CN105134127A - 一种防坍塌注浆固结装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防坍塌注浆固结装置及其使用方法，防坍塌注浆固结装置，包括：外平钻杆；密封装置，所述密封装置在钻孔孔口处套在所述外平钻杆上，用以保证所述外平钻杆与钻孔孔口密封；双向肋翼喷射注浆钻头，所述双向肋翼喷射注浆与所述外平钻杆连接；所述注浆泵通过喷射肋翼钻头向坑道静压渗透喷射浆液，所述坑道钻机通过所述外平钻杆带动所述喷射肋翼钻头回转，通过喷射的浆液和所述肋翼的回转，切削消灭掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。

Description

一种防坍塌注浆固结装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种在松散软弱破碎地层钻孔内不提钻防坍塌注浆固结装置及其使用方法，属于矿山、交通、水利水电等隧道及地下工程钻探和围岩注浆加固领域。

背景技术

目前在矿山、隧道及地下工程施工中，经常遇到松散软弱破碎甚至富水的不良地质环境，经常出现围岩变形、坍塌甚至出现突水突泥的地质灾害。在对地质灾害治理中，须通过注浆钻孔对不良地质体进行注浆加固。但在注浆钻孔施工中，经常出现钻孔缩径，孔壁坍塌，孔内掉块等孔壁失稳现象，造成钻孔内的钻具被埋、被卡等钻孔事故。为防止出现因孔壁失稳造成的钻孔事故，除在钻进中采取预防措施外，还要专门对钻孔孔壁进行注浆加固。钻进中的预防措施是在软岩和易缩径地层内使用肋骨钻头，其目的是尽量增大钻孔孔径；调节冲洗液性能或采用注浆加固方式防止坍塌。钻进中一旦因为孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，处理措施是先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔外，然后采用套取，锥取的办法处理被埋或卡夹部位，等把钻头打捞出钻孔后再对钻孔进行注浆；注浆后在钻孔内再次下入钻具复钻，如此反复。其弊端是钻进和注浆不连续，工序衔接差，效率低，注浆时通过孔口管把浆液压入全孔段，对钻孔深部松散软弱破碎的局部注浆的针对性不强，注浆加固效果差；使用的水泥浆固结候凝时间较长，一般候凝时间72小时；结果造成在同一松软破碎孔段内反复注浆，反复钻进，浪费大量的时间和成本。对于治理突水突泥这种抢险工程极为不利。当上述问题出现在关键钻孔并造成关键孔报废时，会给整个治灾工程带来难以挽回的损失。

传统的钻头，存在下述缺点：

1.在松散破碎地层内钻进防塌的钻头使用方面，一般多选用三翼无芯钻头或PDC无芯钻头。在钻进过程中，钻头在坍塌掉块孔内只能向前推进和回转，而无法向后回拉；一旦在钻头以上钻杆与孔壁之间出现孔壁缩径或掉块，就会出现钻具被夹卡事故，因缺乏向上和侧部的切削刃，这类钻头难以消除钻头以上部位的孔壁缩径或坍塌掉块，难以顺利把钻具提出孔外。

2.传统钻头的水口都设置在钻头底部，难以通过喷射注浆浆液对孔壁进行固结，即使通过钻头体上的水口进行喷射注浆，浆液只能向钻头底部方向喷射，难以向侧部和上部喷射，喷射没有针对性且不均匀，对松散破碎围岩喷射加固效果较差。

3.由于速凝浆液的凝固时间短，操作工艺复杂，安全风险大，传统的钻具在使用时，一旦出现卡钻掉钻等事故，根本无法在浆液初凝时间以内完成事故的处理，导致速凝浆液凝固，将钻头和孔壁固结，造成更难解决的工程事故。因此注浆时无法使用速凝浆液，而选择候凝时间为72小时的浆液，这大大拖延了施工进度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种在松散软弱破碎地层钻孔内不提钻防坍塌注浆固结装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防坍塌注浆固结装置，包括：

外平钻杆；

密封装置，所述密封装置在钻孔孔口处套在所述外平钻杆上，用以保证所述外平钻杆与钻孔孔口密封；

双向肋翼喷射注浆钻头，所述双向肋翼喷射注浆与所述外平钻杆连接；

所述注浆泵通过喷射肋翼钻头向坑道静压渗透喷射浆液，所述坑道钻机通过所述外平钻杆带动所述喷射肋翼钻头回转，通过喷射的浆液和所述肋翼的回转，切削消灭掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。

