CN105134288A - 一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置及方法，适用于煤矿井下使用。透孔装置包括孔底固定装置、钢缆、储灰器及绞车；孔底固定装置内设置定滑轮，钢缆缠绕在定滑轮上；当注浆钻孔施工至终孔后，利用绞车将绕有钢缆的孔底固定装置下放至注浆钻孔底并固定，钢缆两端分别固定在注浆钻孔内套管及钻杆的顶部；当发生堵孔时，将钢缆两端从套管及钻杆内取出，并与地面的绞车相连，然后将储灰器固定在钢缆上，启动绞车，储灰器随钢缆进入沉淀的灰浆内，并储满沉淀灰浆，再利用绞车将储灰器提升至地面，其方法简单，透孔清灰效果好，实施费用低，可靠性高，提高注浆充填工程的沉陷控制效果，有效保护地面建筑物的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种透孔装置及方法，尤其是一种煤矿井下使用的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置及方法。
背景技术
近年来，采动覆岩隔离注浆充填（专利ZL201210164929.9）在建筑物下采煤中得到了广泛应用，该方法涉及从地表向煤层方向垂直施工多组钻孔，利用钻孔向采动离层空间高压注浆（粉煤灰浆体），从而控制上覆岩层变形、减少地表沉陷。专利ZL201210164928.4进一步公开了一种与采动覆岩分区隔离注浆充填相匹配的采煤速度控制方法，通过对注浆充填量和工作面推进速度的匹配控制，从而保证地表沉陷控制效果。保证注浆钻孔持续、稳定地对采动离层实施注浆充填，是实现注、采匹配的关键，因而对最终沉陷控制效果极为重要。然而，在工程实践中，因意外停电、注浆管路爆裂、浆体浓度过高等因素极易造成堵孔，导致注浆充填的中断、乃至失败，直接影响工作面生产、地表建筑物保护。目前的工程实践中，处理注浆钻孔堵孔事故的方法主要有高压注清水透孔或利用钻杆进行透孔。前者方法操作虽然简单，但透孔效果较差，往往不能完全将孔内堵塞物清理掉，导致无法继续实施注浆充填；后者在工程中使用相对较多，其具体过程是,先是将注浆钻杆提至地面，然后下放带有钻头的钻杆对堵孔段进行钻进以实现透孔，然而该方法工程量大、耗时、占用大量人力资源，更为严重的是，实践中注浆钻杆常常被下部沉淀的粉煤灰“抱死”，导致注浆钻杆需要用反丝钻杆进行上提，工作量极大、难度极高，且一旦处理不当，注浆钻杆将滞留在钻孔内，造成钻孔报废，导致整个工程失败。综上，形成一种方便、快捷、费用低、可靠的透孔装置及方法十分必要，它将更加可靠地保障注浆充填的连续性，以实现所需要的注采比，从而提高采动覆岩隔离注浆充填沉陷控制效果，更加安全有效的实现建筑物下采煤。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种结构简单，效率高，使用方便，可以有效透孔的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置及方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，它包括安装在注浆充填钻孔孔底的孔底固定装置和设置在注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表上的两座绞车，孔底固定装置与两座绞车之间设有钢缆；
所述孔底固定装置包括钢制圆柱形底座，底座顶部中间横向开有滑轮凹槽，滑轮凹槽内通过轴承设有定滑轮，定滑轮上设有钢缆线槽，底座顶部通过四周的四根螺栓设有圆柱形橡胶胶塞，胶塞中部开2个钢缆线孔，底座下方两侧反方向开有圆柱形两道顶杆槽，两道顶杆槽内分别横向设有弹簧顶杆，所述弹簧顶杆包括弹簧和与弹簧焊接的顶杆，顶杆槽出口处分别设有防止弹簧顶杆弹出顶杆槽的挡块，底座外部在顶杆槽出口处设有挤压弹簧顶杆使其压缩在顶杆槽内的环形钢片，环形钢片下方设有支架，所述支架高度大于顶杆槽出口距离底座底部的高度；
