CN109854297B - 一种基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，充分利用定向钻探技术所具有的钻孔轨迹可控制、揭露采空区效率高、地面适应性强、钻探工程量小、固管材料消耗少、劳动强度低等优势，为煤矿采空区地质灾害治理工作开辟了一条创造性的新途径。本发明通过斜直段、造斜段之后水平进入煤层，水平钻探过程中遇到煤柱继续钻进，遇到采空区时，回收钻杆，进行注浆，待充填浆液固结达到再次成孔条件后，沿着原钻孔轨迹扫孔至前次成孔位置，在固结的人造地质体中继续钻进，当成孔过程中再次进入采空区时再进行注浆充填。由此，本发明在保证小煤窑采空区注浆治理效果的前提下大大减少了工程量、降低了工程造价，极具创新性，且应用范围广泛，市场前景更佳。
Description
技术领域
本发明涉及采空区地质灾害防治的技术领域，尤其涉及一种基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法。
背景技术
小煤窑采空区一般指煤矿开采后形成的采空范围较窄、开采深度较浅(多在100m范围内，最深可达200m～300m)、平面延伸在200m以内，以巷道采掘并向两边开挖支巷道、分布无规律或呈网格状、大多无支撑的或临时简单支撑的采空区。自20世纪80年代煤炭大面积开采以来，煤炭资源遭受疯狂开采，形成了大量的小煤窑采空区。随着我国城镇化、现代化进程的加快，建设用地问题日益突出，大量的基础建设如公路、铁路、桥梁、隧道、水库大坝、电厂、选煤厂、煤矿工业场地、高层及超高层等建(构)筑物不得不建设在小煤窑采空区上。
当在小煤窑采空区地表进行建(构)筑物建设时，下伏采空区会因为地表荷载或其它外力作用重新活化，进一步失稳，引发地表移动和变形，进而导致地表建(构)筑物开裂、倾斜、破坏甚至倒塌等灾害。为了保证上部建(构)筑物的安全建设及运营，必须对下伏小煤窑采空区进行治理。
由于小煤窑开采过程中无规划、回采率低、随意私采偷采、越界开采、无资料或资料不准确，在现有技术手段下，无法对其进行清楚定位和圈定开采范围。因此目前小煤窑采空区治理最常用的处理方法为地面垂直钻孔2对采空区进行充填注浆加固。如图1所示，对多个煤柱1之间的采空区进行注浆处理，需要在地面向下进行多个垂直打孔3，该些垂直打孔需要穿过第四系地层4、基岩层5进入采空区2，才能实现充填注浆加固，但该方法存在以下严重问题：
①工程量大，工程造价高。由于小煤窑的采空区2的范围无法准确确定，为了保证治理效果，更多的实现采空区注浆，在治理过程只能采用在整个区域内按阵列状进行均匀布置钻孔，钻孔间距一般为10～25m，这就造成在一个区域内需要大规模的垂直打孔，导致整体的工程量非常大，工程造价也非常高。
②无效钻孔比例较大。如图1所示，垂直钻孔3以点的形式探测揭露采空区，存在很大的不确定性和偶然性，垂直钻孔3进入目的层位未能揭露采空区时，则该钻孔注浆量非常小，对采空区治理作用甚微，只能垂直钻孔3准确进入采空区2才能达到治理目的。因此，在钻探注浆治理导致钻探工程中存在很大一部分无效的垂直钻孔3。根据以往工程案例的统计，无效钻孔比例至少高达70％以上，导致大量的钻探工程成为无效工程，钻探成本浪费了至少70％。
③固管工作及材料消耗量大。垂直钻探注浆中，由于覆盖层4为松散层，浆液进入该层会导致地表抬升等不良现象，为防止浆液注入该层位，常采用下入无缝钢管固孔。由于钻孔数量大，每个钻孔都需要进行固管工作，导致钢管材料消耗量巨大，大大提高工程造价。
④在一些地表条件比较复杂的区域，如既有建(构)筑物、水体、地形起伏较大、林地等地表障碍物区域，垂直钻孔施工存在搬家难度大、延误工期等问题。同时，考虑覆岩移动角影响范围以及安全保护带宽度，采空区治理面积往往远超出拟建建(构)筑物的征地范围，造成临时征地问题。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，以克服上述缺陷。
发明内容
针对小煤窑垂直钻探充填治理治理中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其能有效克服现有技术的缺陷，克服垂直钻探工艺在小煤窑采空区注浆技术中存在的弊端，在保证小煤窑采空区治理效果的前提下大大减少了工程量，降低了工程造价。