使用防坍塌注浆固结装置，在施工过程中可以起到防掉钻的作用，能有效的控制钻机修复孔壁的作业时间，因而可以使用速凝浆液对钻孔注浆，大大节约了施工时间，降低时间成本。

用于钻孔静压渗透旋喷注浆的孔口密封装置，包括：

与孔口管连接的护管法兰；

设于孔口管内的内衬套及内衬套底托，所述内衬套的上端口设有内衬套法兰，下端连接内衬套底托，所述内衬套底托为圆盘状、中心设有用于所述外平钻杆通过的圆孔；

水封，所述水封置于所述内衬套内，用于封闭所述外平钻杆和所述内衬套之间间隙，所述水封上设有进水管和与进水管连接的高压阀门；

用于固定所述护管法兰和所述内衬套法兰的压盖法兰；

通过调节注入所述水封内的注水量，来控制孔口密封装置的密封与否及密封程度，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况。

孔口密封装置设置孔口管可以起到很好的密封钻孔孔口的作用，保证孔口密封装置的密闭效果。孔口密封装置便于拆卸，可以方便的满足清洗钻孔时的要求。

所述孔口密封装置可以通过调节所述水封的注水量，来控制孔口密封装置的密封与否及其密封程度，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况：水封未注清水时，可以满足孔口处留有空隙的要求，便于观察钻孔内是否注满浆液；水封注入清水后，可以达到孔口密封的效果，使注浆能够达到一定的压力。

内衬套、内衬套底托和内衬套法兰的巧妙设计，既可以解决水封的放置问题，又可以起到进一步的密封效果。

压盖法兰的设计，可以固定注水后膨胀的水封。同时可以限制水封膨胀方向，使之只能向钻杆方向膨胀。

所述双向肋翼喷射注浆钻头，包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下串动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。

在钻头体表面安设肋形的肋翼，钻头转动时可以带动所述肋翼回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。肋翼上设有硬质碎块，起到切削刃的作用，并对掉块进行挤压破坏和剪切破坏。

钻头体特有的形状，以及正向翼片、反向翼片和侧向翼片的设置，实现了钻头体回拉切削掉块的功能，解决了一般钻头只能向前推进、回转，而无法向后回拉；导致在钻进过程中，一旦在钻头体上部发生孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，只能先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔外，再单独打捞钻头这一技术难题。

所述双向肋翼喷射注浆钻头的后端通过单向阀与所述外平钻杆连接；所述双向肋翼喷射注浆钻头后端的内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型均相同。

设置单向阀可以保证浆液流动方向的单向性，避免钻孔内未凝固的浆液向钻杆内回流。内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型相同，有利于部件的顺利连接。

所述喷射孔分布于所述钻头体的前端、侧面、和后端。

在钻头体的前端、侧面和后端均设有喷射孔，解决了传统钻头只能向钻头底部方向喷射的技术问题，使浆液能够向侧部和上部喷射，喷射更加具备针对性，也更加均匀，大大改善了松散破碎围岩的喷射加固效果。同时配合反向翼片和侧向翼片的工作，有利于对钻孔坍塌段的全方位切削和修复。

所述肋翼为三个，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置；所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为135°；所述肋翼的厚度为20mm，侧面高度由钻孔孔径与所述钻头体直径之差确定。

所述肋翼为三个，上下两端为三角锥形，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置，符合力学原理，可以更好的实现回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内的作用。

所述肋翼上设有若干硬质合金碎块；各所述肋翼的侧缘至所述钻头体轴线的距离相等。

所述肋翼上设有硬质合金碎块，利用其高硬度的特点，可以进一步的达到对掉块挤压破碎和剪切破坏的作用，以实现对所述孔壁的修复。

一种防坍塌注浆固结装置的安装方法，包括以下步骤：

步骤1：自下而上依次连接喷射肋翼钻头，单向阀，和外平钻杆；

步骤2：安装密封装置，将所述密封装置套在所述外平钻杆外，固定于钻孔孔口处；

步骤3：外平钻杆穿过坑道钻机的卡盘后，依次与高压管路、注浆泵连接。

其中，步骤2中，所述安装密封装置包括：将连接为一体的内衬套托底、内衬套和内衬套法兰放入连接有护管法兰的孔口管内，将水封放入所述内衬套内，把压盖法兰通过紧固螺栓与所述内衬套法兰、和护管法兰连接；所述法兰之间放有密封胶垫；所述水封的进水口与高压阀门连接。

一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将连接有外平钻杆的双向肋翼喷射注浆钻头送入钻孔内一定深度，将所述密封装置套在所述外平钻杆外，固定于钻孔孔口处，外平钻杆穿过坑道钻机的卡盘后，依次与高压管路、注浆泵连接；

步骤2：向所述钻孔内注入稀水泥浆冲洗钻孔；当所述稀水泥浆注满所述钻孔时，开动钻机，使所述双向肋翼喷射注浆钻头回转，并改注速凝浆液，直至孔口密封装置和钻杆之间溢出速凝浆液；

