CN110374540A - 一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置及控水工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，包括预埋的孔口管和钻具，其特征是所述孔口管的上沿设有注浆管头，所述注浆管头上设有高压球阀一，所述孔口管的上部通过法兰依次串联高压闸阀、分流泄压导管、防突防喷器和钻具卡瓦；所述分流泄压导管的两侧分别设有管头，所述管头上设有高压球阀二；所述钻具卡瓦为双爪式结构，双爪呈中心对称。本发明的防突防喷联合控水装置，一旦钻孔揭露涌水，无论水压高低、流量大小均可在不取出孔内钻具的情况下而实现100%控水，有效增大了突水应急处理时间，缓解排水系统压力，确保人员作业安全，避免因突水造成的财产损失或其他严重后果。

Description

一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置及控水工艺

技术领域

本发明涉及矿山开采超前探水领域，尤其涉及一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置及应用。

背景技术

在矿山地质灾害中，地下水的危害占据了相当大的比重，它的危害性在矿井建设阶段表现得十分突出，严重影响工程建设进度、增加工程投入、加大施工成本乃至带来生命财产的重大损失。随着采矿业的发展，我国乃至全球大部分浅部矿床资源已日趋枯竭。矿山开采由浅入深成必然趋势，随着深度的不断增加，矿山水文地质条件就会越来越复杂，含水层静水压力逐渐增大。在生产过程中面对高压含水层，特别是竖井井筒凿井期间，即便是小流量涌水都会对施工进度和成本有很大影响，甚至会造成淹井。相对而言巷道掘进时抵抗出水风险的能力要高于竖井，但当揭露涌水量超过排水系统最大能力，同样也会造成严重后果，甚至会导致矿山停产。

当前针对地下水危害的问题，多数情况下会采取超前探水的预防措施。一般探水流程为待掘作业面即将进入含水层或已进入含水层时停止掘进→在作业面施工一定数量的超前探水孔→钻孔揭露涌水进行注浆作业→根据实际施工情况确定下一步具体方案→超前探水工作结束后作业面恢复掘进→掘进至预留岩帽位置开展下一段超前探水，以此循环直至穿过含水层进入相对隔水层。

在工作面施工超前探水钻孔时，控水措施一般会选用两种方式，方式一：预先埋设孔口管并在孔口管端部加装高压闸阀；方式二不预先埋设孔口管待出水后孔内下放安装堵水器。相比而言方式一可视为主动式控水，即无论钻孔会不会揭露涌水都预埋孔口管，一旦施工中钻孔揭露涌水，取出孔内钻具，关闭孔口闸阀实现控水；方式二可视为被动式控水，即钻孔揭露涌水，取出孔内钻具，孔内适当位置安装堵水器实现控水。上述两种控水方式针对低压小流量涌水均可实现控水目的，但上述方法皆有其缺陷。方式二一旦孔内水量过大、水压过高或者孔内无完整围岩时，很难实现控制涌水。方式一须将孔内钻具全部取出时才能关闭孔口闸阀进行控水，而且能否快速取出钻具取决因素较多，如孔内水量、水压、排水系统能力、应急时间等，一旦出现高压大流量涌水，特别是涌水量超过排水系统最大能力时，没有足够时间取出钻具而实现控水，极可能会造成严重的财产损失和人员伤亡，施工安全风险较大。

当前针对超前探水所面临的问题，也提出了各种解决方案。比如公开号为CN101749023A一种海底隧道的超前探水方法。其包括在两条主隧道之间的位置开设一条与上述主隧道相平行的服务隧道，以作为主隧道的超前平行导坑；爆破前在主隧道和服务隧道每一循环的掌子面上利用凿岩台车同时进行钻孔而形成探水孔，每个掌子面至少包括一个探水孔；若探水孔中没有出现渗水，继续前挖；若出现渗水，立即向裂隙中进行注浆以堵住渗漏水，然后再组织爆破等步骤。本发明提供的海底隧道的超前探水方法是根据海底隧道过断层破碎带施工风险较大的特点而在两条主隧道之间设置一条超前平行服务隧道，利用从主隧道和服务隧道探测到的掌子面前方的地下水情况来确定后续的施工方案，这样就能够规避风险，从而可以保证海底隧道的施工安全。此方案明显成本高、工期长，不适合超深矿井的应用。

