CN109236231A - 一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，由注浆管和止浆器组成，止浆器安装在注浆管的注浆出口端，且注浆管贯穿止浆器，止浆器为柱状结构，止浆器的轴线与注浆管的轴线平行或重合，所述止浆器的径向截面直径等于或小于矿井钻孔的内径，所述止浆器按照注浆管设置浆液流向方向依次由压板、膨胀层和托板组成，所述膨胀层的材料为吸水膨胀的材料。本发明可以实现在钻孔内涌水条件下向大孔径钻孔内的裸孔涌水段内注入速凝浆液达到快速注浆，快速堵水的目的。
Description
技术领域
本发明对矿井井下大口径钻孔内涌水的水害治理领域，涉及一种矿井井下大口径钻孔内快速封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
在井工开采的矿井建设及生产过程中，需要较大量的水源进行井下的除尘及消防；或为了运输需要，在矿井上水平巷道向下水平巷道内施工大口径工程孔，作为溜煤(渣)井，电缆井或管道井使用。当矿井开采工作面埋深较深(距地表一般不少于500m)，又距离含水层较近(一般不超过200m)时，利用矿井井下大口径钻孔供水往往比利用地面水井供水要经济便利的多。但施工井下大口径钻孔面临的风险是钻孔揭露高压含水层后对涌水的封堵，尤其是针对较大孔径的钻孔的涌水封堵成为难题。大口径钻孔内出现涌水而不能及时封堵，其后果不仅会不同程度影响工作面正常生产，增加矿井排水量，严重时还会造成工作面被淹的安全事故。目前在矿井井下直径超过Φ300mm的大口径钻孔揭露较大的含导水裂隙后，由于孔径大，在相同水压下，涌水量比小孔径钻孔要大得多。小口径钻孔内出现高压涌水的传统封堵方式是利用钻孔套管直接注浆，或在孔内下入模袋注浆器注浆封堵。但利用上述两种方法在大口径钻孔内封堵涌水存在着较大难度。原因是在大口径钻孔内利用钻孔套管注浆时，需要极大直径的注浆接头才能和较大直径的钻孔内套管相匹配，因大口径套管上端部难以加工丝扣，只能靠焊接和气割方式安装与套管直径匹配的大直径注浆接头，又因安装时孔内有涌水存在，给注浆接头的焊接和气割作业带来极大难度，而且安装质量难以保障；若采用模袋注浆器注浆，因模袋内充填进浆液膨胀后体积较大，重量较重，难以附着在较细的注浆管(一般不超过50mm)上，模袋相对于注浆管极易产生滑动脱离现象，造成模袋止浆失败。膨胀后的模袋一旦脱离，使模袋止浆位置发生变动，影响注浆效果。当出现止水失败后，要把模袋提出钻孔修整后重新安装，在提出钻孔的过程中，脱离注浆管的模袋极有可能掉落在大口径钻孔内，酿成钻孔内落物事故。另外模袋注浆结束后会卡紧在孔壁上，难以随注浆管提出钻孔内，给下一步钻探工作带来难度。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明一方面是提供一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，可以实现在钻孔内涌水条件下向大孔径钻孔(孔径一般超过Φ300mm)内的裸孔涌水段内注入速凝浆液达到快速注浆，快速堵水的目的。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，由注浆管和止浆器组成，止浆器安装在注浆管的注浆出口端，且注浆管贯穿止浆器，止浆器为柱状结构，止浆器的轴线与注浆管的轴线平行或重合，所述止浆器的径向截面直径等于或小于矿井钻孔的内径，所述止浆器按照注浆管设置浆液流向方向依次由压板、膨胀层和托板组成，所述膨胀层的材料为吸水膨胀的材料。