为实现上述目的，本发明公开了一种定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤1，钻孔布设，在小煤窑采空区治理区域上设计定向钻孔的布设和数量，并确定定向钻孔的参数设计；
步骤2，确定注浆材料，包含三种材料，分别为水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂；
步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，其中，先下入钻具进行斜直段和造斜段的钻入后水平进入煤层，水平钻井过程中遇到煤柱则继续钻进成孔，在钻进成孔过程遇到采空区时，回收钻具并对采空区注浆充填，即利用步骤2确定的注浆材料进行采空区注浆，待注浆材料固结达到再次成孔条件后，沿着原钻孔轨迹扫孔至前次成孔位置，在注浆材料固结的人造地质体和煤柱中继续钻进成孔，当钻进成孔过程中再次进入采空区时再进行注浆充填，依次重复上述钻进和注浆充填直至施工钻孔轨迹达到预定位置后注浆封孔。
其中：在步骤1中，根据小煤窑采空区治理区域的改造情况进行定向钻孔的布设，其中，对于需要在小煤窑采空区上实施线性工程的，设置定向钻孔的方向为垂直线路走向进行布设，对于需要在小煤窑采空区上实施场地工程的，设置定向钻孔的方向为垂直地层走向进行布设。
其中：在步骤1中，定向钻孔的参数包含定向钻孔的数量、间距、垂深、开孔倾角、水平钻进距离、定向等，各定向钻孔相互平行设置且之间间距相同。
其中：各定向钻孔为竖直平面上的两维平面定向孔，所述定向钻孔的垂深为小煤窑采空区的深度，水平钻进距离根据小煤窑采空区治理区域进行设置，且一般不大于500m，开孔倾角为15°～20°。
其中：在步骤2中，注浆材料中各材料用量按①式至③式计算，
式中，Wc为水泥质量(kg)，We为粉煤灰或黏性土质量(kg)，Ww为水的质量(kg)，Vg为浆液体积(L)，α为浆液中水泥所占质量比例，β为浆液中粉煤灰或黏性土所占质量质量比例，γ为浆液中水所占质量比例，dc为水泥相对密度，de为粉煤灰或黏性土相对密度，dw为水的相对密度。
其中：在步骤2中，浆液配比中水固质量比取1:1.0～1:1.3，水泥和粉煤灰或粘土的质量比为2:8～3:7，速凝剂掺量为水泥重量的3％～5％。
其中：在步骤3中，每一定向钻孔均采用三开方式钻进，一开：实施斜直段，斜直段的开孔倾角为15°～20°，钻入稳定基岩垂直深度10m，并下入表层套管，套管高出地面20cm，固孔水泥浆返至地面；二开：实施造斜段，定向钻进至见煤层，该造斜段将斜直段按一定曲率半径转为水平方向，下入地质套管，固井水泥浆返至基岩面；三开：沿煤层水平定向钻进，裸眼完井。
其中：在步骤3中，多个定向钻孔分为第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔，所述第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔相互间隔设置，所述第一序列定向钻孔包含位于最外侧的两个定向钻孔，首先从外至内两侧依次间隔实施第一序列定向钻孔，然后再从外至内两侧依次间隔实施第二序列定向钻孔，这种施工顺序能非常好地适应采空区地质条件，对采空区进行了充分注浆充填，且二序列钻孔较一序列钻孔施工速度快，提高了整体施工效率。
由此，本发明能实现如下技术效果：
(1)创造性的将定向钻孔灵活应用于小煤窑采空区的地质灾害防治领域中，且本发明通过多个定向钻孔能避免大量的阵列状的进行垂直钻孔操作，能大幅降低了钻探工程量，减少了钻机搬运、钻机场地平整、修路次数、固管工作及管材消耗等，从而有效的降低了钻探成本，至少降低了工程造价3％以上；
(2)本发明中定向钻孔在施工条件允许的情况下，利用钻孔轨迹可控制的优势，最大程度的在煤层中钻进，扩大了钻孔探测揭露采空区的覆盖范围和精度，避免重复浪费，能提高工程效率；
(3)在一些地表条件比较复杂的区域，如既有建(构)筑物、水体、地形起伏较大、林地等地表障碍物区域，采用定向钻探工艺可以有效的避开地表施工的不利因素，如无需临时征地，可有效避开难以钻孔区域等，并达到更好的采空区治理目的。
附图说明
图1为现有技术中垂直钻探进行注浆的剖面示意图；