再比如公开号为CN203685288U一种煤矿井下探放水钻孔控水装置，包括钻杆、套管、连接管、输水管和橡胶套，所述钻杆依次穿过橡胶套、输水管、连接管和套管的内孔，橡胶套与输水管一端的法兰接触，输水管另一端的法兰与连接管一端的法兰通过螺栓连接，连接管另一端的法兰与套管一端的法兰通过螺栓连接，所述输水管上的下侧设有两根排水管，排水管上设有排水阀，所述的连接管上设有控制阀，所述的套管上设置有用于安装压力表的压力表接头。本实用新型在施工时，当遇到水量较大时，一方面利用橡胶套来控制钻孔水量，另一方面通过打开排水阀利用排水管将水直接排入到预先设计好的水沟，并能及时观测放水信息，大大减少了隐患的发生，保证探放水设施的安全可靠。该方案的控水装置，其流量过大时，无法实现预设工效，同时应急处理时间长。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的不足，基于超前探水孔施工时预先埋设安装孔口管，提供一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，一旦钻孔揭露涌水，无论水压高低、流量大小均可在不取出孔内钻具的情况下而实现100%控水，有效增大了突水应急处理时间，缓解排水系统压力，确保人员作业安全，避免因突水造成的财产损失或其他严重后果。

本发明采用的技术方案是：一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，包括预埋的孔口管和钻具，其特征是所述孔口管的上沿设有注浆管头，所述注浆管头上设有高压球阀一，所述孔口管的上部通过法兰依次串联高压闸阀、分流泄压导管、防突防喷器和钻具卡瓦；所述分流泄压导管的两侧分别设有管头，所述管头上设有高压球阀二；所述钻具卡瓦为双爪式结构，双爪呈中心对称。

一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，包括如下步骤：步骤一、钻孔钻进时，关闭高压球阀一（3），开启分流泄压导管的高压球阀二（5）和高压闸阀（4）；步骤二、当涌水量超过设定能力时，闭紧钻具卡瓦（8）和防突防喷器（7），然后关闭分流泄压导管的高压球阀二（5）；步骤三、经过步骤二的排水后，当作业面水位下降至安全位置后，开启联合控水装置；步骤四、取出钻具，关闭高压闸阀和高压球阀，实现控水。

作为本发明的进一步改进，所述防突防喷器选用单板锁紧丝杠或双板锁紧丝杠。

作为本发明的进一步改进，所述钻具卡瓦的双爪卡头进行碳化处理。

作为本发明的更进一步改进，所述高压闸阀和孔口管、分流泄压导管和高压闸阀、分流泄压导管和防突防喷器之间分别通过高强螺杆螺帽连接。

作为本发明的进一步改进，所述步骤三中开启联合控水装置的顺序为先开启分流泄压导管的高压球阀二，然后开启防突防喷器，最后开启钻具卡瓦。

作为本发明的更进一步改进，当出现涌水量超大或紧急状况时，则通过钻具或分流泄压导管的高压球阀二进行注浆作业。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二中、当涌水量未超过设定能力时，取出钻具，先开启高压球阀一，接着关闭高压闸阀，然后再关闭高压球阀一实现控水。

本发明采用的有益效果是：本发明具备如下优点：1）钻孔突水后不取出钻具就可实现快速100%控水，改变以往取出钻具才能实现控水的情况；2）控水时间短，一般为3到5分钟；3）针对高压强含水层使用分流泄压导管，有效降低水压对防突防喷器及钻具卡瓦的阻力，进而实现快速孔水；4）适用范围广，可用于竖井、平巷、采场等超前探水，而且无论是钻孔低压小流量突水还是高压大流量突水，都可采用；5）对作业面排水能力要求低，而且出水后能够有效降低排水系统压力，大大提高施工作业安全，降低工程费用投入。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为本发明的实施例1的控水工艺流程图。

图3为本发明的钻具卡瓦示意图。

图中所示：1 钻具，2 孔口管，3 高压球阀一，4 高压闸阀，5 高压球阀二，6 分流泄压导管，7 防突防喷器，8 钻具卡瓦。

具体实施方式

下面结合图和实施例，对本发明做进一步的说明。

如图所示，一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，包括预埋的孔口管2和钻具1，所述孔口管2的上沿设有注浆管头，所述注浆管头上设有高压球阀一3，所述孔口管2的上部通过法兰依次串联高压闸阀4、分流泄压导管6、防突防喷器7和钻具卡瓦8；所述分流泄压导管6的两侧分别设有管头，所述管头上设有高压球阀二5；所述钻具卡瓦8为双爪式结构，双爪呈中心对称。

