CN109899089A - 基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法 - Google Patents

Abstract

一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，包括以下步骤：步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计羽状水平分支定向钻孔，包含垂直段、造斜段和裂隙带水平延伸段；步骤2，确定注浆材料，注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂组成；步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，先下入钻具进行垂直段和造斜段的钻入，并水平进行前进式钻探注浆；由此，本发明克服垂直钻探工艺在综采工作面采空区注浆技术中存在的弊端，利用定向钻孔，从地表向裂隙带内的中下部层位施工羽状水平分支定向钻孔，对采空区冒落带岩体、地下残留空洞及裂隙进行充填注浆加固，彻底消除老采空区活化空间，达到更有效的采空区治理效果。

Description

基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法

技术领域

本发明涉及采空区地质灾害防治的技术领域，尤其涉及一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法。

背景技术

2010年后，我国煤矿综合机械化采煤(简称“综采”)比例大幅提高，目前我国大型矿山基本采用综采方式开采，形成了大量综采采空区。综采采空区面积大，顶板垮落充分，“三带”发育较规律。经过长时间的自然压实，开采后的地下空间逐渐达到一种“应力平衡”状态，但开采引起的地下空洞、离层、裂隙和冒落带的欠压密现象仍长期存在，当采空区上方发生修建建(构)筑物、地震活动及强排地下水等行为时,平衡状态被打破，老采空区“活化”，冒落带、裂隙带岩体再压密、地下残留空洞再冒落,导致地表产生附加移动和变形,进而使建筑物发生不均匀沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。由此可见，采空区“活化”引起的地质灾害问题对基础设施建设带来了极大的安全隐患。

目前综采工作面采空区地质灾害治理的一种方法如图1所示，治理区域边界6内的煤层底板1上依次为冒落带2、裂隙带3、弯曲下沉带4，通过多个地面向下且间隔密集分布的垂直钻孔5对采空区内的冒落带2岩体、地下残留空洞进行充填注浆加固，以消除老采空区“活化”空间。该方法主要存在以下几个问题：

①工程量大，工程造价高。由于综采老采空区分布面积大，为了保证治理效果，更多的揭露采空区，治理过程多采用均匀布置钻孔，垂直钻孔5的间距一般为10～25m，从而导致在治理区域内需要大量的垂直钻孔5，直接导致工程量极大，工程造价非常高。

②有效钻探量小，有效注浆段小。综采老采空区埋藏较深(多大于300m)，垂直钻孔5中70％以上的钻探量均为第四系及裂隙带之上岩层，注浆有效段仅为采空区、冒落带及裂隙带，因此垂直钻探工艺导致无效钻探量大。同时，垂直钻探工艺在平面上以点的形式贯穿采空区裂隙带及冒落带或空洞，注浆覆盖范围较小，有效注浆段小。

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，常采用下入孔口管固孔，孔口管常采用DN125焊管或127mm无缝钢管。由于钻孔数量大，每个钻孔都需要进行固管工作，导致材料消耗量巨大，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(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，综合多年来长期从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，以克服垂直钻探工艺在综采工作面采空区注浆技术中存在的弊端，利用定向钻孔，从地表向裂隙带内的下部层位施工羽状水平分支定向钻孔，对采空区垮裂带岩体、地下残留空洞进行充填注浆加固，彻底消除老采空区活化空间，达到更有效的采空区治理效果。

为解决上述问题，本发明公开了一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，针对的综采采空区在治理区域边界内的煤层底板上依次为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，其特征在于该采空区注浆方法包括以下步骤：

步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计羽状水平分支定向钻孔的布设和数量，羽状水平分支定向钻孔包含从开孔位置向下进行的垂直段、从垂直段延伸的造斜段和从造斜段延伸的裂隙带水平延伸段，该裂隙带水平延伸段从治理区域的中间位置沿箭头所示的综采工作面走向进行延伸，在该裂隙带水平延伸段上等距间隔设有多个分支点，从各分支点朝治理区域两侧的综采工作面边界延伸有呈羽状曲线设置的各分支孔；

步骤2，确定注浆材料，注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂组成；

步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，其中，先进行垂直段钻探，接着下入定向钻具继续钻进完成剩余的垂直段及造斜段，直至水平进入裂隙带中下部目标层位后，在裂隙带水平钻进，每钻进30～50m或出现漏水、卡钻等情况时，应退钻注浆，钻进至第一个分支点位时开始开分支并直至钻至分支孔终点，起钻注浆，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，沿着原钻孔轨迹继续扫孔至后一分支位置，进行分支孔钻进及注浆充填工作，依次重复上述扫孔、主孔及分支钻孔和注浆充填直至施工完成后注浆封孔。

其中：所述各分支孔间隔分叉向两侧分别弯曲延伸至综采工作面边界，且各分支孔的曲率半径均相同。

其中：步骤2中各材料用量按①式至③式计算，

式中，W_c为水泥质量(kg)，W_e为粉煤灰或黏性土质量(kg)，W_w为水的质量(kg)，V_g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，d_c为水泥相对密度，d_e为粉煤灰或黏性土相对密度，d_w为水的相对密度。