图2为本发明的定向钻孔平面布置示意图；
图3为本发明的定向钻孔轨迹剖面示意图。
附图标记：
1-煤柱；2-采空区；3-垂直钻孔；4-第四系地层；5-基岩层；6-治理区域边界；7-定向孔开孔位置；8-钻孔序次编号；9-地表障碍物；10-开孔倾角；11-H40套管；12-J55钢管；13-水泥浆；14-注浆充填体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图2和图3，显示了本发明的基于定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其具体按照以下步骤实施：
步骤1，钻孔布设，在小煤窑采空区治理区域上设计定向钻孔的布设和数量，并确定定向钻孔的参数设计。根据小煤窑采空区治理区域的改造情况进行定向钻孔的布设，其中，对于需要在小煤窑采空区上实施公路、桥梁、铁路、及高铁等线性工程的，设置定向钻孔的方向为垂直线路走向进行布设，对于需要在小煤窑采空区上实施大坝、商品房、电厂、化工厂等场地工程的，设置定向钻孔的方向为垂直地层走向进行布设。
其中，定向钻孔的参数包含定向钻孔的数量、间距、垂深、开孔倾角、水平钻进距离、定向等，可根据小煤窑治理区域的大小设置定向钻孔的数量和排布，各定向钻孔相互平行设置且间距基本相同，其中，优选的各定向钻孔的间距为10～20m，各定向钻孔为竖直平面上的两维平面定向孔，所述定向钻孔的垂深为小煤窑采空区的深度，水平钻进距离根据小煤窑采空区治理区域进行设置，一般水平钻进距离不大于500m，开孔倾角大于10°，优选的是，开孔倾角以15°～20°为宜。
步骤2，确定注浆材料，针对小煤窑采空区的特点，本发明通过反复试验和创造性的设计，确定注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂(优选为水玻璃)组成，其中，各材料用量可按①式至③式计算，式中，Wc为水泥质量(kg)，We为粉煤灰或黏性土质量(kg)，Ww为水的质量(kg)，Vg为浆液体积(L)，α为浆液中水泥所占质量比例，β为浆液中粉煤灰或黏性土所占质量比例，γ为浆液中水所占质量比例，dc为水泥相对密度，de为粉煤灰或黏性土相对密度，dw为水的相对密度。
浆液配比中水与固体材料(水泥粉和粉煤灰或黏土之和)质量比宜取1:1.0～1:1.3，水泥与粉煤灰或黏土的质量比宜为2:8～3:7，速凝剂掺量为水泥质量的3％～5％。
步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，其中，先下入钻具进行斜直段和造斜段的钻入后水平进入煤层，水平钻井过程中遇到煤柱则继续钻进成孔，在钻进成孔过程遇到采空区时，回收钻具并对采空区注浆充填，即利用步骤2确定的注浆材料进行采空区注浆，待注浆材料固结达到再次成孔条件后，沿着原钻孔轨迹扫孔至前次成孔位置，在注浆材料固结的人造地质和煤柱中继续钻进成孔，当钻进成孔过程中再次进入采空区时再进行注浆充填，依次重复上述钻进和注浆充填直至施工钻孔轨迹达到预定位置后注浆封孔。
参见图3，每一定向钻孔11均采用三开方式钻进，一开：实施斜直段，斜直段的开孔倾角10优选为15°～20°，可采用ZDY12000LD钻机及Φ311.15mm钻头钻入稳定基岩4垂直深度10m，并下入H40钢级Φ244.5mm表层套管11，套管高出地面20cm，灌入1:1.5水泥浆液，固孔水泥浆液返至地面，固孔时间不得小于24h；二开：实施造斜段，采用MWD定向钻具及Φ215.9mm钻头定向钻进至见煤层1，该造斜段将斜直段按一定曲率半径转为水平方向，优选的曲率半径大于150m，而小于300m，下入J55钢级Φ177.8mm技术套管12，灌入1:1.5水泥浆液，固孔水泥浆液返至基岩面，固孔时间不得小于24h；三开：采用Φ152.4mm钻头沿5号煤层水平定向钻进，裸眼完井。
