所述止浆装置下方；

D)高压注浆：注浆芯管31固管完成后，将地面输浆管41连接至注浆芯管31的上端，并通过高压泵对目标地层进行高压注浆，浆液由注浆芯管31下端的出浆孔16高压射出，进入富水风化裂隙岩层104。

其中，所述地面输浆管41的末端设有地面输浆管法兰42，并通过连接螺栓43和注浆芯管法兰32进行固定连接，并在地面输浆管41的弯曲处安装压力表44。

本高压注浆方法的关键在于向注浆孔内下入较细的注浆芯管，注浆芯管与二级钻孔及以及孔口管之间形成空隙，且注浆芯管前段设置有固管止浆装置，充填入固管料，可行成较厚的固管层，且固管料不会进入止浆装置下的地层，保证了受注层位断面新鲜不受固管液污染。

通过该方法形成的固管层物理、化学、力学性质稳定，在空隙中连续性好且缺陷少，能够耐受较大的注浆压力，大大提高了施工效率，单孔在高的注浆压力下，可进行长时间的注浆，且浆液在目标地层中流动距离较长，减少了注浆孔的施工数量，缩短了工期，节约了成本。另外，利用该方法可实现仅对目标地层进行注浆，而不会向其他地层中注入浆液，较大程度减少了浆液的消耗。利用该方法使注浆成功率大大提高，很大程度上降低了注浆孔的报废率。综上所述该高压注浆方法，注浆效率、注浆成本低、注浆效果好，能够适应突水事故的快速堵水特点。

在陕北某大型煤矿的堵水项目中，利用常规的注浆工艺，几乎无法向含水裂隙地层中注入浆液，多是由后松散层冒浆至地面，导致注浆失败，以及注浆孔报废。后利用本发明的方法向含水裂隙地层中注浆，再没有发生地面冒浆的现象，钻孔利用率100％，且可长时间保持6MPa的高压注浆。注浆效果最好的钻孔注浆压力保持在高压注浆15天，注浆方量达到三千余方，单孔注入的水泥量达1500多吨。利用该方法较快地在含水裂隙地层中形成一道止水帷幕，将煤矿井下的出水量由原来的1000m³/h降低至300m³/h，为井下恢复作业创造了条件。

通过上述结构可知，本发明的煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺具有如下优点：

第一是注浆目标层位明确，根据钻孔资料，可灵活设置注浆芯管带注浆孔段的长短和位置，能够较准确地对目标地层进行注浆，而不会对其它地层进行注浆；

第二是经济效益好，利用该工艺进行固管和注浆，厚松散层和地表冒浆卸压的概率较低，一次注浆成功率较高，降低了钻孔的报废率，另外，只对单一地层注浆，避免了对全孔注浆造成的浆液浪费；

第三是注浆效果好，利用该工艺可实现对目标地层高压注浆，单孔可注浆时间长，浆液有效扩散半径大，减少注浆钻孔的数量，可实现较短时间内形成止水帷幕，达到对突水的有效控制。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (4)

1.一种煤矿用厚松散层下富水风化裂隙岩层的高压注浆工艺，至少包含如下步骤：

A)固管注浆：在注浆孔的孔位上进行第一次钻入，完成一级钻孔，然后进行孔口管的下管操作，所述孔口管的外径小于一级钻孔的直径，而长度大于所述一级钻孔的深度，后进行第一次压注，对一级钻孔和孔口管之间压注细固管料；

B)二次钻进：待固管注浆的细固管料凝固后，进行第二次钻进，完成二级钻孔，所述二级钻孔的孔径小于孔口管的内径，所述二级钻孔至少贯穿富水风化裂隙岩层；

C)注浆芯管安装：在二级钻孔内下入注浆芯管，所述注浆芯管为中空且下端设有多个出浆孔，所述注浆芯管的外缘设有止浆装置，所述止浆装置设于富水风化裂隙岩层的上方，所述止浆装置的内缘固接于注浆芯管的外缘，外缘抵靠于所述二级钻孔的内壁，从而在富水风化裂隙岩层上方的注浆芯管和二级钻孔之间形成充填空间，所述充填空间填充固管料，固管料由于止浆装置的存在而不会落入富水风化裂隙岩层内，所述充填空间先填充粗固管料至一定高度后，再填充细固管料至地面高度；

D)高压注浆：注浆芯管固管完成后，将地面输浆管连接至注浆芯管的上端，并通过高压泵进行高压注浆，浆液由注浆芯管下端的出浆孔高压射出，进入富水风化裂隙岩层。

2.如权利要求1所述的高压注浆工艺，其特征在于：所述孔口管的外径比一级钻孔的直径小30mm，所述二级钻孔的孔径比孔口管的内径小30mm。

3.如权利要求1所述的高压注浆工艺，其特征在于：所述注浆芯管的上端设有注浆芯管法兰，所述注浆芯管法兰上等距间隔设有多个注浆芯管法兰螺栓孔；所述地面输浆管的末端设有地面输浆管法兰，并通过连接螺栓和注浆芯管法兰进行固定连接。

4.如权利要求1所述的高压注浆工艺，其特征在于：所述止浆装置包含上夹板和下夹板，所述上夹板和下夹板之间夹持有橡胶圈，所述橡胶圈的外缘大于所述二级钻孔的内径，从而紧紧的抵靠于二级钻孔的内壁。