止浆器外形设计能够使止浆器在矿井钻孔内自由上下移动，膨胀层吸水后膨胀，在压板和托板的作用下，膨胀层只能径向膨胀，从而使得膨胀层与矿井钻孔紧密贴合，防止裂隙水继续从止浆器与矿井钻孔之间的缝隙渗出，然后在通过注浆管向矿井钻孔内注浆，从而使得涌水裂隙被注浆堵塞。
本发明的另一方面提供了一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆方法，提供上述注浆装置，将注浆装置放入至矿井钻孔内，使膨胀层位于涌水裂隙的上方，封闭注浆管，膨胀层吸收矿井钻孔内的裂隙涌水后膨胀，直至矿井钻孔内裂隙涌水停止后，开启注浆管，并通过注浆管向矿井钻孔内注浆。
本发明的第三方面提供了一种矿井钻孔内裸孔段裂隙涌水的封堵方法，包括上述注浆方法，注浆完成后，将注浆装置取出后利用钻头清除矿井钻孔内注浆浆液固结体即可。
本发明的有益效果为：
1、本发明能较好解决矿井井下大口径钻孔井内涌水问题。
2、本发明利用带有韧性的膨胀材料被水浸泡后膨胀的原理，在刚性压板和下托板压制下，只能向周围膨胀伸展，封堵住刚性止浆器与大口径钻孔井壁之间的空隙，达到止水止浆目的。
3、本发明杜绝了使用模袋止浆注浆中模袋体积大，重量大容易在注浆管上滑脱移位并造成止水止浆失败的弊端，杜绝了模袋注浆后卡在孔内难以提出钻孔的难题。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为止浆器止水效果的检查图；
图3为注浆装置的注浆原理图；
图4为封堵裂隙涌水后并复钻的完成图；
其中，1、注浆接头Ⅰ，2、阀门Ⅰ，3、上旋紧压帽，4、膨胀层，5、防粘膜，6、裂隙，7、注浆接头Ⅱ，8、阀门Ⅱ，9、大口径钻孔，10、上注浆管，11、压板，12、托板，13、下旋紧压帽，14、止浆器注浆管，15、裂隙内涌水，16、混合浆液固结体。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本公开所述的矿井钻孔均为直径过Φ300mm的大口径钻孔。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法较好解决矿井井下大口径钻孔井内涌水不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置。
本公开的一种典型实施方式，提供了一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，由注浆管和止浆器组成，止浆器安装在注浆管的注浆出口端，且注浆管贯穿止浆器，止浆器为柱状结构，止浆器的轴线与注浆管的轴线平行或重合，所述止浆器的径向截面直径等于或小于矿井钻孔的内径，所述止浆器按照注浆管设置浆液流向方向依次由压板、膨胀层和托板组成，所述膨胀层的材料为吸水膨胀的材料。
止浆器外形设计能够使止浆器在矿井钻孔内自由上下移动，膨胀层吸水后膨胀，在压板和托板的作用下，膨胀层只能径向膨胀，从而使得膨胀层与矿井钻孔紧密贴合，防止裂隙水继续从止浆器与矿井钻孔之间的缝隙渗出，然后在通过注浆管向矿井钻孔内注浆，从而使得涌水裂隙被注浆堵塞。
为了防止托板与注浆浆液固结在一起，该实施方式的一种或多种实施例中，托板表面设有防粘层，所述防粘层为两层塑料膜粘附在托板表面，两层塑料膜之间进行胶粘封闭。能够有效防止托板与注浆浆液固结在一起，实现在注浆管的牵引下刚性止浆器与浆液固结体的脱离，把注浆装置安全顺利提出钻孔。
