CN110173301B - 基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法 - Google Patents

基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法 Download PDF

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Abstract

一种基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其应用于埋深400m以上的综采采空区，其包括以下步骤：步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计集束式多分支定向钻孔的布设位置和数量；步骤2，确定注浆材料，所述注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂组成；步骤3，进行多个集束式多分支定向钻孔的钻入及注浆操作；由此，本发明开创性的将集束式多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，大幅降低了钻探工程量，减少了消耗，从而有效的降低了钻探成本，同时，利用钻孔轨迹可控制的优势，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，并达到更好的采空区治理目的。

Description

基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法
技术领域
本发明涉及采空区地质灾害防治的技术领域，尤其涉及一种基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法。
背景技术
自20世纪80年代煤炭大面积开采以来，助推经济高速发展的同时，带来了一系列地质和环境问题，如地面塌陷，建筑物、道路、地面和地下水系破坏，村庄农田和林地植被损害等。尤其是大量综采采空区的存在，其影响面积大，顶板垮落充分，“三带”发育较规律，随着我国基础设施建设的持续推进，用地越来越紧张，对综采采空区上方土地利用已经成为一个不可避免的实际问题，很多工程建设项目不得不面对采空区治理的问题。
在综采采空区上方发生进行建(构)筑物建设、或发生地震及强排地下水等行为时，导致采空区冒落带、裂隙带岩体再压密、地下残留空洞再冒落，从而在地表产生附加移动和变形，使建(构)筑物发生不均匀沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌，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
如图1所示，目前综采采空区治理中常采用的方法是通过在地面通过施工阵列状排布的多个垂直钻孔5对采空区进行全充填注浆加固，由于在煤层底板1上依次为冒落带2、裂隙带3和弯曲下沉带4，故在进行垂直钻孔5时，需要根据治理区域边界进行大量的垂直钻孔5的施工，该方法自应用以来，因其工艺简单、治理效果好，得到了广泛的应用和推广。但随着应用领域的不断拓展，以及环保、成本控制等要求的提高，常规垂直钻探工艺在采空区治理中存在的弊端越发突出，主要有以下几个方面：
(1)常规垂直钻孔，钻孔数量大，工程造价高。由于综采采空区面积大，全充填注浆一般采用均匀布孔，垂直钻孔5的孔间距一般为10～25m，因此钻孔数量大，工程费用高。
(2)有效钻探量小，有效注浆段小。综采采空区埋藏较深(多大于300m)，垂直钻孔5中50％～70％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方式，孔口管一般采用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集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，适用于埋深400m以上的综采采空区，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集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其能有效的适用于埋深400m以上的综采采空区，克服垂直钻探工艺在综采采空区注浆技术中存在的弊端，利用定向钻探工艺，对钻孔进行多次分支，同时通过各分支孔注浆，确保浆液进入采空区垮落带岩体、地下残留空洞，从而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
通过上述结构可知，本发明的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法具有如下效果：
1、开创性的将集束式多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、固孔工作及管材消耗等，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，在综采工作面形成墩台式注浆，降低工程成本。同时，利用钻孔轨迹可控制的优势，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集束式多分支井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-套管；12-水泥浆液。
具体实施方式
参见图2和3，显示了本发明的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法。
所述基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法针对的综采采空区同样如图1所示，其应用于埋深400m以上的综采采空区，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，开创性的应用了集束式多分支井定向钻孔的施工，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集束式多分支定向钻孔的布设位置和数量，并确定各分支定向钻孔的参数。其中，根据综采采空区的治理区域至少包含一个综采工作面条带，该综采工作面条带上设置多个间隔排列的集束式多分支井，各集束式多分支井的主井的开孔位置7优选在设置在综采工作面条带的中间位置，采用墩台式注浆，各主井开孔的孔间距优选为90-100m，如图2和图3所示，所述集束式多分支定向钻孔包含从开孔位置7向下进行的垂直主井，以及在主井上呈辐射状散开的多个分支孔9，多个分支孔9从开孔位置7一定距离开始间隔设置，各分支点间距15～25m，其中，在一个优选实施例中，宜开4个分支孔，各分支孔的曲线水平投影见图2，剖面见图3，各分支孔从上至下依次间隔90度设置，每个分支孔的曲率半径从上至下，逐渐减小，分支孔延伸至裂隙带底部，分支孔靶点水平距离优选＜50m，由此，通过这种设置，能较好的覆盖整个综采工作面的施工。
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，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。
Figure GDA0002118262100000061
Figure GDA0002118262100000062
Figure GDA0002118262100000063
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1:1.0～1:1.3，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，进行多个集束式多分支定向钻孔的钻入及注浆操作，该多个集束式多分支定向钻孔的钻入时，可同时进行以节约效率，也可依次进行，在每个集束式多分支定向钻孔的施工中，首先进行从开孔位置7进行向下的主孔的直孔开孔，开孔顶角为0°，钻至第一个分支点8的位置，下入H40级别钢套管，接着下入定向钻具进行第一个分支孔的钻入并钻至分支孔9的终点，起钻进行第一个分支孔的注浆，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，沿着主孔的原钻孔轨迹继续扫孔进行钻进至后一分支位置，进行后一分支孔的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，直至集束式多分支定向钻孔施工完成后注浆封孔。
优选的是，所述主孔上的各分支点应位于弯曲下沉带4的稳定基岩内，避免在裂隙带内进行分支点的分支。
参见图3，该集束式多分支定向钻孔采用二开方式钻进，一开：实施垂直段，开孔孔径215.9mm，可采用ZJ20钻机及Φ313.3mm钻头钻入第一分支点，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12固孔，固孔水泥浆液返至地面，固孔时间不得小于24h；二开：实施分支孔，采用MWD定向钻具及Φ215.9mm钻头定向钻进至裂隙带底部。
优选的是，实测记录集束式定向钻孔钻进情况、浆液浓度、注浆压力等数据，分析各分孔的成孔层位、分支点间距、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集束式多分支井定向钻探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。
其中：各分支孔的曲率半径不小于200m。
由此可见，本发明的优点在于：
1、开创性的将集束式多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，在综采工作面形成墩台式注浆，降低工程成本。同时，利用钻孔轨迹可控制的优势，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)