步骤3：通过孔口密封装置对所述钻孔孔口进行密封，之后利用所述外平钻杆将回转的所述钻头送至修复段，当注浆压力达到设定值时停止速凝浆液的注浆，并继续保持所述防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头在修复段处反复上下串动回转，对所述修复段进行修复，直至修复过程达到设定要求；

步骤4：修复达到设定时间时，向钻孔外抽拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头离开需要注浆加固和钻孔修复的孔段，并解除孔口处密封装置的密闭；向钻孔内注入清水，直到孔口密封装置和外平钻杆之间溢出清水，且钻头在钻孔内回转自如后，钻机停止转动，并在孔口处卸开所述外平钻杆；

步骤5：卸掉孔口密封装置，将外平钻杆再次连接，通过注浆泵向钻孔内压入清水，当孔口返出清水后，开动钻机慢慢回转并上拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头上端的肋翼向钻孔外方向切削清除钻孔内凝固的速凝浆液，并逐根卸除外平钻杆，直到把双向肋翼喷射注浆钻头提出钻孔，操作步骤结束。

在孔口密封装置和钻杆溢出速凝浆液之后再封闭密封装置，可以确保钻孔内的稀水泥浆全部排出钻孔，使速凝浆液充满整个钻孔，并继续进行静压注浆，确保整个钻孔全段的注浆效果。

步骤3中关闭密封装置后继续注浆达到设定注浆压力，可以保持钻孔内形成静压，在静压状态下对孔壁进行旋喷，一方面对孔壁形成渗透注浆，有利于恢复其稳定性，另一方面使钻头回转搅拌相对顺畅，有力的保证了对孔壁的修复效果。修复环节完成，并解除密闭后，孔内呈开放而不是密闭状态，这时再通过注浆泵改注清水，清水可以从喷射口喷出，一方面可以达到清洗注浆管路、外平钻杆、钻头内眼和喷射口的作用，另一方面可以清洗钻头体以上钻杆周围的孔内空间，防止钻头和钻杆被浆液固结住。

其中，步骤2中，所述稀水泥浆的密度控制在1.2-1.4g/cm³；注浆泵泵量不超过100L/min；坑道钻机带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min；孔口密封装置与外平钻杆密闭后，要求在钻孔内注浆压力为1.5MPa时无泄漏；所述速凝浆液的初凝时间控制在20-25min；所述注浆泵的注浆压力的极限值为1.5MPa；注入速凝浆液的泵量不得超过40L/min；向钻孔内注入的所述速凝浆液的体积控制在钻孔内容积的1.5-2.0倍之间。

稀水泥浆的密度控制在这个区间，一方面不会像清水一样浸泡破坏孔壁，另一方面不会因为密度浆液稠堵塞孔壁围岩空隙，影响到后期速凝浆液的渗透扩散效果。

钻孔内浆液升压达到1.5MPa为密闭后的抗泄漏压力，可以保证注浆压力达到1.0MPa时密闭处不泄露，并具备一定的安全储备。

初凝时间控制在20-25min，该时间是保证从注浆到从钻孔内撤出钻头的安全时间。

向钻孔内注入的所述速凝浆液的体积控制在钻孔内容积的1.5-2.0倍之间，浆液控制在这个范围，一方面可满足固结孔壁使之稳定，固结后的钻孔不坍塌不掉快的要求；另一方面，注入量大于扩散量，会导致孔内迅速升压，超过密闭装置的最高密闭压力值，造成泄露，为旋喷注浆固结安全和效果不利。

步骤3中，所述注浆压力的设定值为1.0-1.2MPa；坑道钻机带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min；外平钻杆上下串动速度不超过10m/min。

注浆泵的注浆压力控制在1.0-1.2MPa，既能满足注浆浆液在孔壁松散破碎围岩空隙内的渗透，又不会因为注浆压力高于松散破碎围岩的极限强度，而对松散破碎围岩的稳定性产生破坏。

步骤4中，所述修复达到的设定时间，为速凝浆液达到速凝前3分钟；注入清水的泵量不低于100L/min；当清水从孔口处流出，且钻头在钻孔内回转自如时，钻机停止转动。

在速凝浆液还没初凝前一直修复，保证了充分的修复时间，可对孔壁进行充分修复。

本发明的有益效果为：

所述密封装置可以通过调节所述水封的注水量，来控制密封装置的密封与否，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况。

在钻头表面安设肋形的肋翼，钻头转动时可以带动所述肋翼回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。