其中：浆液配比中水与固体材料质量比为1:1.0～1:1.2，水泥与粉煤灰或黏土的质量比为2:8～3:7，速凝剂掺量为水泥质量的3％～5％。

其中：羽状水平分支定向钻孔采用三开方式钻进，一开：实施垂直段，采用钻机钻头钻入垂直深度10m，并下入表层套管，表层套管高出地面20cm，灌入纯水泥浆液固孔；二开：实施造斜段，采用定向钻具及钻头定向钻进至裂隙带底部一定距离，该造斜段从垂直段按一定曲率半径转为水平方向，下入技术套管，灌入纯水泥浆液固孔；三开：采用钻头进行裂隙带水平延伸段的钻进。

其中：各分支孔在主钻孔上的分支点的间距为25～40m，各分支孔的曲率半径不小于160m，且不大于200m。

其中：每次注浆前采用清水进行压水洗孔，以疏通钻孔周边岩石裂隙。

通过上述结构可知，本发明的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法具有如下效果：

1、开创性的将羽状水平分支定向钻孔灵活应用于综采采空区的地质灾害防治领域中，且本发明通过定向钻孔能避免大量的梅花排列式垂直钻孔操作，大幅降低了钻探工程量，减少了钻机搬运、钻机场地平整、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25％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，最大程度的在裂隙带底部钻进，充填浆液可通过裂隙带进入冒落带，同时通过分支孔注浆，扩大了钻探注浆的覆盖范围和精度，且避免重复钻探工作，显著提高工程效率；

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。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了现有技术中垂直钻探进行注浆的剖面示意图。

图2显示了本发明的基于羽状水平分支定向钻探工艺的定向钻孔平面布置示意图。

图3显示了本发明的定向钻孔轨迹剖面示意图。

附图标记：

1-煤层底板；2-冒落带；3-裂隙带；4-弯曲下沉带；5-垂直钻孔；6-治理区域边界；7-开孔位置；8-分支点；9-分支孔；10-综采工作面边界；11-表层套管；12-技术套管；13-水泥浆液。

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羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法。

所述基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法针对的综采采空区同样如图1所示，该综采采空区在治理区域边界6内的煤层底板1上依次为冒落带2、裂隙带3和弯曲下沉带4，所述冒落带2内为大量大小不一的落石，冒落带上承载有裂隙带3和弯曲下沉带4，为实现在该综采采空区中的顺利注浆，开创性的应用了羽状水平分支定向钻孔的施工，具体而言，该采空区注浆方法包括以下步骤：

步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计羽状水平分支定向钻孔的布设和数量，并确定羽状水平分支定向钻孔的参数设计。其中，羽状水平分支定向钻孔的开孔位置7优选设置在治理区域外工作面的端部中间位置，所述羽状水平分支定向钻孔如图1和图2所示，其包含从开孔位置7向下进行的垂直段、从垂直段延伸的造斜段A和从造斜段A延伸的裂隙带水平延伸段B，该裂隙带水平延伸段B从治理区域的中间位置沿箭头所示的综采工作面走向进行延伸，在该裂隙带水平延伸段B上等距间隔设有多个分支点8，从各分支点8朝治理区域两侧的综采工作面边界10延伸有呈羽状曲线设置的各分支孔9，各分支孔9的羽状曲线为图2所示，各分支孔9间隔分叉向两侧分别弯曲延伸至综采工作面边界10，且各分支孔9的曲率半径均相同，通过羽状曲线设置，各分支孔9能更好的覆盖整个综采采空区的治理区域，且在注浆中更为简便。

其中，所述羽状水平分支定向钻孔的垂直段和造斜段A的垂深为地表至裂隙带底部一定距离，优选的是，该一定距离为冒落带向上10～15m的裂隙带位置，裂隙带水平延伸段B的水平钻进距离根据综采采空区治理区域进行设置，一般水平钻进距离不大于800m为竖直平面上的两维平面定向孔。

步骤2，确定注浆材料，针对综采采空区的特点，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，W_c为水泥质量(kg)，W_e为粉煤灰或黏性土质量(kg)，W_w为水的质量(kg)，V_g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，d_c为水泥相对密度，d_e为粉煤灰或黏性土相对密度，d_w为水的相对密度。

浆液配比中水与固体材料(水泥和粉煤灰或黏土之和)质量比宜取1:1.0～1:1.2，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，先下入钻具进行垂直段和造斜段A的钻入，并水平进行前进式钻探注浆方法，该前进式钻探注浆方法为钻探和注浆交替进行，即裂隙带水平延伸段B施工直至第一个分支点8的位置，退钻后进行第一个分支孔9的钻进，第一个分支孔9的钻进完成后退钻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，并继续钻入至第二个分支点后进行第二个分支孔的钻进，再次进行注浆充填，依次重复上述钻进和注浆充填直至完成最后一个分支孔后注浆封孔。