其中，本发明中定向钻孔的顺序可如图2所示，图中根据治理区域边界6确定定向钻孔7的数量和开孔位置，如图2所示，多个定向钻孔7分为第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔，所述第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔相互间隔设置，所述第一序列定向钻孔包含位于最外侧的两个定向钻孔，首先从外至内两侧依次间隔实施第一序列定向钻孔，然后再从外至内两侧依次间隔实施第二序列定向钻孔，这种施工顺序能非常好的适应地质条件，且再施工时能对各孔中的采空区进行充分的注浆充填，通过不断的测试，本发明中图2的顺序即为从一侧最外的第一序列定向钻孔1-1，再进行另一侧最外的第一序列定向钻孔1-2，然后是第一序列定向钻孔内侧的第一序列定向钻孔1-3，依次施工余下的第一序列定向钻孔1-4、1-5、1-6，同样对第二序列定向钻孔2-1、2-2、2-3、2-4、2-5也按照这样的顺序依次施工，这种间隔跳跃式的施工方式，即保证了最大化的对采空区进行充分充填，还能保证施工的顺利进行。
由此可见，本发明的优点在于：
(1)创造性的将定向钻孔灵活应用于小煤窑采空区的地质灾害防治领域中，且本发明通过多个定向钻孔能避免大量的阵列状的进行垂直钻孔操作，能大幅降低了钻探工程量，减少了钻机搬运、钻机场地平整、修路次数、固管工作及管材消耗等，从而有效的降低了打孔成本，至少降低了工程造价50％以上；
(2)本发明中定向钻孔在施工条件允许的情况下，利用钻孔轨迹可控制的优势，最大程度的在煤层中钻进，扩大了钻孔探测揭露采空区的覆盖范围和精度，避免重复浪费，能提高工程效率；
(3)在一些地表条件比较复杂的区域，如既有建(构)筑物、水体、地形起伏较大、林地等地表障碍物区域，采用定向钻探工艺可以有效的避开地表施工的不利因素，如无需临时征地，可有效避开难以钻孔区域等，并达到更好的采空区治理目的。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (6)
1.一种定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤1，钻孔布设，在小煤窑采空区治理区域上设计定向钻孔的布设和数量，并确定定向钻孔的参数设计；
步骤2，确定注浆材料，包含三种材料，分别为水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂，各材料用量按①式至③式计算，
式中，Wc为水泥质量kg，We为粉煤灰或黏性土质量kg，Ww为水的质量kg，Vg为浆液体积L，α为浆液中水泥所占质量比例，β为浆液中粉煤灰或黏性土所占质量质量比例，γ为浆液中水所占质量比例，dc为水泥相对密度，de为粉煤灰或黏性土相对密度，dw为水的相对密度；
步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，其中，先下入钻具进行斜直段和造斜段的钻入后水平进入煤层，水平钻探过程中遇到煤柱则继续钻进成孔，在钻探成孔过程遇到采空区时，回收钻具并对采空区注浆充填，即利用步骤2确定的注浆材料进行采空区注浆，待注浆材料固结达到再次成孔条件后，沿着原钻孔轨迹扫孔至前次成孔位置，在注浆材料固结的人造地质体和煤柱中继续钻进成孔，当钻进成孔过程中再次进入采空区时再进行注浆充填，依次重复上述钻进和注浆充填直至施工钻孔轨迹达到预定位置后注浆封孔；
多个定向钻孔分为第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔，所述第一序列定向钻孔和第二序列定向钻孔相互间隔设置，所述第一序列定向钻孔包含位于最外侧的两个定向钻孔，首先从外至内两侧依次间隔实施第一序列定向钻孔，然后再从外至内两侧依次间隔实施第二序列定向钻孔，这种施工顺序能非常好地适应采空区地质条件，对采空区进行了充分注浆充填，且第二序列定向钻孔较第一序列定向钻孔施工速度快，提高了整体施工效率。
2.如权利要求1所述的定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于：在步骤1中，根据小煤窑采空区治理区域的改造情况进行定向钻孔的布设，其中，对于需要在小煤窑采空区上实施线性工程的，设置定向钻孔的方向为垂直线路走向进行布设，对于需要在小煤窑采空区上实施场地工程的，设置定向钻孔的方向为垂直地层走向进行布设。
3.如权利要求1所述的定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于：在步骤1中，定向钻孔的参数包含定向钻孔的数量、间距、垂深、开孔倾角、水平钻进距离、定向，各定向钻孔相互平行设置且间距相同。
