CN109098688B - 一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺。其包括如下步骤:钻孔施工，判断钻孔内及导水构造内是否具备注入软骨料的条件，钻孔内安装软骨料安全防堵装置，将软骨料注入导水构造内，同时开动钻机，钻机卡盘带动中心管右旋回转，同时通过连接在中心管头端的注水器向中心管内注水，软骨料未注满导水构造前，保证钻孔内高压水流和中心管内的高压水流不间断，直至软骨料被全部排出钻孔到导水构造内，分别停止注水、停止注入软骨料，取出软骨料安全防堵装置。它有效解决了以往矿井井下钻孔内注软骨料时，骨料堆积在钻孔内形成堵孔的现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，属于矿井井下水害防治领域。
背景技术
煤矿井下采掘工作面突涌水是影响煤炭开采的自然灾害之一。煤矿突涌水后，不仅威胁着作业现场人员生命安全，还威胁着工程安全和经济效益，进行长时间的排水措施也会增加煤矿运营成本。因此施工井下钻孔，对突涌水进行封堵是治理矿井突涌水最有效的方法之一。由于采掘工作面埋深较深，有的甚至超过1000m。井下钻孔施工和利用井下钻孔注浆存在着较多难题。尤其是当钻孔遇到较大涌突水裂隙后，通过钻孔向岩体裂隙内注入骨料的难度极大，主要原因是骨料在钻孔内运移至导水构造内，要克服钻孔内的高压涌水。以往的传统做法是将骨料填入钻孔内后，利用水压输送。当钻孔超过100米后，在孔壁摩擦和水头压力的共同阻力下，骨料会逐渐堆积在钻孔内某一深度处，造成钻孔堵塞。钻孔堵塞后，需要将钻头重新置入钻孔内进行冲孔，工序复杂，骨料输送效率低，直接影响煤矿堵水效果和施工工期。
发明内容
为有效解决超过100m的超深钻孔内软骨料注入的技术难题，本发明提出了一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺。它有效解决了以往矿井井下钻孔内注软骨料时，骨料堆积在钻孔内形成堵孔的现象。进入到钻孔内的软骨料经注入钻孔内的高压水流携带、中心管内注入的高压水流从喷水口喷出，并结合中心管右旋回转带动防堵器螺旋叶片的回转产生的推力，三者共同作用，很好的解决了软骨料在钻孔内堆积堵塞现象，其采用的技术方案如下：
一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)钻孔施工；
步骤2)判断钻孔内及导水构造内是否具备注入软骨料的条件；
步骤3)钻孔内安装软骨料安全防堵装置；
步骤4)将软骨料注入导水构造内；
步骤5)同时开动钻机，钻机卡盘带动中心管右旋回转，同时通过连接在中心管头端的注水器向中心管内注水；
步骤6)软骨料未注满导水构造前，发现钻孔内有软骨料时，保证钻孔内高压水流和中心管内的高压水流不间断，并且保持中心管持续回转；
步骤7)当中心管回转阻力增加或注水压力升高时，说明孔内软骨料注入的量比排到导水构造内的多，应该暂时停止注入骨料，并持续注水和保持中心管回转，直至软骨料被全部排出钻孔到导水构造内，软骨料被排出钻孔表现为中心管回转恢复正常，注水压力恢复常规，当经上述措施仍无法解决时，说明导水构造被软骨料充填满；
步骤8)分别停止注水、停止注入软骨料，取出软骨料安全防堵装置。
在上述技术方案基础上，步骤1)具体为根据矿井井下防治水钻孔施工设计及技术要求施工钻孔，钻孔揭露到导水构造后，停止钻进，钻孔开孔后进入到稳定岩层内置入孔口管，孔口管规格、长度及其封固要求严格遵循煤矿防治水有关规定及钻孔设计要求，且需及时在孔口管上安装高压闸阀和防喷反压装置。
在上述技术方案基础上，孔口管直径不小于150mm，钻孔终孔孔径为110-130mm，钻孔深度超过100m。