孔底固定装置中的定滑轮通过钢缆线槽缠绕有钢缆，钢缆的两端分别穿过胶塞预留的两个钢缆线孔延伸到注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表上设置的两座绞车中；
钢缆上设有多个开口向下的储灰器，所述储灰器为肚大口小的梭形钢质容器。
底座的直径小于注浆钻孔孔底直径20～30mm；钢缆的长度为注浆钻孔深度的3～4倍长；顶杆槽内的顶杆为实心圆柱体，并分为前后两部分，前半部分的柱体直径小于后半部分直径4～5mm，顶杆的顶部为椭圆形斜切面，斜切面朝下，倾角为45～60°；顶杆槽外口处的挡块为边长2mm方铁块，能够防止顶杆全部弹出顶杆槽；环形钢片的高度约8mm，内径大于钢质底座直径约3～5mm，环形钢片底部的支架的长度大于顶杆槽与底座底部的距离约30～40mm；储灰器的开口直径为8～12mm，中段直径18～26mm，底部直径为4～8mm；所述储灰器通过绳卡或铝扣固定在钢缆上；所述胶塞为实体柱状橡胶，直径小于钻孔6～10mm，能够自由下放至孔底即可。
一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置的透孔方法，其步骤如下：
a、在采煤工作面回采前，施工注浆钻孔至松散层以下60m，下放套管，并在套管顶部设置挂钩，然后继续向下施工至终孔后，利用变径扩孔钻头在注浆钻孔底进行扩孔，将注浆钻孔底部扩孔形成圆柱形凹槽，圆柱形凹槽的直径为150mm和高度为200mm；
b、利用设置在采煤工作面上的两座绞车将缠绕在钢缆上的孔底固定装置缓慢放入注浆钻孔，下放过程中，顶杆受环形钢片挤压缩入顶杆槽内，环形钢片底部的支架先接触孔底，随着底座靠近孔底，环形钢片向底座上方滑动，直至离开弹簧顶杆的出口，此时顶杆从顶杆槽中弹出，从而将孔底固定装置卡在注浆钻孔底部凹槽内，然后将钢缆的两端从两座绞车取下，一端固定在预先设置在注浆钻孔套管内壁顶部的挂钩上；
c、在注浆充填钻孔内下放注浆钻杆，并将钢缆的另一端从注浆钻杆内穿过，注浆钻杆下放完毕后，在注浆钻杆内壁顶部设置挂钩，并将钢缆固定在注浆钻杆内壁顶部的挂钩上，通过法兰盘将注浆钻杆与注浆泵连接；当采煤工作面推过注浆钻孔后，开启注浆泵，利用注浆钻孔对覆岩充填粉煤灰浆液，并形成注浆充填层；
d、当发生意外停电、地面注浆管路爆裂、浆液浓度过高等情况时，注浆钻孔内粉煤灰浆液中的颗粒物开始沉淀，在注浆充填层上形成高浓度灰浆，阻止上部粉煤灰浆液向下流动，导致注浆泵的注浆压力迅速升高，当超过注浆泵的最大压力时无法继续注浆，此时停止注浆并拆除注浆泵，打开法兰盘，将钢缆的两端从套管及注浆钻杆内壁顶部的挂钩上取下，并分别连接到位于采煤工作面地表的两座绞车上，在一座绞车的钢缆上顺序安装多个储灰器，启动钢缆另一端连接的绞车，将储灰器匀速送入注浆充填层后，储灰器内储满高浓度灰浆，关闭当前工作的绞车后启动另一座绞车，将储灰器提升至地表后关闭绞车，清理储灰器内的高浓度灰浆，交替重复开启关闭两座绞车利用储灰器将注浆孔内的高浓度灰浆提出注浆钻孔，直至注浆钻孔孔口返出粉煤灰浆；
e、当注浆钻孔孔口返出浆液后，取下钢缆上的储灰器，关闭绞车，并将钢缆重新固定至套管及注浆钻杆内壁顶端的挂钩上，利用法兰盘将注浆钻杆与注浆泵相连，并继续开启注浆泵，恢复对注浆钻孔的注浆充填。
当充填过程中钻孔再次被堵塞时，重复步骤d、e再次进行透孔。
有益效果：储灰器为开口小肚子大的梭型结构有效减少该结构的储灰器在高浓度灰浆内上下移动时所遇阻力，在钻孔注浆时发生堵孔后，利用储灰器能够及时实施透孔，透孔效率高，避免钻孔报废现象，使钻孔快速恢复注浆充填，在注浆过程中多次出现钻孔再次被堵塞时，可多次对钻孔进行透孔，降低对工作面回采速度的影响，保证钻孔安全、有效、持续的注浆充填，从而提高注浆充填工程的沉陷控制效果，有效保护地面建筑物的安全。
附图说明
图1是本发明的注浆充填钻孔平面布置示意图；
图2是本发明的注浆充填钻孔下放固定装置示意图；
图3是本发明的注浆充填钻孔注浆示意图；
图4是本发明的注浆充填钻孔透孔示意图；
图5（a）是本发明孔底固定装置顶杆未弹出时的俯视图；
图5（b）是本发明孔底固定装置顶杆弹出时的俯视图；
图6是本发明的储灰器正视图。