密封装置设置孔口管可以起到很好的封固钻孔孔口的作用，保证密封装置的密闭效果。密封装置便于拆卸，可以方便的满足清洗钻孔时的要求。

设置护管法兰可以对孔口管起到良好的保护作用。

内衬套、内衬套托底和内衬套法兰的巧妙设计，既可以解决水封的放置问题，又可以起到进一步的密封效果。

所述内衬套托底、内衬套和内衬套法兰焊接为一整体，整体性好，密封效果好。

所述内衬套托底、内衬套和内衬套法兰丝扣连接，连接方式简单灵活，便于安装。

各法兰之间设有密封胶垫，可以确保密闭装置的密闭性，避免浆液外溢。

所述圆孔比所述外平钻杆的直径大4-6mm，所述内衬套法兰的内径与所述内衬套的内径相同，所述内衬套法兰的外径大于所述孔口管的外径；所述水封由弹性材料制成，呈圆环状，所述圆环的外径与所述内衬套的内径相同，所述圆环内径与所述内衬套托底的圆孔直径相同。这种设计在冲洗钻孔时能满足浆液外溢的要求，在高压注浆时，通过水封能满足高压密封的作用，构思巧妙。

水封设有高压阀门，可以满足注水压力的要求，确保密封装置的密封性。

设置单向阀可以保证浆液流动方向的单一性，避免因注浆压力过大导致的浆液回流问题。

本发明可以实现直接用防坍塌注浆固结装置在不良地层内钻进，遇到出现孔壁缩径，坍塌掉块时孔内事故时，无需提出钻具，直接通过防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头的回转，上下串动、切削、挤压和喷射注浆等工序的连续作业，实现不提钻一次性对失稳孔壁围岩注浆加固，并同时修整钻孔，做到了钻进和注浆的同步进行。使用速凝浆液代替水泥浆，大大缩短注浆后的候凝时间；注浆结束后还能利用钻头上端的反向翼片的切削扩充作用，通过回转和拉力，安全顺利把钻具提出钻孔，并对上部钻孔进行修整。

使用速凝浆液代替水泥浆，大大缩短注浆后的候凝时间；注浆结束后还能利用钻头上端的反向翼片的切削扩充作用，通过回转和拉力，安全顺利把钻具提出钻孔，并对上部钻孔进行修整。

所述肋翼为三个，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置，符合力学原理，可以更好的实现转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内的作用。

所述肋翼上设有硬质合金碎块，可以进一步的达到切屑掉块的作用，以实现对所述孔壁的修复。

当喷射肋翼钻头在钻孔内遇到钻孔孔壁缩径，坍塌掉块(下称失稳孔壁)时，利用双向防塌喷射肋翼钻头的肋翼的回转，可以切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内，通过肋翼的回转重新修整失稳孔壁，使之进入正常化的圆筒状钻孔形态。通过双向防塌喷射肋翼钻头在失稳孔壁段反复移动回转，可以修复孔壁，直到把孔壁修整好。

不停止回转双向防塌喷射肋翼钻头，同时使其在钻孔内上下串动，通过不停的回转和串动，可以使双向防塌喷射肋翼钻头的肋骨翼片切削和搅拌钻孔内的掉块或坍塌物，并把注入的速凝注浆浆液和掉块或坍塌物搅拌混合在一起，形成类似素混凝土的物质，并通过钻头肋骨翼片的回转把这些物质挤入到钻孔孔壁围岩内；注浆泵注浆压力控制在0.5～1.5MPa之间，可以利用注浆泵提供的注浆压力有效的使速凝注浆浆液渗入到松散破碎的钻孔孔壁围岩内，浆液凝固后起到加固松散破碎围岩的作用。

根据钻孔内容积计算注入的速凝注浆浆液的体积。一般注入的注浆浆液体积控制在钻孔内容积的1.3～2.0倍即可将孔壁围岩松散破碎程度也考虑在内，保证注浆效果。

观察到注浆泵压力迅速上升后，说明浆液充填已经达到饱满。停止注浆。随后通过注浆泵向高压管路、外平钻杆内注入其内眼总容积倍量的清水，冲洗管路内眼，防止注浆浆液堵塞高压管路和外平钻杆内眼。

要求整个过程不得停止回转和串动外平钻杆、单向阀和双向防塌喷射肋翼钻头等，直到注浆浆液在钻孔围岩内凝固。不停回转和串动上述装置的目的是防止注浆浆液在双向防塌喷射肋翼钻头、外平钻杆和单向阀活动范围内形成固结体而把其固结在钻孔内，并使双向防塌喷射肋翼钻头在钻孔内具有一定的活动空间，使钻孔内存留的注浆浆液固结体和外平钻杆、单向阀之间存有一定的环状间隙。