在上述技术方案基础上，步骤2)具体为钻孔揭露导水构造后，进行钻孔水文地质分析、进行钻孔揭露的导水构造和矿井涌水点之间的连通试验、进行钻孔涌水量和水压观测以及单液浆注浆试验，当上述分析及试验结果同时具备如下特征时，则具备钻孔内及导水构造内注入软骨料的条件：①钻孔揭露的导水构造位于涌水含水层与矿井涌水点之间且处于可能的导水构造带上；②钻孔、钻孔揭露的导水构造与矿井涌水点联系密切；③钻孔涌水量较大、水压明显低于涌水含水层正常水压；④单独注入水泥浆堵水跑浆严重且注浆效果较差。
在上述技术方案基础上，步骤3)中软骨料安全防堵装置主要由若干个防堵器总成和若干条中心短管组成，所述防堵器总成由螺旋叶片和轴管组成，所述螺旋叶片焊接于轴管上，轴管上设置有喷水孔，所述轴管与中心短管之间螺纹连接，所述中心短管与中心短管之间螺纹连接，所有中心短管、轴管连接后共同构成一整条中心管，所述中心管的末端用堵头封闭，根据钻孔深度按照顺序把每节中心短管和防堵装置总成连接起来下入钻孔内后，在高压闸阀的外侧端连接软骨料注入器，软骨料注入器与中心管之间设置密封装置，所述软骨料注入器具有进料口和注水口，所述进料口上设置有进料口闸阀，所述注水口上设置有注水口阀门，所述中心管的头端连接注水器。
在上述技术方案基础上，步骤4)具体为通过进料口把软骨料填满软骨料注入器后，关闭进料口闸阀，开启注水口阀门，通过注水口注水，注水后，注入到钻孔内的水会形成钻孔内高压水流，软骨料注入器内的软骨料会在钻孔内高压水流的携带下向钻孔深部运移直到进入导水构造内；
在上述技术方案基础上，步骤8)中取出软骨料安全防堵装置具体步骤为依次卸掉中心管头端的注水器、软骨料注入器与中心管之间的密封装置，依次把防堵器总成和中心短管的连接卸开，并逐节提出钻孔外，当提出中心管受阻时，可以通过右旋回转中心管和上下串动中心管解阻。
本发明具有如下优点：(1)有效解决了以往矿井井下钻孔内注软骨料时，骨料堆积在钻孔内形成堵孔的现象。
(2)进入到钻孔内的软骨料经注入钻孔内的高压水流携带、中心管内注入的高压水流从喷水口喷出，并结合中心管右旋回转带动防堵器螺旋叶片的回转产生的推力，三者共同作用，很好的解决了软骨料在钻孔内堆积堵塞现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1：超深钻孔内软骨料安全防堵工艺原理示意图；
图2：防堵器总成结构示意图；
图3：中心短管结构示意图；
图4：图1中B部分的放大结构示意图；
其中：1导水构造，2钻孔，3钻孔内高压水流，4中心管6中心管内高压水流，7防堵器总成，8孔口管，9高压闸阀，11工作硐室，12注水器，13进料口闸阀，14进料口，15注水口阀门，16注水口，17软骨料注入器，18密封装置，19堵头，21螺旋叶片，22喷水孔，23轴管,24中心短管
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位均是基于说明书附图所示的方位进行定义的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左″、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，本实施例的一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)钻孔施工；
在井下工作硐室11内按照钻孔设计技术要求施工钻孔，孔号为1#孔。钻孔2结构如下：钻孔开孔直径150mm，深度20m，下入146mm孔口管8。孔口管8与钻孔壁之间的环状间隙用速凝浆液封闭固结，孔口管固结后，孔口管内复钻扫孔后，进行孔口管封固质量注水耐压试验，试验压力为5MPa。孔口管顶端安装高压闸阀9后和防喷反压装置后继续用75mm孔径钻头钻进，钻孔深度196.4m后揭露导水构造，钻孔出现涌水。经观测，钻孔涌水量为57m3/h,水压1.4MPa(低于涌水含水层正常水压2.8MPa)。钻孔孔径、孔口管长度和套管固结要求符合煤矿防治水规定和钻孔设计要求。
