CN105317396A - 一种地面注浆钻孔内浆液混合装置及其使用方法 - Google Patents

一种地面注浆钻孔内浆液混合装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地面注浆钻孔内浆液混合装置及其使用方法,包括:芯棒,护套和集浆器;所述芯棒设置在护套内部,并且芯棒两端穿出护套;所述芯棒底端固定在护套上,上端通过短管与钻杆连接;所述护套上端与集浆器连接;在所述芯棒上分别交替设置右旋叶片和左旋叶片,所述右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处;本发明有益效果:本发明原理实质上达到了喷射混合和旋流激荡混合、切分混合的三重目的,使两种浆液混合更加充分,化学反应更加彻底,注浆效果更加明显。

Description

一种地面注浆钻孔内浆液混合装置及其使用方法
技术领域:
本发明涉及一种地面注浆钻孔内液浆混合装置及其使用方法。属于矿山、隧道及其它地下工程,利用地面钻孔对地层深部地下工程围岩注浆堵水和加固领域。
技术背景:
矿山、隧道及地下工程在建设过程中不可避免的遇到不良地质体。不良地质体主要包括断层、陷落柱、岩溶等地质构造和围岩松软破碎等,这些异常地质条件的存在,给地下水的储存和运动提供了良好的空间。地下工程建设中一旦沟通这些空间,就会出现涌突水现象,甚至出现灾难性透水、围岩坍塌或突水突泥等自然灾害;地下工程当遇到较大规模的;在一些露天开采的矿井中,当矿井围岩为岩溶裂隙发育地层,地层内的地下水或地表水也会通过岩溶裂隙等空间进入到矿坑中,不仅影响开采安全,还将耗费巨资用于排水。
为预防或消除上述不良地质条件引起的各类地质灾害,必须对围岩中的异常地质体进行注浆堵水或注浆加固。当在地面具备钻探注浆条件且经济合理时,一般在地面施工钻孔,并通过钻孔进行注浆。以往通过地面钻孔注入单液水泥浆来达到封堵涌水和地层加固的目的。工程中也有注入水泥-水玻璃双液浆(C-S浆)的案例。但是因为没有解决好钻孔内水泥-水玻璃两种浆液混合和灌注技术,而是采用简单的孔口混合工艺,在深孔注浆中,因为浆液输送距离较远,造成混合后的浆液来不及进入受注地层,就达到了初凝时间,浆液就在钻孔内凝固发生堵塞钻孔的注浆事故;有的尽管采用孔内混合工艺,但是因为混合装置设计不科学不合理,致使两种浆液混合不充分,两种浆液混合后难以实现完全反应,不仅影响到浆液的反应质量,影响注浆效果,还造成了浆液的大量浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题,提出了一种地面注浆钻孔内浆液混合装置及其使用方法,该装置及方法通过对混合浆液产生一种震荡和搅拌作用,使两种浆液混合更加充分,化学反应更加彻底,注浆效果更加明显。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,包括:芯棒,护套和集浆器;所述芯棒设置在护套内部,并且芯棒两端穿出护套;所述芯棒底端固定在护套上,上端通过短管与钻杆连接;所述护套上端与集浆器连接;在所述芯棒上分别交替设置右旋叶片和左旋叶片,所述右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处;
水泥浆和水玻璃浆液通过集浆器混合后进入护套,通过右旋叶片和左旋叶片不断变换浆液旋流方向,并在旋流变向时被切割分解,所述右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处,使两种浆液在不断被旋流变向和被切分分解中充分混合。
所述芯棒、护套、集浆器、短管、右旋叶片和左旋叶片均采用塑料材质。比如:聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和改性聚苯乙烯(ABS)等塑料材质。
所述短管上端加工有内芯异径接头,短管底端设置有喷射孔,喷射孔全部位于集浆器内部,水玻璃浆通过喷射孔喷出。
所述护套包括护管,所述护管底端设有底盘,底盘上设置泄浆孔;所述护管内径大于螺旋叶片回转外径;底盘中心开有圆孔,所述芯棒从圆孔穿过并固定在底盘上。