孔口流出清水后开动坑道钻机，坑道钻机卡盘带动外平钻杆回转，并把回转扭矩传递给双向防塌喷射肋翼钻头。同时可以利用坑道钻机卡盘给外平钻杆提供向外的拉力，拉力传递到双向防塌喷射肋翼钻头后，作为钻头上端肋翼切削钻孔内存留的注浆浆液固结体的压力，其原理就相当于反向复钻过程。直到钻孔内残留的注浆浆液固结体清除掉，并把双向防塌喷射肋翼钻头提出钻孔。

本发明可以通过不提钻防塌注浆固结系统及其安全操作工艺，可以较好实现在松散软弱破碎地层内的正常钻探和注浆加固孔壁围岩的双重目标。较好解决了以往出现孔壁失稳后的反复注浆，反复复钻而仍达不到满意效果的弊端。本发明还杜绝了因为钻孔孔壁失稳出现的钻孔事故。具有操作简单，安全可靠，效率高，效果好的特点。

附图说明

图1为A型防坍塌注浆固结装置安装结构示意图；

图2为A型防坍塌注浆固结装置工作原理示意图；

图3为注浆后向钻孔外方向钻进清除钻孔内已固结浆液工作原理图。

图4为A型孔口密封装置结构图；

图5为A型孔口密封装置装配结构图；

图6为A型双向肋翼喷射注浆钻头结构图；

图7为A型双向肋翼喷射注浆钻头B向视图；

图8为A型双向肋翼喷射注浆钻头A向视图；

图9为单向阀结构图；

图10为肋翼结构示意图；

图11为B型双向肋翼喷射注浆钻头及其辅助装置安装结构示意图；

图12为B型孔口密封装置装配结构示意图

图13为B型水封工作原理示意图；

图14为B型孔口密封装置连接局部放大结构图；

其中：1孔口密封装置，2孔口管，3钻孔，4外平钻杆，5单向阀，6双向肋翼喷射注浆钻头，7孔壁，8岩壁，9紧固螺栓，10拖套，11棉盘根线，12压件，13内丝扣螺眼，14肋翼，15钻头体，16内通眼，17喷射孔，18孔壁缩径坍塌掉块，19正向翼片，20反向翼片，21侧向翼片，22坑道钻机，23高压管路，24注浆泵；

31.B型孔口密封装置，32.B型孔口管，38第一密封胶垫，39压盖法兰，40第二密封胶垫，41内衬套法兰，42内衬套，43内衬套底托，44水封，45紧固螺栓，46高压阀门，47护管法兰。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步对本发明进行阐述，应该说明的是，下面的阐述仅是为了解释本发明，并不对本发明内容有所限制。

实施例一：

山东菏泽境内某煤矿属于水文地质条件极复杂矿井。该矿总回风上山巷道顶板出现集中和散状涌水，涌水面积大，总涌水量25m³/h左右，涌水水源为细砂岩(M5)，治理区域含水层正常水压3.5MPa。在施工对M5注浆堵水钻孔时，因浅部围岩松散破碎，钻孔孔壁坍塌严重，钻探事故频发；利用常规方法通过孔口管全孔注浆加固的办法难以奏效；注浆浆液使用水泥浆，水泥浆固结时间按照设计需72小时，候凝时间长，有时在注浆加固后的钻孔内复钻仍然出现坍塌掉块现象。严重影响了工程进度。后研究应用了防坍塌注浆固结装置，实现了一次性注浆封固成功。大大减少了事故率和封闭时间，效果显著。

其中，双向肋翼喷射注浆钻头6，其结构主要由与单向阀5配合连接的内丝扣螺眼13，肋翼14，钻头体15，内通眼16和喷射孔17等组成。

钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，肋翼包括设于钻头前端的正向翼片19、设于钻头后端的反向翼片20、和连接正向翼片19和反向翼片20的侧向翼片21，正向翼片19和反向翼片20与侧向翼片21的夹角均为钝角。

其中，肋翼与钻头体的连接方式既可以是固定连接，也可以是活动连接。常规的连接形式均在本发明的保护范围之内。

此处钻头的具体形状可以是如图1所示的前端为锥形体，也可以为如图10所示的钻头体前端有一水平端，只要满足包含正向翼片19、反向翼片20和侧向翼片21即可。

防塌注浆固结装置中的双向肋翼喷射注浆钻头6的制作工艺技术要求如下：钻头体15使用地质圆钢制作而成，钢号不低于DZ45。内通眼16直径为28mm，内丝扣螺眼13处加工成与外平钻杆4丝扣相同的内扣扣型，为右旋；肋翼14有三个，厚度为20mm，其侧缘高度视钻孔3孔径与钻头体直径之差确定。肋翼14在钻头体横截面上呈120度均布，与钻头体16焊接在一起，肋翼14上镶焊有硬质合金碎块；只要结合部位能满足一定强度，此处也可以用其他方式使硬质合金碎块固定在肋翼上。