步骤2)判断钻孔内及导水构造1内是否具备注入软骨料的条件；
钻孔揭露导水构造1后，进行钻孔水文地质分析、进行钻孔揭露的导水构造和矿井涌水点之间的连通试验、进行钻孔涌水量和水压观测以及单液浆注浆试验，涌水后经对比分析地质特征以及钻孔设计资料，分析认为钻孔揭露的涌水构造位于徐家庄灰岩顶部，该处裂隙带发育，而且位于导水断层的上盘，应为钻孔设计的注浆目的构造带，也是巷道涌水点的导水构造。
通过钻孔进行连通示踪试验。在钻孔内注入酸性红色颜料水，注入量为15m3/h，26分钟后从巷道涌水点处发现红色水。通过连通试验得出，钻孔揭露的导水构造与巷道涌水点处联系密切畅通。钻孔注浆后，会在26分钟左右浆液即可到达涌水点，单液浆在导水构造内留存的可能性较小。
从钻孔观测的水压为1.4MPa，低于注浆目的层(徐家庄灰岩)正常水压2.8MPa的数据分析，认为该构造即为徐家庄灰岩到巷道涌水点的导水构造。
经对该钻孔地质资料对比、钻孔涌水量及水压观测和连通试验数据综合分析，钻孔揭露的涌水构造为与巷道涌水点处连通性强的导水构造，且涌水量较大，水流较急，若注入单液水泥浆的话，浆液难以在构造内留存，需通过钻孔注入软骨料，软骨料选用经过筛选的锯末，结合注入尺寸不超过5mm的海带碎块，把75mm的孔径段下入钻具扩孔，最终孔径为130mm。
步骤3)钻孔内安装软骨料安全防堵装置，软骨料安全防堵装置主要由若干个防堵器总成7和若干条中心短管24组成，所述防堵器总成7由右旋的螺旋叶片21和轴管23组成，所述螺旋叶片21焊接于轴管23上，螺旋叶片21的回转直径为110mm，比钻孔孔径130mm小20mm左右，轴管23上设置有直径为6mm的喷水孔22，喷水孔22在轴管23管壁上呈梅花形均匀布置。轴管23规格材质、螺纹类型与中心短管24相同，均为优质碳素钢，中心短管24为直径50mm，壁厚11mm的优质碳素钢钢管，长度均为2m，所有中心短管、轴管连接后共同构成一整条中心管4，中心管4根据钻孔2深度由多节中心短管24和轴管23连接而成，每节中心短管24和防堵器轴管23两端均车有右旋螺纹20，相邻中心短管24之间、中心短管24与轴管23之间均由螺纹连接，所述中心管4的末端(靠近导水构造1的一端)用堵头19封闭，根据钻孔深度按照顺序把每节中心短管和防堵装置总成连接起来下入钻孔内后，相邻防堵器总成之间的间距为10-15m，在高压闸阀9的外侧端连接软骨料注入器17，软骨料注入器17与中心管之间设置密封装置18，所述软骨料注入器具有进料口14和注水口16，所述进料口14上设置有进料口闸阀13，所述注水口16上设置有注水口阀门15，所述中心管的头端连接注水器12；并用钻机卡盘固定中心管4头端，软骨料安全防堵装置是依靠钻机对中心管的加持、提升下降力下入到钻孔2内的；
步骤4)将软骨料注入导水构造内；
通过进料口14把软骨料填满软骨料注入器17后，关闭进料口闸阀13，开启注水口阀门15，通过注水口16注水，要求注水量不低于10m3/h，注水压力不低于涌水水压的1.5倍，注水后，注入到钻孔内的水会形成钻孔内高压水流3，软骨料注入器内的软骨料会在钻孔内高压水流3的携带下向钻孔深部运移直到进入导水构造1内；