所述芯棒上端通过十字支撑与护管连接,芯棒轴线和护管轴线重合。
一种地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,包括以下步骤:
(1)施工钻孔,钻孔须揭露地下工程围岩内向地下工程涌水的过水通道,或钻孔进入到需加固的松散软弱围岩内;
(2)将地面注浆钻孔内浆液混合装置送入钻孔套管内的设定深度位置;
(3)地面注浆钻孔内浆液混合装置送入设定深度并固定好钻杆后,通过孔口密封装置对钻孔套管和钻杆进行密封;
(4)钻杆上端连接水玻璃浆注浆管;孔口密封装置上的注浆接头和水泥浆注浆管连接;水玻璃浆注浆管和水泥浆注浆管的另一端均连接注浆泵;
(5)注浆操作。
进行注浆操作之前,分别通过水泥浆注浆管路和水玻璃浆注浆管路向套管和钻杆内注入清水,观察两个管路上安装的压力表的压强值,确定初始压力。
注浆操作时,先通过水泥浆注浆管路向套管内注入水泥浆,水泥浆液到达集浆器时被集浆器收集,通过浆液混合装置后进入到受注岩体内;此过程为进行水泥浆单液注浆;
当需要双液浆注浆时,通过水玻璃浆注浆管路向钻杆内注入水玻璃浆,水玻璃浆通过喷射孔喷出,在集浆器内与水泥浆液混合形成双液浆后进入浆液混合装置;浆液通过右旋叶片和左旋叶片的交替旋流与叶片切割的作用下,充分混合后注入到受注岩体中。
当注浆套管底口以下的裸孔段处于渗透系数高或破碎岩体时,浆液混合装置不得超过套管底口进入到裸岩内。
注浆完毕后,如果浆液混合装置被浆液固结在钻孔内,无法拔出时,通过旋转钻杆,在芯棒异径接头处拧断,将钻杆提出钻孔外,把浆液混合装置留在钻孔内,再利用钢质取芯或无芯钻头将浆液混合装置破坏处理掉。
本发明的有益效果:
本发明原理实质上达到了喷射混合、旋流激荡混合和切分混合的三重目的,使两种浆液混合更加充分,化学反应更加彻底,注浆效果更加明显。
因为液浆混合装置为塑料材质,杜绝了以往铁质双液浆混合器被固结在孔内后,利用钢质钻头无法处理的技术难题。彻底解决了因铁质混合装置在钻孔被固结后无法处理造成严重孔内事故的技术难题,彻底规避了因此产生的安全风险。
附图说明
图1为地面注浆钻孔内浆液混合装置结构原理图;
图2为图1的A-A向视图;
图3为图1的B-B剖视图;
图4为钻杆异径接头与内芯异径接头结合部位局部放大图;
图5为地面注浆钻孔内浆液混合装置底盘与芯棒连接处局部放大图。
其中,1、套管,2、钻杆,3、旋紧螺母Ⅰ,4、水泥浆,5、水玻璃浆,6、喷射孔,7、护管,8、右旋螺旋叶片,9、底盘泄浆孔,10、垫圈Ⅱ,11、旋紧螺母Ⅱ,12、底盘,13、混合浆液,14、左旋螺旋叶片,15、芯棒,16、十字支撑,17、集浆器,18、PVC短管,19、内芯异径接头,20、垫圈Ⅰ,21、钻杆异径接头。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明技术方案作进一步说明:
一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,如图1所示,包括:芯棒15,护套和集浆器17;芯棒15设置在护套内部,并且芯棒15两端穿出护套;芯棒15底端固定在护套上,上端通过短管与钻杆2连接;护套上端与集浆器17连接;在芯棒15上分别交替设置右旋叶片和左旋叶片,右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处。
水泥浆4和水玻璃浆5液通过集浆器17混合后进入护套,通过右旋叶片和左旋叶片不断变换浆液旋流方向,并在旋流变向时被切割分解,所述右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处,使两种浆液在不断被旋流变向和被切分分解中充分混合。
其结构原理水泥浆4被集浆器17收集的同时,水玻璃浆5液从喷射孔6内喷出,形成两种浆液的喷射混合。