为了防止压板和托板的相对位移，该实施方式的一种或多种实施例中，压板一侧与膨胀层接触，压板的另一侧设有上旋紧压帽，托板的一侧与膨胀层接触，托板的另一侧设有下旋紧压帽，注浆管设有外螺纹，上旋紧压帽和下旋紧压帽的内壁设有与外螺纹配合的内螺纹。通过上下旋紧压帽将压板和托板进行固定，以使膨胀层更好向径向膨胀。
为了方便安装，该实施方式的一种或多种实施例中，所述注浆管由上注浆管和止浆器注浆管组成，上注浆管和止浆器注浆管通过螺纹连接，止浆器注浆管贯穿止浆器。
为了方便注浆、止水，该实施方式的一种或多种实施例中，上注浆管设有阀门。
注浆采用两种不同的组分进行同时灌注，为了方便两种组分的同时灌注，该实施方式的一种或多种实施例中，上注浆管设有两个注浆接头。两个注浆接头均设有阀门。
该实施方式的一种或多种实施例中，包括带有卡盘的钻机，卡盘将注浆管卡紧固定。
该实施方式的一种或多种实施例中，止浆器的轴线与注浆管的轴线重合。方便控制止浆器在矿井钻孔内的姿态。
本公开的另一种实施方式，提供了一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆方法，提供上述注浆装置，将注浆装置放入矿井钻孔内，使膨胀层位于涌水裂隙的上方，封闭注浆管，膨胀层吸收矿井钻孔内的裂隙涌水后膨胀，直至矿井钻孔内裂隙涌水停止后，开启注浆管，并通过注浆管向矿井钻孔内注浆。
该实施方式的一种或多种实施例中，将注浆装置放入矿井钻孔时，将注浆管上的阀门打开。减小注浆装置在矿井钻孔内下放的阻力。
该实施方式的一种或多种实施例中，将注浆管的阀门关闭实现封闭注浆管，当矿井钻孔内涌水停止后静置一段时间后，向注浆管中注入水，观察矿井钻孔是否有水溢出，当注水压力达到注浆设计压力而井口无水溢出时，则可进行注浆。防止注浆压力过大将注浆装置压出，避免止浆器止水失效。
本公开的第三种实施方式，提供了一种矿井钻孔内裸孔段裂隙涌水的封堵方法，包括上述注浆方法，注浆完成后，将注浆装置取出后利用钻头清除矿井钻孔内注浆浆液固结体即可。
该实施方式的一种或多种实施例中，注浆的浆液采用水泥-水玻璃浆液。
该实施方式的一种或多种实施例中，注浆结束，钻机将注浆装置提升至矿井钻孔外，然后利用钻机按照矿井钻孔口径使钻头在矿井钻孔内复钻，将矿井钻孔内注浆浆液固结体清除后，继续钻进，即可实现封堵涌水裂隙并继续矿井钻孔施工。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例说明本公开的技术方案。
实施例
一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，如图1所示，由注浆管和止浆器组成，所述注浆管包括上注浆管10、止浆器注浆管14，止浆器注浆管14通过螺纹连接在上注浆管10的出口，上注浆管10的进口端设有注浆接头Ⅰ1和注浆接头Ⅱ7，注浆接头Ⅰ1上设有阀门Ⅰ2，注浆接头Ⅱ7上设有阀门Ⅱ8。止浆器注浆管14贯穿止浆器。止浆器注浆管14的两端均设有外螺纹。
止浆器为柱状结构，由注浆浆液流动方向依次包括上旋紧压帽3、压板11、膨胀层4、托板12、下旋紧压帽13、防粘膜5组成，上旋紧压帽3和下旋紧压帽13均设有贯穿通道，贯穿通道内壁设有与止浆器注浆管14外螺纹配合的内螺纹，压板11、膨胀层4、托板12套在止浆器注浆管14上，通过上旋紧压帽3和下旋紧压帽13在止浆器注浆管14上的螺纹连接，使得压板11和托板12压紧膨胀层。托板12底表面设有防粘膜5，防粘膜5将托板12底表面、下旋紧压帽13外表面、止浆器注浆管14的出口表面包覆。
具体过程如图1～4所示，步骤如下：
