CN105134254B - 一种透巷道地面钻孔套管封固装置及其操作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透巷道地面钻孔套管封固装置及其操作工艺，包括：套管设置在巷道钻孔内，套管一侧敷设一路钻孔注浆细管，并同套管一同下入钻孔内；在巷道顶板套管和两侧孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ；在巷道顶板钻孔孔壁与套管之间的环状间隙内逐层捣入止浆材料；形成浆液固结体止浆层Ⅰ和浆液固结体止浆层Ⅱ，在浆液固结体止浆层Ⅱ的上面注入钻孔套管浆液封固体。本发明解决了因为巷道顶板处钻孔止浆失败造成钻孔内注入的浆液的流失，使套管周围没有封固材料固定套管，使套管因悬垂、晃动出现的套管断裂现象，以及因浆液流失造成套管暴露在空气或浸泡在水中出现严重的锈蚀现象，杜绝了因止浆失败出现的钻孔报废现象。

Description

一种透巷道地面钻孔套管封固装置及其操作工艺

技术领域

本发明涉及煤矿防治水、煤井基建工程钻孔施工领域，尤其涉及一种透巷道地面钻孔套管封固装置及其安全操作工艺。

背景技术

对于受地下水威胁严重的大水矿区，往往把对威胁煤层开采的高压含水层进行疏水降压作为治理水害的主要手段之一，需要施工一定数量的排水钻孔，通过钻孔内排水套管和井下巷道内与排水套管连接的排水系统，把井下水仓内储存的地下水排至地面，此时钻孔套管起到排水管的作用；有时为了满足井下工作面注浆改造的需要，要在地面施工一定数量的注浆钻孔，通过注浆钻孔内的套管把地面造浆站配制好的水泥浆或其它浆液输送到井下巷道的注浆管路中，经注浆钻孔把这些浆液注入到含水层内，达到注浆堵水的目的。此时钻孔套管起到输浆管的作用；当需要在井下新开拓的工作面增加供电能力时，有时为了减少成本，往往在工作面巷道正上方地面上施工透巷道电缆钻孔，把供电线缆通过钻孔套管输送到井下工作面。此时钻孔套管起到保护线缆的护壁管的作用。

对上述各类透巷道钻孔套管的封固，均因为在巷道顶部钻孔位置无法止浆或止浆失败，造成钻孔内孔壁和套管之间注入的浆液部分流失甚至全部流失进入到巷道内；或者孔内一旦有涌水现象时，钻孔内注入的浆液随涌水流失进入到巷道内，因为止浆失败造成钻孔涌水也难以被封堵。上述钻孔内注入的浆液的流失，使套管周围没有封固材料固定套管，会使套管出现悬垂、晃动且暴露在空气中，或钻孔内由涌水时套管浸泡在水中。套管因悬垂晃动会出现断裂，暴露在空气或浸泡在水中会出现严重的锈蚀现象，减少套管使用寿命。上述问题的出现，导致施工的钻孔难以正常工作甚至报废，严重影响煤矿正常生产甚至因地下水来不及排出而威胁煤矿安全。

为避免上述问题的出现，有的施工单位不敢施工透巷道钻孔，而是在地面施工钻孔到巷道同一标高的地层，然后开拓新的巷道寻找钻孔，不仅造成大量经济和时间的浪费，在开拓巷道时同样存在着安全问题。

发明内容

本发明目的就是为了解决上述问题，提出了一种透巷道地面钻孔套管封固装置及其操作工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种透巷道地面钻孔套管封固装置，包括：套管、钻孔注浆细管、注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ；

所述套管设置在巷道钻孔内，套管一侧敷设一路钻孔注浆细管，并同套管一同下入钻孔内，在巷道顶板套管和两侧孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ，两路注浆细管伸入到钻孔内的高度不同，注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ分别连接流量表和阀门，在巷道顶板钻孔孔壁与套管之间的环状间隙内逐层捣入止浆材料，依次通过注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ分别向钻孔内注入速凝浆液，形成浆液固结体止浆层Ⅰ和浆液固结体止浆层Ⅱ，在浆液固结体止浆层Ⅱ的上面注入钻孔套管浆液封固体。

所述注浆细管Ⅰ伸入到钻孔内的高度为2～3m，注浆细管Ⅱ伸入到钻孔内的高度为5～7m。

所述和注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ入到钻孔内的高度在巷道顶板岩石完整时取下限值，不完整时取上限值。