要求三个肋翼外缘在同一个圆柱侧表面上，该圆柱轴心最好与钻头体15横截面圆轴心重合。

对于圆柱轴心与钻头体轴心稍有偏心，或肋翼外缘不在同一个圆柱面上的情况，只要能实现本功能，仍然在本发明的保护范围之内。

三个肋翼在钻头体15上下端面处均为三角形，组合后呈三角锥状。钻头体15上加工喷射孔17，喷射孔17直径为10mm，共9个。单向阀5扣型与外平钻杆4相同，下端为外扣，通过内丝扣螺眼13与钻头体15相连接，上端为内扣，与外平钻杆4相连接。外平钻杆，单向阀直径均为50mm。

此处钻头体的各部件的具体尺寸为最佳实施例，但保护范围并不仅限于此处所提及的具体数值。

此处肋翼的个数不限于3个，也可以是4个或其他个数。对于肋翼为4个的情况，肋翼14在钻头体横截面上呈90度均布。

正向翼片19和反向翼片20与侧向翼片21的夹角以135°为最佳，实际夹角可以为钝角范围内的任意度数。

一种防坍塌注浆固结装置，根据自下而上连接顺序，依次连接双向双向肋翼喷射注浆钻头6，单向阀5，外平钻杆4，孔口密封装置1，坑道钻机22、高压管路23及注浆泵24。

一种防坍塌注浆固结装置安装前提是钻孔3要安装孔口管2，孔口管2与岩壁8的封固质量要合格。其中，孔口密封装置1，其结构主要由拖套10，紧固螺栓9和棉盘根线11和压件12组成。拖套与孔口管2通过丝扣连接。外平钻杆穿过拖套后，在拖套内填入棉盘根线，安装压件，通过紧固螺栓把压件和拖套连接在一起，旋紧紧固螺栓，通过压件压紧棉盘根线。棉盘根线膨胀后封闭与外平钻杆之间的间隙。

一种防坍塌注浆固结装置，各部分连接操作步骤如下：

步骤1：自下而上依次连接双向肋翼喷射注浆钻头6，单向阀5和外平钻杆4；

步骤2：把上述连接好的双向肋翼喷射注浆钻头6，单向阀4和外平钻杆5放入钻孔3。放入钻孔3前外平钻杆4上头穿过孔口密封装置1，然后穿过坑道钻机22的液压卡盘并卡紧。

步骤3：安装孔口密封装置1。孔口密封装置1和孔口管2旋紧，依次在拖套10内填入棉盘根线11，安装压件12，连接紧固螺栓9(无需压紧，保留间隙)。

步骤4：通过坑道钻机22的液压卡盘夹持住外平钻杆4，慢慢把外平钻杆4下放到钻孔3内。

步骤5:逐根连接加长外平钻杆，利用坑道钻机22的液压卡盘通过外平钻杆把双向肋骨喷射注浆钻头送入孔内到需要注浆加固和钻孔修复的孔段的外端。

步骤6：连接外平钻杆4、高压管路23和注浆泵24。

一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：安装防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头辅助装置。

步骤2：开动注浆泵24，向钻孔3内泵入稀水泥浆，冲洗钻孔3；水泥浆从拖套10与外平钻杆4之间间隙流出。

步骤3：开动坑道钻机22，通过外平钻杆4带动双向肋翼喷射注浆钻头回转。

步骤4：把稀水泥浆换成速凝浆液，通过高压胶管、外平钻杆4、双向肋翼喷射注浆钻头喷射孔17向钻孔3内注入速凝浆液。

步骤5：等拖套10与外平钻杆4间隙流出速凝浆液后，旋紧紧固螺栓9，通过压件12压紧棉盘根线11，棉盘根线11膨胀密闭与外平钻杆4之间的间隙。

步骤6：继续注浆，此后注浆量为钻孔3容积的0.5-2.0倍后停泵。同时坑道钻机22继续带动双向肋翼喷射注浆钻头6回转，把外平钻杆4送入钻孔3，使双向肋翼喷射注浆钻头6慢慢穿过需要注浆加固和钻孔修复的孔段，利用钻头上的肋翼14切削孔壁缩径坍塌掉块18，或者把掉块重新挤到孔壁7内，修复失稳孔壁7；钻机液压卡盘卡紧外平钻杆4不得停止回转，并在此孔段使双向肋翼喷射注浆钻头反复上下串动。

步骤7：自开动注浆泵24吸浆后到速凝浆液开始初凝前3分钟，利用钻机液压卡盘慢慢回转并向钻孔3外抽出外平钻杆4，使双向肋翼喷射注浆钻头离开需要注浆加固和钻孔修复的孔段。离开后停止抽外平钻杆4，但须回转外平钻杆4；卸开紧固螺栓9，解除拖套10与外平钻杆4之间的密闭，通过注浆泵24加大泵量向钻孔3内压清水，直到孔口密封装置1和外平钻杆4之间返出清水为止。