图中：1－孔底固定装置；2－钢缆；3－储灰器；4－绞车；5－底座；6－滑轮凹槽；7－定滑轮；8－顶杆槽；9－弹簧；10－顶杆；11－挡块；12－胶塞；13－螺栓；14－钢缆线孔；15－钢缆线槽；16－套管；17－挂钩；18－注浆钻孔；19－工作面；20－环形钢片；21－支架；22－注浆钻杆；23－法兰盘；24－地表；25－凹槽；26－高浓度灰浆；27－注浆充填层。
具体实施方式
下面结合附图和本发明作更进一步的说明：
如图1和图2所示，本发明的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：它包括安装在注浆充填钻孔孔底的孔底固定装置1和设置在注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表24上的两座绞车4，孔底固定装置1与两座绞车4之间设有钢缆2；
所述孔底固定装置1包括钢制圆柱形底座5，底座5顶部中间横向开有滑轮凹槽6，滑轮凹槽6内通过轴承设有定滑轮7，定滑轮7上设有钢缆线槽15，底座5顶部通过四周的四根螺栓13设有圆柱形橡胶胶塞12，胶塞12中部开2个钢缆线孔14，底座5下方两侧反方向开有圆柱形两道顶杆槽8，两道顶杆槽8内分别横向设有弹簧顶杆，所述弹簧顶杆包括弹簧9和与弹簧9焊接的顶杆10，顶杆槽8出口处分别设有防止弹簧顶杆弹出顶杆槽8的挡块11，底座5外部在顶杆槽8出口处设有挤压弹簧顶杆使其压缩在顶杆槽8内的环形钢片20，环形钢片20下方设有支架21，所述支架21高度大于顶杆槽8出口距离底座5底部的高度；
孔底固定装置1中的定滑轮7通过钢缆线槽15缠绕有钢缆2，钢缆2的两端分别穿过胶塞12预留的两个钢缆线孔14延伸到注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表24上设置的两座绞车4中；
钢缆2上设有多个开口向下的储灰器3，所述储灰器3为肚大口小的梭形钢质容器，储灰器3的开口直径为8～12mm，中段直径18～26mm，底部直径为4～8mm，沉淀后的灰体密实程度比较高，类似吸水后的土块，储灰器开口向下，才能将灰体挤压进储灰器中，同时储灰器开口小，中部大，装满灰体后不易漏出。
底座5的直径小于注浆钻孔孔底直径20～30mm。
钢缆2的长度为注浆钻孔18深度的3～4倍长。
顶杆槽8内的顶杆10为实心圆柱体，并分为前后两部分，前半部分的柱体直径小于后半部分直径4～5mm，顶杆10的顶部为椭圆形斜切面，斜切面朝下，倾角为45～60°；顶杆槽8外口处的挡块11为边长2mm方铁块，能够防止顶杆10全部弹出顶杆槽8。
环形钢片20的高度约8mm，内径大于钢质底座5直径约3～5mm，环形钢片20底部的支架21的长度大于顶杆槽8与底座5底部的距离约30～40mm。
所述储灰器3通过绳卡或铝扣固定在钢缆2上。
所述胶塞12为实体柱状橡胶，直径小于钻孔6～10mm，能够自由下放至孔底即可。
一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置的透孔方法，其步骤如下：
a、在采煤工作面19回采前，施工注浆钻孔18至松散层以下60m，下放套管16，并在套管16顶部设置挂钩17，然后继续向下施工至终孔后，利用变径扩孔钻头在注浆钻孔18底进行扩孔，将注浆钻孔18底部扩孔形成圆柱形凹槽25，圆柱形凹槽25的直径为150mm和高度为200mm；
b、利用设置在采煤工作面上的两座绞车4将缠绕在钢缆2上的孔底固定装置1缓慢放入注浆钻孔18，下放过程中，顶杆10受环形钢片20挤压缩入顶杆槽8内，环形钢片20底部的支架21先接触孔底，随着底座5靠近孔底，环形钢片20向底座5上方滑动，直至离开弹簧顶杆的出口，此时顶杆10从顶杆槽8中弹出，从而将孔底固定装置1卡在注浆钻孔18底部凹槽25内，然后将钢缆2的两端从两座绞车4取下，一端固定在预先设置在注浆钻孔套管16内壁顶部的挂钩17上；