所述止浆材料包括编制袋和速凝剂；编织袋和速凝剂交替使用。

所述止浆材料进入钻孔间隙的高度与修整后的钻孔环状间隙深度相同。

所述注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ向钻孔内注入的液面高度均不超过注浆细管在钻孔内的高度。

一种透巷道地面钻孔套管封固装置的操作工艺，包括如下步骤：

(1)施工透巷道钻孔，在透巷道时，要求钻孔孔壁内无涌水或有少量涌水现象，孔壁无坍塌现象；

(2)修整巷道顶板钻孔孔壁，使修整后的钻孔孔壁与套管之间的环状间隙规整均匀；

(3)在巷道顶板套管和孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ，两路注浆细管伸入到钻孔内的高度不同；

(4)在巷道顶板修整后的环状间隙内逐层捣入止浆材料；

(5)上述止浆材料安装完毕后，进行止浆效果检查；

(6)止浆材料安装合格后，通过注浆细管Ⅰ向钻孔内注入速凝浆液，第一次注浆加固形成浆液固结体止浆层Ⅰ；

(7)通过注浆细管Ⅱ向钻孔内第二次注入速凝浆液，第二次注浆加固继续形成浆液固结体止浆层Ⅱ；

(8)上述工作完成后，在地面通过钻孔注浆细管向钻孔内注入水泥浆，水泥浆凝固后形成钻孔套管浆液封固体；水泥浆液在钻孔孔口返出后停止注浆，候凝；

(9)候凝结束后，在井下巷道内把出露于巷道的钻孔套管在设定高度割断，并焊接同规格的横向套管；

若是电缆孔，则在巷道内直接根据需要在设定高度割断出露部分的套管并连接电缆保护装置即可。

所述步骤(4)中，止浆材料由编制袋和速凝剂组成，编织袋和速凝剂交替使用；止浆材料进入钻孔间隙的高度与修整后的钻孔环状间隙深度相同。

所述步骤(5)中，止浆效果检查的具体方法为：

可通过注浆细管Ⅰ向钻孔内注入稀水泥浆，若止浆材料处有渗漏现象，重新对止浆材料进行安装，直到无渗漏为止；

当钻孔内有少量涌水现象时，不需通过注浆细管Ⅰ注入稀水泥浆，直接观察孔内涌水是否通过止浆材料处渗漏，如果无渗漏，则止浆合格，否则重新安装止浆材料。

所述步骤(6)和步骤(7)中，两次速凝浆液的注浆量根据注浆细管进入钻孔内的高度所控制的钻孔和套管之间的环状间隙与相应注浆管的容积之和确定；注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ向钻孔内注入的液面高度均不超过注浆细管在钻孔内的高度，每次注浆必须连续完成，中间不得停顿。

本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了因为巷道顶板处钻孔止浆失败造成钻孔内注入的浆液的流失，使套管周围没有封固材料固定套管，使套管因悬垂、晃动出现的套管断裂现象。

(2)本发明解决了因钻孔套管封固浆液流失掉使套管暴露在空气或浸泡在水中出现的严重锈蚀现象。

(3)避免了以往不敢施工透巷道钻孔，而是先施工钻孔，再开拓巷道寻找钻孔套管带来的经济和时间浪费，以及开拓新巷道带来的安全问题。

附图说明

图1为本发明透巷道地面钻孔套管封固装置结构示意图；

图2为第一次注浆形成孔内浆液固结体止浆层原理示意图；

图3为第二次注浆形成孔内浆液固结体止浆层原理示意图；

图4为通过钻孔注浆细管向钻孔内注浆对套管进行封固原理示意图；

图5为透巷道地面钻孔套管封固最终完成结构示意图。

其中，1钻孔孔壁，2钻孔注浆细管，3套管，4钻孔，5注浆细管Ⅰ,6止浆材料，7流量表Ⅰ,8阀门Ⅰ，9阀门Ⅱ，10流量表Ⅱ，11注浆细管Ⅱ，12浆液固结体止浆层Ⅰ，13浆液固结体止浆层Ⅱ，14钻孔套管浆液封固体，15修整后钻孔环状间隙。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1-图5所示，一种透巷道地面钻孔套管封固装置，包括：套管3、钻孔注浆细管2、注浆细管Ⅰ5和注浆细管Ⅱ11；