施工现场对注浆装置中止浆器的制作及装配。
1、根据张马屯铁矿由-240水平向-360水井施工的溜渣井(大口径钻孔9)出现涌水的深度在32m处，确定刚性止浆器在钻孔内的安装位置位于大口径钻孔深度30m位置；根据大口径钻孔孔径为300mm确定注浆装置的直径为280mm。
2、制作刚性止浆器。选择止浆器注浆管14外径为60mm，壁厚4mm。因此根据止浆器注浆管14外径和大口径钻孔直径，确定压板11和下托板12外径为280mm，中心眼径为62mm。压板11和下托板12均用厚度为20mm的铁板按照上述直径尺寸加工而成，两表面要求平整，而且圆周端表面要光滑。
3、止浆器注浆管14分别在压板11和下托板12位置处用机床加工丝扣。扣型为普通螺纹扣。上旋紧压帽3和下旋紧压帽13内径及扣型与之配合的止浆器注浆管14相匹配。止浆器注浆管14顶端加工成内扣，为普通管子扣。其扣型要和与之连接的上注浆管10相同。
4、选择具有韧性和遇水能膨胀的膨胀层4。根据现场需要，选用了干透的驴皮作为膨胀层4的材料。驴皮按照压板11或托板12规格形状加工好。
5、组装刚性止浆器。首先依次把下旋紧压帽13、托板12、驴皮4、压板11、上旋紧压帽3按照顺序套在止浆器注浆管14上，然后分别旋紧上旋紧压帽3和下旋紧压帽13，使托板12和压板11把驴皮紧紧的压在里面，并压实。把驴皮露出在压板11和下托板12外面的部分消除掉。
6、安装防粘膜。防粘膜5选用的是具有一定韧性的厚塑料膜，塑料膜分两层，内层用强力胶把它粘贴在托板12的底表面上，贴好后防止浆液进入到内层膜与托板12的接触面上。外层与内层的边缘用强力胶粘贴封闭。用同样方法用塑料膜把出露在止浆器注浆管14的部分也包裹起来。
注浆装置在钻孔内的安装及注浆操作步骤
1、用上注浆管10通过丝扣连接刚性止浆器注浆管14，由上注浆管10把刚性止浆器送入到大口径钻孔内的设计深度即30m处。上注浆管10上端用钻机卡盘卡紧固定，并分别连接阀门Ⅰ、阀门Ⅱ和注浆接头Ⅰ、注浆接头Ⅱ。上述两阀门保持开启状态。
2、在利用上注浆管10牵引刚性止浆器下入到大口径钻孔内时，保持注浆管内眼畅通，使裂隙6内涌水15能通过注浆管内眼分别从两个注浆接头处溢出，另一部分水可从刚性止浆器与钻孔孔壁之间的间隙溢出。这样可以减小注浆装置在大口径钻孔内下放的阻力。
3、分别关闭上注浆管10顶部的阀门Ⅰ2、阀门Ⅱ8。观察大口径钻孔9内的涌水情况。当大口径钻孔9内涌水停止时，说明驴皮吸水膨胀后密闭了刚性止浆器与井壁的空隙，初步达到了止水效果。
4、止水合格后还要延迟一段时间，使驴皮充分膨胀，提高刚性止浆器的止水效果。
5、刚性止浆器止水合格后，分别在注浆接头Ⅰ和注浆接头Ⅱ上连接高压胶管，并使两路高压管分别连接相应的注浆泵。两注浆泵和与之相连的高压胶管分别输送A、B两种浆液。
6、分别开启阀门Ⅰ2、阀门Ⅱ8，开动注浆泵，通过注浆接头Ⅰ、注浆接头Ⅱ、上注浆管10、止浆器注浆管14向刚性止浆器下部的大口径钻孔9内内压清水，观察大口径钻孔9井口处是否有水溢出。当注水压力达到注浆设计压力而井口无水溢出时，说明刚性止浆器止水质量合格，可以通过注浆装置进行注浆了。
7、注浆选用具有速凝特性的水泥-水玻璃浆液。水泥标号为P.O 42.5R，水玻璃的波美度为35～40Be，模数2.4～2.8，两种浆液体积比为1：1。根据该处裂隙水压强值2.3MPa，选择注浆结束压力为5MPa。
注浆结束后的拆除注浆装置的步骤
1、用钻机通过卡盘强力提升上注浆管10，因为有防粘膜，刚性止浆器很容易脱离大口径钻孔9内的混合浆液固结体。逐根卸除注浆管的连接，最终把刚性止浆器提出大口径钻孔9之外。