步骤8：继续回转外平钻杆，同时不停止向钻孔3内压清水，直到外平钻杆4和双向肋翼喷射注浆钻头6在钻孔3内回转自如。

步骤9：停止注浆泵24，停止坑道钻机22液压卡盘带动外平钻杆4回转上下串动，在孔口处卸开外平钻杆4，卸掉孔口密封装置1。

步骤10：再次连接外平钻杆4，开动注浆泵24向钻孔3内压入清水，孔口返出清水后开动钻机慢慢回转并向外拉外平钻杆4，使双向肋翼喷射注浆钻头6上端的肋翼清除钻孔3内位于双向肋翼喷射注浆钻头6外侧的已经凝固的速凝浆液，并逐根卸除外平钻杆4，直到把双向肋翼喷射注浆钻头6提出钻孔3。

步骤11：分别卸除外平钻杆4，单向阀5和双向肋翼喷射注浆钻头。操作步骤结束。

其中安全操作技术要求如下：

步骤1中，连接前各种设备必须检修好，保证正常运转；外平钻杆之间，外平钻杆与单向阀之间，单向阀与肋翼钻头之间连接处必须使用丝扣油，并拧紧，不得出现丝扣处有泄露现象。

步骤2中，水泥浆的密度控制在1.2-1.4g/cm³，注浆泵泵量不超过100L/min。

步骤3中，坑道钻机22带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min；孔口密封装置1与外平钻杆密闭后，要求在钻孔3内注浆压力为1.5MPa时无泄漏。

步骤4中，速凝浆液的初凝时间控制在20min左右，注浆前必须做试验；注浆泵24的注浆压力的极限值控制在1.5MPa；注入速凝浆液的泵量不得超过40L/min；向钻孔3内注入的速凝浆液的体积控制在钻孔3内容积的1.5-2.0倍之间。

步骤5中，要求压件压紧后，棉盘根线与外平钻杆之间的密闭性在注浆压力1.5MPa时无泄漏。

步骤6中，坑道钻机22带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min。外平钻杆上下串动速度不超过10m/min。

步骤7中，注入清水的泵量不低于100L/min。

除步骤7中卸开紧固螺栓，解除拖套与外平钻杆之间的密闭时可以停止回转外平钻杆外，其它所有过程均不得停止回转外平钻杆，且钻杆不得出现反转，不得停止注入清水。

一种防坍塌注浆固结装置使用中必须注意的安全事项强调如下:

①外平钻杆4、单向阀5、双向肋翼喷射注浆钻头各部分连接必须紧固，不得出现连接处丝扣松动甚至脱扣现象；②单向阀不得反接；③不提钻双向肋翼喷射注浆钻头6在钻孔3内回转和串动时必须保证孔内有冲洗液(或速凝浆液)连续供应和正常流通；④整个操作过程尤其是注浆过程必须保证防塌注浆固结装置的连续回转和串动，中途不得停止；⑤孔口密封装置1和外平钻杆4之间间隙在不密封时满足外平钻杆4回转和串动活动自如，当需要密封时必须保证在钻孔3内注浆压力达到1.5MPa时不会出现泄漏；⑥整个操作过程中必须保证双向肋翼喷射注浆钻头6的右旋回转，防止出现左旋回转现象。⑦操作前，必须对注入的速凝注浆浆液的性能进行试验，准确掌握其初凝时间和固结强度，否则不得使用。⑧孔口密封装置1和外平钻杆之间的密封质量也要提前做好试验，保证操作中不出现泄漏事故。

实施例之二：

其中，如图11-14所示，B型孔口密封装置31采用以下结构：

包括：与B型孔口管32丝扣连接的护管法兰47；

设于B型孔口管32内的内衬套42及内衬套底托43，内衬套42的上端口设有内衬套法兰41，下端连接内衬套底托43，内衬套底托43为圆盘状、中心设有用于外平钻杆4通过的圆孔；置于内衬套42内的水封44，膨胀后用于封闭外平钻杆4和内衬套42之间间隙，水封44上设有进水管和与进水管连接的高压阀门46；