套管3设置在巷道钻孔4内，套管3一侧敷设一路钻孔注浆细管2，并同套管3一同下入钻孔4内，在巷道顶板套管3和两侧孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ5和注浆细管Ⅱ11，两路注浆细管伸入到钻孔4内的高度不同，注浆细管Ⅰ5和注浆细管Ⅱ11分别连接流量表Ⅰ7、阀门Ⅰ8和流量表Ⅱ10、阀门Ⅱ9，在巷道顶板钻孔孔壁1与套管3之间的环状间隙内逐层捣入止浆材料6，依次通过注浆细管Ⅰ5和注浆细管Ⅱ11分别向钻孔4内注入速凝浆液，形成浆液固结体止浆层Ⅰ12和浆液固结体止浆层Ⅱ13，在浆液固结体止浆层Ⅱ13的上面注入钻孔套管浆液封固体14。

上述透巷道地面钻孔套管封固装置的操作步骤如下：

1、首先是施工透巷道钻孔4，要求在透巷道时，钻孔孔壁1内无涌水或有少量涌水现象，孔壁无坍塌现象。孔内套管3座在巷道底板上。随钻孔套管3一侧敷设一路钻孔注浆细管2，并同套管3一同下入钻孔4内。钻孔注浆细管2底口位于钻孔4底部，其标高要高于注浆细管Ⅱ11的上口位置5m左右。

2、修整巷道顶板钻孔孔壁1，使修整后的钻孔孔壁1与套管3之间的环状间隙规整均匀，修整深度为0.3～0.5m。巷道顶板岩石完整时修整深度为0.3m，不完整时修整深度为0.5m。

3、下入注浆细管。在巷道顶板套管3和孔壁之间分别下入两路注浆细管，要求两路注浆细管伸入到钻孔4内的高度不同。注浆细管分别连接流量表和阀门。注浆细管直径由钻孔孔壁1及孔内套管3外径之间的间隙决定，必须保证注浆细管能顺利插入到钻孔4和套管3之间的环状间隙内。注浆细管Ⅰ5插入高度为2～3m左右，注浆细管Ⅱ11插入高度为5～7m左右。插入深度巷道顶板岩石完整时取下限值，不完整时取上限值。

4、安装止浆材料6。在巷道顶板修整后的环状间隙内逐层捣入止浆材料6。止浆材料6分别由编制袋和速凝剂组成。一层编织袋一层速凝剂交替使用。速凝剂选用煤矿锚杆支护用的锚固剂，锚固剂被湿润后捣入环状间隙。止浆材料6进入钻孔间隙的高度与修整后的钻孔环状间隙15深度相同。

5、止浆效果检查。上述止浆材料6安装完毕后，可通过注浆细管Ⅰ5向钻孔4内注入稀水泥浆，水泥浆密度控制在1.4g/cm³左右。若止浆材料6处有渗漏现象，要重新对止浆材料6进行安装，直到无渗漏为止。当钻孔4内有少量涌水现象时，也可以不通过注浆细管Ⅰ5注入稀水泥浆，直接观察孔内涌水是否通过止浆材料6处渗漏。无渗漏时方为止浆合格，否则重新安装止浆材料6。

6、第一次注浆加固形成浆液固结体止浆层Ⅰ12。止浆材料6安装合格后，通过注浆细管Ⅰ5向钻孔4内注入速凝浆液。本次注浆目的是利用注入的速凝浆液凝固后具有一定结石强度的特性，形成一定厚度的注浆浆液固结体止浆层，可以防止钻孔4内封固套管3的浆液的自重压力直接作用在止浆材料6上，破坏止浆材料6的止浆效果。本次注浆液面在钻孔4内的高度较小的原因也是防止该浆液自重压力破坏止浆材料6止浆效果。使用速凝浆液的目的是减少浆液的固结时间，提高施工效率。

7、第二次注浆加固继续形成浆液固结体止浆层Ⅱ13。通过注浆细管Ⅱ11向钻孔4内第二次注入速凝浆液。其作用与第一次注浆加固形成的浆液固结体止浆层Ⅰ12相同。两次注浆形成的一定高度的浆液固结体止浆层的固结强度可以抵抗整个钻孔套管3外封固的水泥浆的自重压力，并与止浆材料6共同形成止浆层。