喷射混合后的双液混和浆液进入到液浆混合装置内,液浆混合装置的结构是在一根圆柱形芯棒15上设置右旋和左旋两种螺旋叶片。右旋螺旋叶片8和左旋螺旋叶片14交替布设。左右旋螺旋叶片8开始位置均处于上级叶片的中间。混合浆液13进入到液浆混合装置内后,在右旋螺旋叶片8内形成右向旋流,右向旋流前进到左旋螺旋叶片14位置后,被左旋螺旋叶片14切割,又形成左向旋流,左向旋流前进后又被右向螺旋叶片切割,这样混合浆液13在液浆混合装置内前进过程中,左右旋流交替形成,并在旋流变向时被切割分解。通过不断变换浆液旋流方向,并使混合浆液13不断被切割分解,对混合浆液13形成一种震荡和搅拌作用,使两种浆液混合更加充分,化学反应更加彻底。其原理实质上达到了喷射混合和旋流激荡混合、切分混合的三重目的,使两种浆液混合更加充分,化学反应更加彻底,注浆效果更加明显。
本发明的另一特点是整个液浆混合装置内各部件均选用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)或改性聚苯乙烯(ABS)等塑料材质。其最大优点是注浆完毕后,一旦液浆混合装置被浆液固结在钻孔内,无法拔出时,可以通过旋转钻杆2,在内芯异径接头19处拧断,顺利把钻杆2提出钻孔外,把液浆混合装置留在钻孔内。再利用钢质取芯或无芯钻头把塑料质的液浆混合装置破坏处理掉。因为液浆混合装置为塑料材质,杜绝了以往铁质双液浆混合器被固结在孔内后,利用钢质钻头无法处理的技术难题。彻底解决了因铁质混合装置在钻孔被固结后无法处理造成严重孔内事故的技术难题,彻底规避了因此产生的安全风险。本实施例以PVC材质为例进行说明。
本发明分主要技术内容由四部分组成,一是孔内液浆混合装置的制作;二是液浆混合装置在钻孔内的定位操作;三是注浆操作;四是操作中的关键技术要求及安全注意事项。
技术实施步骤如下:
一、孔内液浆混合装置的制作
液浆混合装置主要由内芯,护管7,集浆器17等组成。
内芯制作。在一根实心的PVC芯棒15上,利用热熔原理安装螺旋叶片。螺旋叶片分右旋和左旋。右旋螺旋叶片8和左旋螺旋叶片14均每两片为一组,右旋螺旋叶片8和左旋螺旋叶片14分组交替设置。下一组叶片开始端要位于上一组叶片之间的中间位置。芯棒15底端设有丝扣,并配有旋紧螺母Ⅱ11与之配合。芯棒15上端连接直径相同的PVC短管18,短管上端加工有内芯异径接头19,短管底端设置有喷射孔6。
液浆混合装置护套制作。液浆混合装置护套分别由护管7和底盘12组成。护管7选择PVC管。其内直径要大于内芯螺旋叶片回转外径3mm。护管7底端为底盘12,底盘12上设置泄浆孔9,保证混合浆液13正常流出。底盘12中心开有圆孔,圆孔直径略大于芯棒15直径。如图2所示。
3、混合装置的装配。把内芯插入到液浆混合装置护套内并从底盘12的中心圆孔穿出,依次安装垫圈Ⅱ10、旋紧螺母Ⅱ11。并在芯棒15底端用旋紧螺母Ⅱ11把内芯固定在底盘12上。芯棒15上端通过十字支撑16和护管7内表面相连。如图3和图5所示,通过十字支撑16和底盘12把内芯和护管7固定在一起,并保证芯棒15轴线和护管7轴线重合。护管7上端连接集浆器17。集浆器17为上大下小的喇叭形,下端孔径和护管7相同并连接在一起。
4、钻杆异径接头21和内芯异径接头19连接。如图4所示,钻杆异径接头21一端使用钻杆2制作,另一端焊接异径接头,异径接头与内芯异径接头19端部直径一样,内通径两者相同。两个接头环状侧表面均加工相同的外丝扣,扣型与旋紧螺母Ⅰ3内扣型相同。异径接头底表面光滑。两个异径接头对接时在底面接触处安装垫圈Ⅰ20。然后使用旋紧螺母Ⅰ3把两个异径接头旋紧固定,并保证结合紧密。
二、液浆混合装置在钻孔内的定位
1、首先施工钻孔,钻孔须揭露地下工程围岩内向地下工程涌水的过水通道,或钻孔进入到需加固的松散软弱围岩内。按照设计要求钻孔内下入注浆套管1,注浆套管1外用水泥封固并达到封固质量合格。套管1内壁无附着杂物。钻孔到受注体之间畅通无阻。
2、把钻杆异径接头21连接在钻杆2上。通过钻机卡盘和起吊装置用钻杆2把液浆混合装置送入钻孔套管1内的设计深度位置,只有通过多节钻杆2连接方能把液浆混合装置送入到设计深度。
3、在下入钻孔最后一节钻杆2时,把孔口密封装置套在钻杆2上,把液浆混合装置送入到设计深度并固定好钻杆2后,把孔口密封装置和套管1上端连接并与套管1旋紧密封,并同时密封和钻杆2之间的间隙。保证密封装置和钻杆2之间,密封装置和套管1之间的密封质量,在注浆设计终压下不会出现泄漏现象。