用于限制水封44注水后膨出的压盖法兰39；通过调节水封44的注水量，来控制孔口密封装置1的密封与否及密封程度，以适应钻孔3对不同密封要求的相应情况。

内衬套底托43、内衬套42和内衬套法兰41焊接为一整体。

此外，内衬套底托43、内衬套42和内衬套法兰之间也可以是丝扣连接。

护管法兰47和内衬套法兰41之间设有第二密封胶垫40，内衬套法兰41和压盖法兰39之间分别设有第一密封胶垫38。

护管法兰47、内衬套法兰41和压盖法兰39通过紧固螺栓45连接。

内衬套底托43圆孔直径比外平钻杆4的直径大4-6mm。

内衬套法兰41的内径与内衬套42的内径相同，内衬套法兰41的外径大于孔口管32的外径，与护管法兰47的外径相同。

水封44由弹性耐磨材料制成，呈圆环状，圆环的外径与内衬套42的内径相同，圆环内径与内衬套底托43的圆孔直径相同。

水封44进水阀门为高压阀门46，与进水口的直径相同，高压阀门46外接同直径水管。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种防坍塌注浆固结装置，其特征在于，包括：

外平钻杆；

密封装置，所述密封装置在钻孔孔口处套在所述外平钻杆上，用以保证所述外平钻杆与钻孔孔口密封；

双向肋翼喷射注浆钻头，所述双向肋翼喷射注浆与所述外平钻杆连接；

所述注浆泵通过喷射肋翼钻头向坑道静压渗透喷射浆液，所述坑道钻机通过所述外平钻杆带动所述喷射肋翼钻头回转，通过喷射的浆液和所述肋翼的回转，切削消灭掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。

2.根据权利要求1所述的一种防坍塌注浆固结装置，其特征在于：用于钻孔静压渗透旋喷注浆的孔口密封装置，包括：

与孔口管连接的护管法兰；

设于孔口管内的内衬套及内衬套底托，所述内衬套的上端口设有内衬套法兰，下端连接内衬套底托，所述内衬套底托为圆盘状、中心设有用于所述外平钻杆通过的圆孔；

水封，所述水封置于所述内衬套内，用于封闭所述外平钻杆和所述内衬套之间间隙，所述水封上设有进水管和与进水管连接的高压阀门；

用于固定所述护管法兰和所述内衬套法兰的压盖法兰；

通过调节注入所述水封内的注水量，来控制孔口密封装置的密封与否及密封程度，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况。

3.根据权利要求1所述的一种防坍塌注浆固结装置，其特征在于：所述双向肋翼喷射注浆钻头，包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下串动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。

4.一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将连接有外平钻杆的双向肋翼喷射注浆钻头送入钻孔内一定深度，将所述密封装置套在所述外平钻杆外，固定于钻孔孔口处，外平钻杆穿过坑道钻机的卡盘后，依次与高压管路、注浆泵连接；

步骤2：向所述钻孔内注入稀水泥浆冲洗钻孔；当所述稀水泥浆注满所述钻孔时，开动钻机，使所述双向肋翼喷射注浆钻头回转，并改注速凝浆液，直至孔口密封装置和钻杆之间溢出速凝浆液；

步骤3：通过孔口密封装置对所述钻孔孔口进行密封，之后利用所述外平钻杆将回转的所述钻头送至修复段，当注浆压力达到设定值时停止速凝浆液的注浆，并继续保持所述防坍塌双向肋翼喷射注浆钻头在修复段处反复上下串动回转，对所述修复段进行修复，直至修复过程达到设定要求；

步骤4：修复达到设定时间时，向钻孔外抽拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头离开需要注浆加固和钻孔修复的孔段，并解除孔口处密封装置的密闭；向钻孔内注入清水，直到孔口密封装置和外平钻杆之间溢出清水，且钻头在钻孔内回转自如后，钻机停止转动，并在孔口处卸开所述外平钻杆；

步骤5：卸掉孔口密封装置，将外平钻杆再次连接，通过注浆泵向钻孔内压入清水，当孔口返出清水后，开动钻机慢慢回转并上拉外平钻杆，使双向肋翼喷射注浆钻头上端的肋翼向钻孔外方向切削清除钻孔内凝固的速凝浆液，并逐根卸除外平钻杆，直到把双向肋翼喷射注浆钻头提出钻孔，操作步骤结束。

5.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述稀水泥浆的密度控制在1.2-1.4g/cm³。

6.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述注浆泵泵量不超过100L/min；坑道钻机带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min；孔口密封装置与外平钻杆密闭后，要求在钻孔内注浆压力为1.5MPa时无泄漏。

7.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述速凝浆液的初凝时间控制在20-25min；所述注浆泵的注浆压力的极限值为1.5MPa。

8.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤3中，所述注浆压力的设定值为1.0-1.2MPa；坑道钻机带动外平钻杆回转的转速不超过150r/min；外平钻杆上下串动速度不超过10m/min。

9.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤4中，所述修复达到的设定时间，为速凝浆液达到速凝前3分钟。

10.根据权利要求4所述的一种防坍塌注浆固结装置的使用方法，其特征在于：步骤4中，注入清水的泵量不低于100L/min；当清水从孔口处流出，且钻头在钻孔内回转自如时，钻机停止转动。