步骤5)同时开动钻机，钻机卡盘带动中心管右旋回转，同时通过连接在中心管4头端的注水器12向中心管4内注水；因中心管4末端用堵头19堵死，故进入中心管4内的高压水会形成中心管内高压水流6，该水流通过防堵器总成7的轴管23上的喷水孔22喷出，喷水孔喷出的高压水流可防止螺旋叶片之间有软骨料被挤压在此处；钻机卡盘带动中心管4右旋，螺旋叶片21回转给钻孔内运移到该处的软骨料一个螺旋推动力，位于整个钻孔内的多个螺旋叶片21的回转，可以给整个钻孔2内的软骨料一个整体推动力，推动软骨料向导水构造1内运移；软骨料注入器和中心管之间的密封装置必须满足中心管的回转和钻孔内高压水流的压力双重作用下无泄漏，注入到钻孔2内的软骨料，分别在防堵器总成螺旋叶片21的回转推力、钻孔内高压水流3的携带、中心管内高压水流6在喷水孔22的喷出等共同作用下，可有效达到软骨料在超深钻孔2内任意位置的堆积堵塞。
步骤6)软骨料未注满导水构造1前，发现钻孔内有软骨料时，保证钻孔内高压水流3和中心管内的高压水流6不间断，并且保持中心管4持续回转；
步骤7)当中心管4回转阻力增加或注水压力升高时，说明孔内软骨料注入的量比排到导水构造1内的多，应该暂时停止注入骨料，并持续注水和保持中心管4回转，直至软骨料被全部排出钻孔到导水构造1内，软骨料被排出钻孔2表现为中心管4回转恢复正常，注水压力恢复常规，当经上述措施仍无法解决时，说明导水构造1被软骨料充填满；
步骤8)分别停止注水、停止注入软骨料，依次卸掉中心管头端的注水器12、软骨料注入器与中心管之间的密封装置18，依次把防堵器总成7和中心短管24的连接卸开，并逐节提出钻孔外，当提出中心管4受阻时，可以通过右旋回转中心管和上下串动中心管4解阻。中心管被提出钻孔和回转的动力均来自卡住中心管4的钻机卡盘。
某市某煤矿41301采煤工作面开采石炭纪太原组13层煤，为四采区首采工作面，面长84m，开采标高-528m至-496m，于5月底进行开采。工作面构造复杂，下部靠近F10断层及其分支断层，工作面掘进时分别揭露F1-1(H＝35m)断层、F1-2(H＝7m)正断层、F1-3(H＝8m)正断层与工作面斜交，另外工作面还存在5条落差1.0-3.0m的正断层。
10月11日，当工作面推至110m时，工作面回风巷外段奥灰孔以西10m处底板(-519m标高)出现轻微渗水，后水量逐渐增大，11日中午9点稳定在20m3/h。11日中班19时，采面回风出口5号测点以西约5m处底板(-503m标高)出水，初时水量约5m3/h，后水量逐渐增大。12日早班41301工作面停止作业，撤离人员，并通告相邻矿井，清理疏水路线，确保疏水畅通。14日18时，工作面出水量达220m3/h，15日15时出水量达到230m3/h左右。10月16日22时30分，因采区排水能力小于出水量，造成-560m采区泵房被淹，相关人员安全撤离。堵水治理前，水量稳定在170m3/h。
出水后，按照专家意见，分为两阶段进行治理，第一阶段分别在-450m水平13煤层主、副下山，-450m水平西13煤层平巷适当位置各施工1道水闸墙，对四采区进行永久隔离的同时，控制住涌水，降低涌水流速，该水闸墙已经完成。第二阶段注浆堵水，恢复生产。
水闸墙形成后，靠近出水工作面没有可利用施工的打钻注浆巷道硐室。要专门设计开拓了-450水平注浆平巷并向下延伸掘进的堵水巷和钻探硐室。在钻探硐室共施工了3个堵水钻孔，其中堵1孔终孔深度276m，堵2孔终孔深度296m，堵3孔终孔深度292m，三孔均为井下超深注浆钻孔。其中堵2孔在孔深193m处揭露导水构造，钻孔涌水约56m3/h，孔内无涌水(漏失)，在孔内做连通失踪注水试验。注水量15m3/h孔内无压力，分析认为该导水构造位于导水通道上。注水泥时水闸墙处观测点发现跑浆现象，连续注单液水泥浆5.5小时无压力。经对水文地质资料分析、连通试验以及试注浆数据分析，认为该钻孔具备注入软骨料的条件。随后采用常规方式向堵2钻孔内注入锯末。注入锯末34袋(约3.4m3)，粒径2-5mm的海带碎块难以注入，其间堵孔多次，施工时间5天。处理堵孔影响了骨料的注入效率，严重影响了工期，引起矿方的意见。后研究应用了钻孔内软骨料安全防堵施工工艺后，没有再出现堵孔现象，而且软骨料注入效率明显提高。仅用1.5天时间就成功的在堵2孔内持续注入锯末166袋，海带碎块34kg，在导水构造内骨料注满后，通过堵2孔注入水泥浆170m3，在水闸墙出水点观测点测量水量减少63m3/h。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)钻孔施工；