c、在注浆充填钻孔内下放注浆钻杆22，并将钢缆2的另一端从注浆钻杆22内穿过，注浆钻杆22下放完毕后，在注浆钻杆22内壁顶部设置挂钩17，并将钢缆2固定在注浆钻杆22内壁顶部的挂钩17上，通过法兰盘23将注浆钻杆22与注浆泵连接；当采煤工作面19推过注浆钻孔18后，开启注浆泵，利用注浆钻孔18对覆岩充填粉煤灰浆液，并形成注浆充填层27；
d、当发生意外停电、地面注浆管路爆裂、浆液浓度过高等情况时，注浆钻孔18内粉煤灰浆液中的颗粒物开始沉淀，在注浆充填层27上形成高浓度灰浆26，阻止上部粉煤灰浆液向下流动，导致注浆泵的注浆压力迅速升高，当超过注浆泵的最大压力时无法继续注浆，此时停止注浆并拆除注浆泵，打开法兰盘23，将钢缆2的两端从套管16及注浆钻杆22内壁顶部的挂钩17上取下，并分别连接到位于采煤工作面地表24的两座绞车4上，在一座绞车4的钢缆2上顺序安装多个储灰器3，启动钢缆2另一端连接的绞车4，将储灰器3匀速送入注浆充填层27后，储灰器3内储满高浓度灰浆26，关闭当前工作的绞车4后启动另一座绞车4，将储灰器3提升至地表24后关闭绞车4，清理储灰器3内的高浓度灰浆26，交替重复开启关闭两座绞车4利用储灰器3将注浆孔内的高浓度灰浆26提出注浆钻孔18，直至注浆钻孔18孔口返出粉煤灰浆；
e、当注浆钻孔18孔口返出浆液后，取下钢缆2上的储灰器3，关闭绞车4，并将钢缆2重新固定至套管16及注浆钻杆22内壁顶端的挂钩17上，利用法兰盘23注浆钻杆22与注浆泵相连，并继续开启注浆泵，恢复对注浆钻孔18的注浆充填。
当充填过程中钻孔再次被堵塞时，重复步骤d、e再次进行透孔。
Claims (10)
1.一种采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：它包括安装在注浆充填钻孔孔底的孔底固定装置（1）和设置在注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表（24）上的两座绞车（4），孔底固定装置（1）与两座绞车（4）之间设有钢缆（2）；
所述孔底固定装置（1）包括钢制圆柱形底座（5），底座（5）顶部中间横向开有滑轮凹槽（6），滑轮凹槽（6）内通过轴承设有定滑轮（7），定滑轮（7）上设有钢缆线槽（15），底座（5）顶部通过四周的四根螺栓（13）设有圆柱形橡胶胶塞（12），胶塞（12）中部开2个钢缆线孔（14），底座（5）下方两侧反方向开有圆柱形两道顶杆槽（8），两道顶杆槽（8）内分别横向设有弹簧顶杆，所述弹簧顶杆包括弹簧（9）和与弹簧（9）焊接的顶杆（10），顶杆槽（8）出口处分别设有防止弹簧顶杆弹出顶杆槽（8）的挡块（11），底座（5）外部在顶杆槽（8）出口处设有挤压弹簧顶杆使其压缩在顶杆槽（8）内的环形钢片（20），环形钢片（20）下方设有支架（21），所述支架（21）高度大于顶杆槽（8）出口距离底座（5）底部的高度；
孔底固定装置（1）中的定滑轮（7）通过钢缆线槽（15）缠绕有钢缆（2），钢缆（2）的两端分别穿过胶塞（12）预留的两个钢缆线孔（14）延伸到注浆充填钻孔两侧采煤工作面地表（24）上设置的两座绞车（4）中；
钢缆（2）上设有多个开口向下的储灰器（3），所述储灰器（3）为肚大口小的梭形钢质容器。
2.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆钻孔透孔装置，其特征在于：底座（5）的直径小于注浆钻孔孔底直径20～30mm。
3.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆钻孔透孔装置，其特征在于：钢缆（2）的长度为注浆钻孔（18）深度的3～4倍长。
4.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：顶杆槽（8）内的顶杆（10）为实心圆柱体，并分为前后两部分，前半部分的柱体直径小于后半部分直径4～5mm，顶杆（10）的顶部为椭圆形斜切面，斜切面朝下，倾角为45～60°；顶杆槽（8）外口处的挡块（11）为边长2mm方铁块，能够防止顶杆（10）全部弹出顶杆槽（8）。