4、钻杆2上端连接水玻璃浆5注浆管。孔口密封装置上的注浆接头和水泥浆4注浆管连接。水玻璃浆5注浆管和水泥浆4注浆管另一端均和注浆泵连接。
三、注浆及注浆结束后操作
1、注浆前管路畅通性检查。分别通过水泥浆4注浆管路和水玻璃浆5注浆管路向套管1和钻杆2内注入清水。观察两个管路上安装的压力表的压强值。掌握初始压力。
2、注浆。先通过水泥浆4注浆管路向套管1内注入水泥浆4,水泥浆4液到达液浆混合装置集浆器17时被集浆器17收集,通过液浆混合装置后进入到受注岩体内。进行水泥浆4单液注浆。当需要双液浆注浆时,通过水玻璃浆5注浆管路向钻杆2内注入水玻璃浆5,水玻璃浆5通过喷射孔6喷出,在集浆器17内与水泥浆4液混合后形成双液浆。双液浆通过双液浆护管7内的内芯的搅拌作用,达到双液浆混合充分后,被送入到受注岩体中,实现双液注浆。
3、压水清洗管路。注浆结束后,通过水玻璃浆5注浆管路和水泥浆4注浆管路分别向钻杆2和套管1内压入清水,冲洗管路和钻杆2、套管1。
3、分别卸开水玻璃浆5液注浆管路和钻杆2之间、水泥浆4注浆管路和孔口密封装置上注浆接头之间的连接。
4、卸开孔口密封装置,后逐节提钻并卸掉钻杆2。最终把液浆混合装置提出钻孔。操作完成。
5、重新下入钻具,把注浆后的套管1和钻孔内的水泥固结体或双液浆固结体清除干净,为下一次注浆做好准备。
四、操作中的关键技术要求及安全注意事项
1、由于液浆混合装置材质为PVC或其它塑料,强度较低,因此其各部件连接要牢固。把液浆混合装置送入钻孔操作中要缓慢,谨慎操作,防止损坏混合装置。
2、内芯和护管7底盘12之间,内芯和十字支撑16之间,十字支撑16与护管7之间的连接要牢固。保证芯棒15轴线和护管7轴线重合。
3、喷射孔6总面积要和内芯异径接头19内眼横断面面积相近。以保证过流水玻璃浆5液能全部喷出而不会产生阻力。
4、双液浆混合器装配后要保证全部喷射孔6位于集浆器17内部。能满足水泥浆4在集浆器17内和喷出的水玻璃浆5液混合,而不是在集浆器17外部混合。
5、下一组螺旋叶片必须保证在上组螺旋叶片之间的中间位置,以保证旋流浆液能被下组叶片平均切分。
6、液浆混合装置装配完成后,要在地面进行双液注浆试验。观察喷射混合和旋流切分混合后的浆液混合质量。掌握注浆初始压力和浆液在双液浆混合器内的运行状态。给现场实际注浆操作提供依据。
7、必须保证液浆混合装置在钻孔内设计位置的相对固定,不得出现上下活动现象。以满足双液注浆时对混和浆液运行距离的要求。
8、必须保证钻杆异径接头21和内芯异径接头19之间,孔口密封装置和钻杆2之间,孔口密封装置和套管1之间的密封质量。要求注浆过程达到注浆终压时,上述密封处不得出现泄漏现象。
9、当注浆套管1底口以下的裸孔段处于渗透系数较高、或破碎岩体时,液浆混合装置不得超过套管1底口进入到裸岩内。否则会出现浆液失水造成混和浆液在失水处的固结,固结体会注浆增大堵塞钻孔,造成注浆事故。甚至出现把液浆混合装置固结在钻孔内的钻孔事故。因此产生的注浆事故和钻孔事故将带来较大经济损失。
10、若一旦把液浆混合装置固结在钻孔内。要使用比套管1直径小的钻头(取芯钻头或无芯钻头均可)破坏混合装置。达到钻孔畅通的目的。
11、双液注浆实施前,要进行双液浆凝固试验。通过试验选定注浆参数,计算液浆混合装置在钻孔内的准确深度。防止出现计算不准确造成的注浆失败或出现注浆事故或钻孔事故。
以查庄煤矿8500采区工作面发生断层涌水为例,其涌水量为350m3/h,涌水处距离地面埋深386m。为满足对该涌水注浆封堵的技术要求。在地面施工了21个地面注浆钻孔。注浆中采用了双液注浆工艺。但是因为使用的是双管式混合工艺,即利用双管把水泥浆4和水玻璃浆5同时输送到钻孔内,两种浆液从各自的管内涌出混合后,被输送到受注岩体内的涌水裂隙中。由于采用这种双管式混合装置,两种浆液各自形成浆流,浆液接触面积小,混合程度差,达不到充分反应的目的,不仅造成注浆效果差,还形成了大量没有反应的水玻璃浆5液的浪费。后经反复研究,采用了本发明,使浆液充分混合,减少了浆液的浪费,取得了满意的注浆效果。