1.一种基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其应用于埋深400m以上的综采采空区，该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，所述冒落带内为大量大小不一的落石，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，钻孔布设，在综采采空区的治理区域上设计集束式多分支定向钻孔的布设位置和数量，并确定各分支定向钻孔的参数，其中，根据综采采空区的治理区域至少包含一个综采工作面条带，该综采工作面条带上设置多个间隔排列的集束式多分支井，所述集束式多分支定向钻孔包含从开孔位置向下进行的垂直主井，以及在主井上呈辐射状散开的多个分支孔；
步骤2，确定注浆材料，所述注浆材料由水泥和粉煤灰或黏土和速凝剂组成，各材料用量按①式至③式计算，
Figure FDA0002692445830000011
Figure FDA0002692445830000012
Figure FDA0002692445830000013
式中，Wc为水泥质量，We为粉煤灰或黏性土质量，Ww为水的质量，Vg为浆液体积，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质量比取1:1.0～1:1.3，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％；
步骤3，进行多个集束式多分支定向钻孔的钻入及注浆操作，在每个集束式多分支定向钻孔的施工中，首先进行从开孔位置进行向下的主孔的直孔开孔，钻至第一个分支点的位置，下入套管，接着下入定向钻具进行第一个分支孔的钻入并钻至分支孔的终点，起钻并利用步骤2确定的注浆材料进行第一个分支孔的注浆，待注浆材料固结达到再次成孔条件后，沿着主孔的原钻孔轨迹继续扫孔进行钻进至后一分支位置，进行后一分支孔的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，直至集束式多分支定向钻孔施工完成后注浆封孔。
2.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其特征在于：各集束式多分支井的主井的开孔位置设置在综采工作面条带的中间位置，各主井开孔的孔间距为90-100m。
3.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其特征在于：各分支点间距15～25m，开4个分支孔，各分支孔从上至下依次间隔90度设置，每个分支孔的曲率半径从上至下，逐渐减小，分支孔靶点水平距离小于50m。
4.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其特征在于：所述主孔上的各分支点位于弯曲下沉带的稳定基岩内。
5.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其特征在于：该集束式多分支定向钻孔采用二开方式钻进，一开：实施垂直段，并下入H40钢级Φ244.5mm表层套管，表层套管高出地面20cm，灌入1:1.5水泥浆液固孔，固孔水泥浆液返至地面，固孔时间不得小于24h；二开：实施分支孔，采用定向钻具及钻头定向钻进至裂隙带底部。
6.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，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。
7.如权利要求1所述的基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法，其特征在于：各分支孔的曲率半径不小于200m。
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