5.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆钻孔透孔装置，其特征在于：环形钢片（20）的高度约8mm，内径大于钢质底座（5）直径约3～5mm，环形钢片（20）底部的支架（21）的长度大于顶杆槽（8）与底座（5）底部的距离约30～40mm。
6.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：储灰器（3）的开口直径为8～12mm，中段直径18～26mm，底部直径为4～8mm。
7.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：所述储灰器（3）通过绳卡或铝扣固定在钢缆（2）上。
8.根据权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置，其特征在于：所述胶塞（12）为实体柱状橡胶，直径小于钻孔6～10mm，能够自由下放至孔底即可。
9.一种使用权利要求1所述的采动覆岩隔离注浆充填钻孔透孔装置的透孔方法，其特征在于步骤如下：
a、在采煤工作面（19）回采前，施工注浆钻孔（18）至松散层以下60m，下放套管（16），并在套管（16）顶部设置挂钩（17），然后继续向下施工至终孔后，利用变径扩孔钻头在注浆钻孔（18）底进行扩孔，将注浆钻孔（18）底部扩孔形成圆柱形凹槽（25），圆柱形凹槽（25）的直径为150mm、高度为200mm；
b、利用设置在采煤工作面地表上的两座绞车（4）将缠绕在钢缆（2）上的孔底固定装置（1）缓慢放入注浆钻孔（18），下放过程中，顶杆（10）受环形钢片（20）挤压缩入顶杆槽（8）内，环形钢片（20）底部的支架（21）先接触孔底，随着底座（5）靠近孔底，环形钢片（20）向底座（5）上方滑动，直至离开弹簧顶杆的出口，此时顶杆（10）从顶杆槽（8）中弹出，从而将孔底固定装置（1）卡在注浆钻孔（18）底部凹槽（25）内，然后将钢缆（2）的两端从两座绞车（4）取下，一端固定在预先设置在注浆钻孔套管（16）内壁顶部的挂钩（17）上；
c、在注浆充填钻孔内下放注浆钻杆（22），并将钢缆（2）的另一端从注浆钻杆（22）内穿过，注浆钻杆（22）下放完毕后，在注浆钻杆（22）内壁顶部设置挂钩（17），并将钢缆（2）固定在注浆钻杆（22）内壁顶部的挂钩（17）上，通过法兰盘（23）将注浆钻杆（22）与注浆泵连接；当采煤工作面（19）推过注浆钻孔（18）后，开启注浆泵，利用注浆钻孔（18）对覆岩充填粉煤灰浆液，并形成注浆充填层（27）；
d、当发生意外停电、地面注浆管路爆裂、浆液浓度过高等情况时，注浆钻孔（18）内粉煤灰浆液中的颗粒物开始沉淀，在注浆充填层（27）上形成高浓度灰浆（26），阻止上部粉煤灰浆液向下流动，导致注浆泵的注浆压力迅速升高，当超过注浆泵的最大压力时无法继续注浆，此时停止注浆并拆除注浆泵，打开法兰盘（23），将钢缆（2）的两端从套管（16）及注浆钻杆（22）内壁顶部的挂钩（17）上取下，并分别连接到位于采煤工作面地表（24）的两座绞车（4）上，在一座绞车（4）的钢缆（2）上顺序安装多个储灰器（3），启动钢缆（2）另一端连接的绞车（4），将储灰器（3）匀速送入注浆充填层（27）后，储灰器（3）内储满高浓度灰浆（26），关闭当前工作的绞车（4）后启动另一座绞车（4），将储灰器（3）提升至地表（24）后关闭绞车（4），清理储灰器（3）内的高浓度灰浆（26），交替重复开启关闭两座绞车（4）利用储灰器（3）将注浆孔内的高浓度灰浆（26）提出注浆钻孔（18），直至注浆钻孔（18）孔口返出粉煤灰浆；
e、当注浆钻孔（18）孔口返出浆液后，取下钢缆（2）上的储灰器（3），关闭绞车（4），并将钢缆（2）重新固定至套管（16）及注浆钻杆（22）内壁顶端的挂钩（17）上，利用法兰盘（23）注浆钻杆（22）与注浆泵相连，并继续开启注浆泵，恢复对注浆钻孔（18）的注浆充填。
10.根据权利要求9所述的采动覆岩隔离注浆钻孔透孔方法，其特征在于：当充填过程中钻孔再次被堵塞时，重复步骤d、e再次进行透孔。
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