步骤2)判断钻孔内及导水构造内是否具备注入软骨料的条件；
步骤3)钻孔内安装软骨料安全防堵装置；
步骤4)将软骨料注入导水构造内；
步骤5)同时开动钻机，钻机卡盘带动中心管右旋回转，同时通过连接在中心管头端的注水器向中心管内注水；
步骤6)软骨料未注满导水构造前，发现钻孔内有软骨料时，保证钻孔内高压水流和中心管内的高压水流不间断，并且保持中心管持续回转；
步骤7)当中心管回转阻力增加或注水压力升高时，说明孔内软骨料注入的量比排到导水构造内的多，应该暂时停止注入骨料，并持续注水和保持中心管回转，直至软骨料被全部排出钻孔到导水构造内，软骨料被排出钻孔表现为中心管回转恢复正常，注水压力恢复常规，当经上述措施仍无法解决时，说明导水构造被软骨料充填满；
步骤8)分别停止注水、停止注入软骨料，取出软骨料安全防堵装置；
步骤1)具体为根据矿井井下防治水钻孔施工设计及技术要求施工钻孔，钻孔揭露到导水构造后，停止钻进，钻孔开孔后进入到稳定岩层内置入孔口管，孔口管规格、长度及其封固要求严格遵循煤矿防治水有关规定及钻孔设计要求，且需及时在孔口管上安装高压闸阀和防喷反压装置；孔口管直径不小于150mm，钻孔终孔孔径为110-130mm，钻孔深度超过100m；
步骤2)具体为钻孔揭露导水构造后，进行钻孔水文地质分析、进行钻孔揭露的导水构造和矿井涌水点之间的连通试验、进行钻孔涌水量和水压观测以及单液浆注浆试验，当上述分析及试验结果同时具备如下特征时，则具备钻孔内及导水构造内注入软骨料的条件：①钻孔揭露的导水构造位于涌水含水层与矿井涌水点之间且处于可能的导水构造带上；②钻孔、钻孔揭露的导水构造与矿井涌水点联系密切；③钻孔涌水量较大、水压明显低于涌水含水层正常水压；④单独注入水泥浆堵水跑浆严重且注浆效果较差；
步骤3)中软骨料安全防堵装置主要由若干个防堵器总成和若干条中心短管组成，所述防堵器总成由螺旋叶片和轴管组成，所述螺旋叶片焊接于轴管上，轴管上设置有喷水孔，所述轴管与中心短管之间螺纹连接，所述中心短管与中心短管之间螺纹连接，所有中心短管、轴管连接后共同构成一整条中心管，所述中心管的末端用堵头封闭，根据钻孔深度按照顺序把每节中心短管和防堵装置总成连接起来下入钻孔内后，在高压闸阀的外侧端连接软骨料注入器，软骨料注入器与中心管之间设置密封装置，所述软骨料注入器具有进料口和注水口，所述进料口上设置有进料口闸阀，所述注水口上设置有注水口阀门，所述中心管的头端连接注水器。
2.根据权利要求1所述的一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，其特征在于：步骤4)具体为通过进料口把软骨料填满软骨料注入器后，关闭进料口闸阀，开启注水口阀门，通过注水口注水，注水后，注入到钻孔内的水会形成钻孔内高压水流，软骨料注入器内的软骨料会在钻孔内高压水流的携带下向钻孔深部运移直到进入导水构造内。
3.根据权利要求2所述的一种矿井井下超深钻孔内软骨料安全防堵施工工艺，其特征在于：步骤8)中取出软骨料安全防堵装置具体步骤为依次卸掉中心管头端的注水器、软骨料注入器与中心管之间的密封装置，依次把防堵器总成和中心短管的连接卸开，并逐节提出钻孔外，当提出中心管受阻时，可以通过右旋回转中心管和上下串动中心管解阻。
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