2、在大口径钻孔9内下入钻头复钻，按照原大口径钻孔9内的钻井工艺扫除大口径钻孔9内的混合浆液固结体16后，继续钻进。
按照上述实施例的步骤于2013年8月16日在马屯铁矿进行施工，在-240水平向-360水平施工2个溜渣井，以便于在-360水平井底车场用矿车把废渣运到地面。溜渣井设计直径1200mm，透孔直径300mm。用反井法施工。溜渣井全段岩石为大理岩，大理岩裂隙发育。在透孔施工到32m时，出现了涌水，涌水量经测算为74.6m3/h，涌水从井巷外漫到提升立井，阻碍了该井巷的正常运输，增加了矿井的排水费用，并将严重威胁矿井排水安全。因为孔径大，钻孔没有注浆套管，所以无论是采用下套管注浆封堵还是下模袋注浆封堵都存在着一定风险，处理不好就会造成已完成工程量的报废，还要改变设计。因此根据岩石性质及钻孔孔壁完整情况，经实验反复模拟，最终采用了刚性止水器止水止浆后注浆堵水。
利用上述技术，较好封堵了马屯铁矿的3个溜渣井中的两个井中的涌水裂隙，取得满意效果。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆装置，其特征是，由注浆管和止浆器组成，止浆器安装在注浆管的注浆出口端，且注浆管贯穿止浆器，止浆器为柱状结构，止浆器的轴线与注浆管的轴线平行或重合，所述止浆器的径向截面直径等于或小于矿井钻孔的内径，所述止浆器按照注浆管设置浆液流向方向依次由压板、膨胀层和托板组成，所述膨胀层的材料为吸水膨胀的材料。
2.如权利要求1所述的注浆装置，其特征是，托板表面设有防粘层，所述防粘层为两层塑料膜粘附在托板表面，两层塑料膜之间进行胶粘封闭。
3.如权利要求1所述的注浆装置，其特征是，压板一侧与膨胀层接触，压板的另一侧设有上旋紧压帽，托板的一侧与膨胀层接触，托板的另一侧设有下旋紧压帽，注浆管设有外螺纹，上旋紧压帽和下旋紧压帽的内壁设有与外螺纹配合的内螺纹。
4.如权利要求1所述的注浆装置，其特征是，所述注浆管由上注浆管和止浆器注浆管组成，上注浆管和止浆器注浆管通过螺纹连接，止浆器注浆管贯穿止浆器。
5.如权利要求1所述的注浆装置，其特征是，上注浆管设有阀门；
或，上注浆管设有两个注浆接头；
或，止浆器的轴线与注浆管的轴线重合。
6.一种矿井钻孔内封堵裸孔段裂隙涌水的注浆方法，其特征是，提供权利要求1～5任一所述的注浆装置，将注浆装置放入矿井钻孔内，使膨胀层位于涌水裂隙的上方，封闭注浆管，膨胀层吸收矿井钻孔内的裂隙涌水后膨胀，直至矿井钻孔内裂隙涌水停止后，开启注浆管，并通过注浆管向矿井钻孔内注浆。
7.如权利要求6所述的注浆方法，其特征是，将注浆装置放入矿井钻孔时，将注浆管上的阀门打开。
8.如权利要求6所述的注浆方法，其特征是，将注浆管的阀门关闭实现封闭注浆管，当矿井钻孔内涌水停止后静置一段时间后，向注浆管中注入水，观察矿井钻孔是否有水溢出，当注水压力达到注浆设计压力而井口无水溢出时，则可进行注浆。
9.一种矿井钻孔内裸孔段裂隙涌水的封堵方法，其特征是，包括权利要求6～8任一所述的注浆方法，注浆完成后，将注浆装置取出后利用钻头清除矿井钻孔内注浆浆液固结体即可。
10.如权利要求9所述的封堵方法，其特征是，注浆的浆液采用水泥-水玻璃浆液；
或，注浆结束，钻机将注浆装置提升至矿井钻孔外，然后利用钻机按照矿井钻孔口径使钻头在矿井钻孔内复钻，将矿井钻孔内注浆浆液固结体清除后，继续钻进。
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