4.如权利要求3所述的定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于：各定向钻孔为竖直平面上的两维平面定向孔，所述定向钻孔的垂深为小煤窑采空区的深度，水平钻进距离根据小煤窑采空区治理区域进行设置，且一般不大于500m，开孔倾角为15°～20°。
5.如权利要求1所述的定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于：在步骤2中，浆液配比中水固质量比取1:1.0～1:1.3，水泥和粉煤灰或粘土的质量比为2:8～3:7，速凝剂掺量为水泥重量的3％～5％。
6.如权利要求1所述的定向钻探工艺的小煤窑采空区注浆方法，其特征在于：在步骤3中，每一定向钻孔均采用三开方式钻进，一开：实施斜直段，斜直段的开孔倾角为15°～20°，钻入稳定基岩垂直深度10m，并下入表层套管，套管高出地面20cm，固孔水泥浆返至地面；二开：实施造斜段，定向钻进至见煤层，该造斜段将斜直段按一定曲率半径转为水平方向，下入地质套管，固井水泥浆返至基岩面；三开：沿煤层水平定向钻进，裸眼完井。
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Legal Events
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Liu Tianlin Inventor after: Tian Yanzhe Inventor after: Chen Chao Inventor after: Zhang Xin Inventor after: Li Pan Inventor after: Liu Xiaoping Inventor after: Wang Yutao Inventor after: Zhang Baoyuan Inventor after: Cao Xiaoyi Inventor after: Zhao Wenhao Inventor after: Bai Zhongrong Inventor after: Liu Haoqi Inventor after: Liu Xinxing Inventor before: Liu Tianlin Inventor before: Tian Yanzhe Inventor before: Chen Chao Inventor before: Zhang Xin Inventor before: Li Shan Inventor before: Liu Xiaoping Inventor before: Wang Yutao Inventor before: Zhang Baoyuan Inventor before: Cao Xiaoyi Inventor before: Zhao Wenhao Inventor before: Bai Zhongrong Inventor before: Liu Haoqi Inventor before: Liu Xinxing |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20210716 Address after: 300000 building 709, Minghai center, CCCC C Valley, pilot Free Trade Zone, Binhai New Area, Tianjin (Dongjiang Bonded Port Area) Patentee after: China Coal Science and Technology Co.,Ltd. Address before: No.82, Jinye 1st Road, hi tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: XI'AN RESEARCH INSTITUTE OF CHINA COAL TECHNOLOGY & ENGINEERING Group Corp. |