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)

1.一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,其特征是,包括:芯棒,护套和集浆器;所述芯棒设置在护套内部,并且芯棒两端穿出护套;所述芯棒底端固定在护套上,上端通过短管与钻杆连接;所述护套上端与集浆器连接;在所述芯棒上分别交替设置右旋叶片和左旋叶片,
水泥浆和水玻璃浆液通过集浆器混合后进入护套,通过右旋叶片和左旋叶片不断变换浆液旋流方向,在旋流变向时被切割分解,所述右旋叶片和左旋叶片开始的位置均处于其上级叶片的中间位置处,使两种浆液在不断被旋流变向和被切分分解中充分混合。
2.如权利要求1所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,其特征是,所述芯棒、护套、集浆器、短管、右旋叶片和左旋叶片均采用塑料材质。
3.如权利要求1所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,其特征是,所述短管上端加工有内芯异径接头,短管底端设置有喷射孔,喷射孔全部位于集浆器内部,水玻璃浆通过喷射孔喷出。
4.如权利要求1所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,其特征是,所述护套包括护管,所述护管底端设有底盘,底盘上设置泄浆孔;所述护管内径大于螺旋叶片回转外径;底盘中心开有圆孔,所述芯棒从圆孔穿过并固定在底盘上。
5.如权利要求4所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置,其特征是,所述芯棒上端通过十字支撑与护管连接,芯棒轴线和护管轴线重合。
6.一种如权利要求1-5所述的任一地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,其特征是,包括以下步骤:
(1)施工钻孔,钻孔须揭露地下工程围岩内向地下工程涌水的过水通道,或钻孔进入到需加固的松散软弱围岩内;
(2)将地面注浆钻孔内浆液混合装置送入钻孔套管内的设定深度位置;
(3)地面注浆钻孔内浆液混合装置送入设定深度并固定好钻杆后,通过孔口密封装置对钻孔套管和钻杆进行密封;
(4)钻杆上端连接水玻璃浆注浆管;孔口密封装置上的注浆接头和水泥浆注浆管连接;水玻璃浆注浆管和水泥浆注浆管的另一端连接注浆泵;
(5)注浆操作。
7.如权利要求6所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,其特征是,进行注浆操作之前,分别通过水泥浆注浆管路和水玻璃浆注浆管路向套管和钻杆内注入清水,观察两个管路上安装的压力表的压强值,确定初始压力。
8.如权利要求6所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,其特征是,注浆操作时,先通过水泥浆注浆管路向套管内注入水泥浆,水泥浆液到达集浆器时被集浆器收集,通过浆液混合装置后进入到受注岩体内;此过程为进行水泥浆单液注浆;
当需要双液浆注浆时,通过水玻璃浆注浆管路向钻杆内注入水玻璃浆,水玻璃浆通过喷射孔喷出,在集浆器内与水泥浆液混合后形成双液浆后进入浆液混合装置;浆液通过右旋叶片和左旋叶片的交替旋流与叶片切割的作用下,充分混合后注入到受注岩体中。
9.如权利要求6所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,其特征是,当注浆套管底口以下的裸孔段处于渗透系数高或破碎岩体时,浆液混合装置不得超过套管底口进入到裸岩内。
10.如权利要求6所述的一种地面注浆钻孔内浆液混合装置的使用方法,其特征是,注浆完毕后,如果浆液混合装置被浆液固结在钻孔内,无法拔出时,通过旋转钻杆,在芯棒异径接头处拧断,将钻杆提出钻孔外,把浆液混合装置留在钻孔内,再利用钢质取芯或无芯钻头将浆液混合装置破坏处理掉。
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