优选的是，所述第一个分支点和第二个分支点均位于综采采空区的治理区域外，第三个分支点位于综采采空区的治理区域边缘。

参见图3，羽状水平分支定向钻孔采用三开方式钻进，一开：实施垂直段，可采用ZJ20钻机及Φ313.3mm钻头钻入稳定基岩垂直深度10m，并下入H40钢级Φ244.5mm表层套管11，表层套管11高出地面20cm，灌入1:1.5水泥浆液13固孔，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钻头定向钻进至裂隙带底部一定距离，优选的是，该一定距离为冒落带向上10～15m的裂隙带位置，该造斜段从垂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，采用1：1.5水泥浆液13固孔，固孔时间不得小于24h，固孔浆液返至基岩面；三开：采用Φ152.4mm钻头进行裂隙带水平延伸段B的钻进，且各分支孔点等距间隔设置，各分支点的间距优选为15～25m，各分支孔的曲率半径不小于160m，优选的是应大于200m。

优选的是，实测记录羽状水平分支钻孔不同区域、不同次序注浆量、浆液浓度、注浆压力等数据，分析羽状水平分支钻孔的成孔层位、数量、分支孔间距、孔深、注浆压力、浆液浓度等技术参数，进一步优化确定适用于羽状水平分支钻孔的成孔技术参数和注浆工艺参数，并在下一个钻孔成孔和注浆过程中进行应用和再优化。

其中，每次注浆前采用清水进行压水洗孔，以疏通钻孔周边岩石裂隙。

由此可见，本发明的优点在于：

(1)创造性的将羽状水平分支定向钻孔灵活应用于综采采空区的地质灾害防治领域中，且本发明通过定向钻孔能避免大量的梅花排列式垂直钻孔操作，大幅降低了钻探工程量，减少了钻机搬运、钻机场地平整、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25％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，最大程度的在裂隙带底部钻进，充填浆液可通过裂隙带进入冒落带，同时通过分支孔注浆，扩大了钻探注浆的覆盖范围和精度，且避免重复钻探工作，显著提高工程效率；

(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 (7)

1.一种基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，针对的综采采空区在治理区域边界内的煤层底板上依次为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，其特征在于该采空区注浆方法包括以下步骤：

步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计羽状水平分支定向钻孔的布设和数量，羽状水平分支定向钻孔包含从开孔位置向下进行的垂直段、从垂直段延伸的造斜段和从造斜段延伸的裂隙带水平延伸段，该裂隙带水平延伸段从治理区域的中间位置沿箭头所示的综采工作面走向进行延伸，在该裂隙带水平延伸段上等距间隔设有多个分支点，从各分支点朝治理区域两侧的综采工作面边界延伸有呈羽状曲线设置的各分支孔；

步骤2，确定注浆材料，注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂组成；

步骤3，进行各定向钻孔的钻入及注浆操作，其中，先下入钻具进行垂直段和造斜段的钻入，并水平进行前进式钻探注浆方法，该前进式钻探注浆方法为钻探和注浆交替进行，即裂隙带水平延伸段每钻进30～50m或出现漏水、卡钻等情况时，应退钻注浆，钻进至第一个分支点位时开始开分支并直至钻至分支孔终点，起钻注浆，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，沿着原钻孔轨迹继续扫孔至后一分支位置，进行分支孔钻进及注浆充填工作，依次重复上述扫孔、主孔及分支钻孔和注浆充填直至施工完成后注浆封孔。

2.如权利要求1所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：所述各分支孔间隔分叉向两侧分别弯曲延伸至综采工作面边界，且各分支孔的曲率半径均相同。

3.如权利要求1所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：步骤2中各材料用量按①式至③式计算，

式中，W_c为水泥质量(kg)，W_e为粉煤灰或黏性土质量(kg)，W_w为水的质量(kg)，V_g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，d_c为水泥相对密度，d_e为粉煤灰或黏性土相对密度，d_w为水的相对密度。

4.如权利要求3所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：浆液配比中水与固体材料质量比为1:1.0～1:1.2，水泥与粉煤灰或黏土的质量比为2:8～3:7，速凝剂掺量为水泥质量的3％～5％。

5.如权利要求1所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：羽状水平分支定向钻孔采用三开方式钻进，一开：实施垂直段，采用钻机钻头钻入垂直深度10m，并下入表层套管，表层套管高出地面20cm，灌入纯水泥浆液固孔；二开：实施造斜段，采用定向钻具及钻头定向钻进至裂隙带中下部目标层位，将造斜段从垂直段按一定曲率半径转为水平方向，下入技术套管，灌入纯水泥浆液固孔；三开：采用钻头进行裂隙带水平延伸段的钻进。

6.如权利要求1所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：各分支点的间距为25～40m，各分支孔的曲率半径不小于160m，且不宜大于200m。

7.如权利要求1所述的基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法，其特征在于：每次注浆前采用清水进行压水洗孔，以疏通钻孔周边岩石裂隙。