8、上述两次注浆注浆量的计算和控制。两次速凝浆液的注浆量计算均须根据注浆细管进入钻孔4内的高度所控制的钻孔4和套管3之间的环状间隙和注浆管二者容积之和确定。要求注入的液面均不得超过每次注浆细管在钻孔4内的高度，每次注浆必须连续完成，中间不得停顿。实际注浆量可以通过注浆细管上的流量表控制，流量表显示达到计算注浆量时，停止注浆，关闭阀门，候凝。

9、浆液固结体止浆层速凝浆液的选材和技术参数。速凝浆液选用水泥-水玻璃浆液。水泥选用质量合格的P.O.42.5R；水玻璃模数2.4～3.0，浓度为38～42婆美度；注浆时混合浆液初凝时间控制在20min左右。注浆前要专门做水泥-水玻璃配比凝固试验，并取得满足上述初凝时间要求的配比参数，确定相关注浆安全操作工艺流程。必要时需加入一定量的缓凝剂(磷酸氢二钠)，以延长其初凝时间。

10、上述工作完成后，在地面通过钻孔注浆细管2向钻孔4内注入水泥浆，水泥浆凝固后形成钻孔套管浆液封固体14，水泥浆密度控制在1.7g/cm³左右。水泥浆液在钻孔4孔口返出后停止注浆，候凝。

11、候凝结束后，在井下巷道内把出露于巷道的钻孔套管3在一定高度割断，并焊接同规格的横向套管，横向套管将连接井下排水泵等设施。若是电缆孔，则在巷道内直接根据需要在一定高度割断出露部分的套管3并连接电缆保护装置即可。至此透巷道钻孔套管3封固操作工艺及实施步骤全部完成。

实施例一：

为解决井下奥陶系灰岩和徐家庄灰岩内涌水问题，查庄矿施工了两个透巷道排水钻孔4分别为查庄矿2004排1、查庄矿2004排2。钻孔4基本情况如下：钻孔4由地面施工，终孔深度位于8层巷道，深度为352m。钻孔4结构如下：一级孔径Φ550mm，深度70m，下入Φ450mm套管3，隔离第四系和表土层；二级孔径Φ360mm，深度穿透8层煤巷道，深度为352m，钻孔4内下入Φ273mm排水钢管作为孔内套管3。套管3直接在钻孔4内下到8层煤巷道内坐落在巷道底板粉砂岩上。钻孔4施工中分别对遇到的涌水地层进行了注浆封堵，钻孔4钻透巷道后没有出现孔内涌水现象。钻孔套管3的封固采用了本发明工艺，取得满意效果，经济效益和社会效益显著。

具体实施工艺技术及步骤如下：

1、在钻孔4内下入Φ273mm套管3时，一并随钻孔套管3一侧敷设一路钻孔注浆细管2，并同套管3一同下入钻孔4内。注浆细管采用DN20镀锌管，每根镀锌管之间焊接，要求焊接严密无泄漏。镀锌管电焊在套管3上，每隔5m点焊一次。下入到钻孔4内后其底口位于337m处，即距离巷道顶板10m。其标高高于注浆细管Ⅱ11的上口位置5m。

2、修整巷道顶板钻孔孔壁1，使修整后的钻孔孔壁1与套管3的环状间隙规整均匀。因巷道顶板岩石为灰岩，岩石完整，因此修整深度为0.3m。修正后直径为Φ400mm。

3、下入注浆细管。在巷道顶板套管3和孔壁之间分别下入两路注浆细管，要求两路注浆细管伸入到钻孔4内的高度不同。注浆细管分别连接流量表和阀门。注浆细管直径均为DN20，注浆细管Ⅰ5插入高度为2m，注浆细管Ⅱ11插入高度为5m。注浆细管插入钻孔4部分不得出现接头，巷道内部分均用管接头丝扣连接。

4、安装止浆材料6。在巷道顶板修整后的规则的环状间隙内逐层捣入止浆材料6。止浆材料6进入钻孔间隙的高度为0.3m。

5、止浆效果检查。

6、止浆材料6安装合格后，通过注浆细管Ⅰ5向钻孔4内注入速凝浆液。形成厚度为1.7m的注浆浆液固结体止浆层Ⅰ12。

7、通过注浆细管Ⅱ11向钻孔4内第二次注入速凝浆液。本次注浆形成了厚度为3m的浆液固结体止浆层Ⅱ13。两次注浆形成的浆液固结体止浆层总厚度为4.7m。

8、上述工作完成后，在地面通过钻孔注浆细管2向钻孔4内注入水泥浆，水泥浆凝固后形成钻孔套管浆液封固体14。水泥浆密度控制在1.7g/cm³左右。水泥浆液在钻孔4孔口返出后停止注浆，候凝。

9、候凝结束后，在井下巷道内把出露于巷道的钻孔套管3在一定高度割断，并焊接同规格的横向套管，横向套管将连接井下排水泵等设施。至此透巷道钻孔套管3封固操作工艺及实施步骤全部完成。

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 (4)

1.一种透巷道地面钻孔套管封固装置，其特征是，包括：套管、钻孔注浆细管、注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ；

所述套管设置在巷道钻孔内，套管一侧敷设一路钻孔注浆细管，并同套管一同下入钻孔内，在巷道顶板套管和两侧孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ，两路注浆细管伸入到钻孔内的高度不同，注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ分别连接流量表和阀门，在巷道顶板钻孔孔壁与套管之间的环状间隙内逐层捣入止浆材料，依次通过注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ分别向钻孔内注入速凝浆液，形成浆液固结体止浆层Ⅰ和浆液固结体止浆层Ⅱ，在浆液固结体止浆层Ⅱ的上面注入钻孔套管浆液封固体；

所述注浆细管Ⅰ伸入到钻孔内的高度为2～3m，注浆细管Ⅱ伸入到钻孔内的高度为5～7m；

所述注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ入到钻孔内的高度在巷道顶板岩石完整时取下限值，不完整时取上限值；

所述止浆材料包括编制袋和速凝剂；编织袋和速凝剂交替使用；

所述止浆材料进入钻孔间隙的高度与修整后的钻孔环状间隙深度相同；

所述注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ向钻孔内注入的液面高度均不超过注浆细管在钻孔内的高度。

2.一种如权利要求1所述的透巷道地面钻孔套管封固装置的操作工艺，其特征是，包括如下步骤：

(1)施工透巷道钻孔，在透巷道时，要求钻孔孔壁内无涌水或有少量涌水现象，孔壁无坍塌现象；

(2)修整巷道顶板钻孔孔壁，使修整后的钻孔孔壁与套管之间的环状间隙规整均匀；

(3)在巷道顶板套管和孔壁之间分别下入注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ，两路注浆细管伸入到钻孔内的高度不同；

(4)在巷道顶板修整后的环状间隙内逐层捣入止浆材料；

(5)上述止浆材料安装完毕后，进行止浆效果检查；

(6)止浆材料安装合格后，通过注浆细管Ⅰ向钻孔内注入速凝浆液，第一次注浆加固形成浆液固结体止浆层Ⅰ；

(7)通过注浆细管Ⅱ向钻孔内第二次注入速凝浆液，第二次注浆加固继续形成浆液固结体止浆层Ⅱ；

(8)上述工作完成后，在地面通过钻孔注浆细管向钻孔内注入水泥浆，水泥浆凝固后形成钻孔套管浆液封固体；水泥浆液在钻孔孔口返出后停止注浆，候凝；

(9)候凝结束后，在井下巷道内把出露于巷道的钻孔套管在设定高度割断，并焊接同规格的横向套管；

若是电缆孔，则在巷道内直接根据需要在设定高度割断出露部分的套管并连接电缆保护装置即可；

所述步骤(6)和步骤(7)中，两次速凝浆液的注浆量根据注浆细管进入钻孔内的高度所控制的钻孔和套管之间的环状间隙与相应注浆管的容积之和确定；注浆细管Ⅰ和注浆细管Ⅱ向钻孔内注入的液面高度均不超过注浆细管在钻孔内的高度，每次注浆必须连续完成，中间不得停顿。

3.如权利要求2所述的一种透巷道地面钻孔套管封固装置的操作工艺，其特征是，所述步骤(4)中，止浆材料由编制袋和速凝剂组成，编织袋和速凝剂交替使用；止浆材料进入钻孔间隙的高度与修整后的钻孔环状间隙深度相同。

4.如权利要求2所述的一种透巷道地面钻孔套管封固装置的操作工艺，其特征是，所述步骤(5)中，止浆效果检查的具体方法为：

可通过注浆细管Ⅰ向钻孔内注入稀水泥浆，若止浆材料处有渗漏现象，重新对止浆材料进行安装，直到无渗漏为止；

当钻孔内有少量涌水现象时，不需通过注浆细管Ⅰ注入稀水泥浆，直接观察孔内涌水是否通过止浆材料处渗漏，如果无渗漏，则止浆合格，否则重新安装止浆材料。