一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，包括如下步骤：

步骤一、钻孔钻进时，关闭高压球阀一3，开启分流泄压导管的高压球阀二5和高压闸阀4；

步骤二、当涌水量超过设定能力时，闭紧钻具卡瓦8和防突防喷器7，然后关闭分流泄压导管的高压球阀二5；

步骤三、经过步骤二的排水后，当作业面水位下降至安全位置后，开启联合控水装置；

步骤四、取出钻具，关闭高压闸阀和高压球阀，实现控水。

实施例1，高压闸阀的法兰尺寸与预埋孔口管端部的法兰尺寸一致，高压闸阀公称压力等级则视预计的静水压力进行选择，一般多选用6.4MPa~16MPa，特殊情况下选用16MPa以上，高压闸阀与孔口管使用高强螺杆螺帽连接固定。分流泄压导管的一端与高压闸阀使用高强螺杆螺帽连接，法兰与高压闸阀法兰尺寸一致；另外一端与防突防喷器使用高强螺杆螺帽连接，法兰与防突防喷器法兰尺寸一致。分流泄压导管为材质Q235无缝钢管，通径100mm，长度1.2m至1.5m，在其中上部开口并焊接2个无缝钢管制作的分流泄压的管头，管头材质Q235无缝钢管，通径50mm，长度0.1m，一头平底一头丝牙，丝牙端安装DN50/PN6.4~10MPa的高压球阀。防突防喷器根据实际情况选用盐城市友泰石油机械有限公司生产的产品，其产品型号SFZ14-21，材质合金钢锻件，抗压等级32MPa，适用钻具直径不低于60mm。钻具卡瓦采用两爪式活动设计，卡头进行碳化处理，适用钻具直径不低于60mm。

当做好施工准备工作后，首先对钻孔进行定位开孔，在钻孔处埋设安装加固孔口管。孔口管埋设完毕后，对孔口管进行耐压试验，如不合格，则补注加固；如若合格，则在孔口管的端部加装本发明的防突防喷联合控水装置。加装好后，对防突防喷联合控水装置的各部位进行测试，测试是否符合要求，如若不符合要求，则需要进行检查维修；如符合要求，则准备进行钻孔钻进工作。

正常钻孔未出水时，高压球阀一3关闭，高压闸阀4的阀芯开启至最大，高压球阀二5开启，防突防喷器7的橡胶密封锁紧丝杆打开至最大，钻具卡瓦8的双爪式卡头打开至最大。

当钻孔揭露涌水后，首先判断水量是否超过排水系统能力，如若没有超过预设排水能力，则先取出钻具，先开启高压球阀一，接着关闭高压闸阀，然后再关闭高压球阀一，实现控水，然后将分流泄压管及以上部件拆除，通过高压球阀一3进行注浆堵水工作；

如若超过预设排水能力，则首先关闭钻具卡瓦，使得双爪式卡头紧紧锁住钻具，确保钻具不被高压水冲出。然后关闭防突防喷器，使其锁紧丝杆与钻具紧密咬合。接着关闭分流泄压管上的高压球阀，从而实现快速控水。当水位降至安全高度后，开启防突防喷器和钻具卡瓦，将钻具取出。观察水位是否继续上涨至警戒高度，如若上涨，从重复上述工序。如若不上涨，则关闭高压闸阀和高压球阀。然后进行注浆工作。

如若现场水量较大或其它紧急情况下不能取出钻具时，可通过钻具1或分流泄压管的高压球阀5直接进行注浆作业实现堵水。

上述实施例1，经多次试验一般情况下其关闭时间为3min~5min，也意味着不取出钻具实现100%控水时间为3min~5min。

综上所述，传统控水方式具备如下缺点：1）对作业面排水系统能力要求高，多数情况下排水能力必须要大于钻孔揭露涌水量，但是矿山水文地质条件往往具有复杂性、多变性、很难准确预测的特点，排水能力设计过大会增大投资成本，排水能力设计过小会存在较大安全风险，造成人员伤亡和财产损失，严重时会造成作业面停产。2）钻具取出时间长，控水效率低，而且孔内水压过大时在取钻过程中极易出现钻具冲出伤人的情况。

使用本发明具备以下优点：1）对作业面排水系统能力要求低，即使排水能力远小于钻孔水量也可以实现快速控水。如在某井筒井深908m超前探水作业时，井筒净直径5.5m，排水能力仅为50m³/h。在11#钻孔孔深38m处揭露涌水，涌水量高达250m³/h，根据井筒断面规格折算水位以每小时8.42米速度上涨（即每分钟0.14m/min）。若采用传统控水方式提出孔内全部钻具至少需要40min，加上作业面突水恶化操作环境，提钻时间会更长，按照40min计算这时水位以上涨5.6m，作业面已被淹，人员需紧急撤离，无法实现控水会造成淹井。使用本联合控水装置，不需要取出钻具，实现100%控水时间按照5min计此时水位仅上涨0.7m，处于安全水位高度，人员可按照正常程序作业，有效确保作业安全，避免损失。2）加装钻具卡瓦后即使出现高压突水，也可以确保钻具不会被冲出，保证作业人员安全。

本发明是基于超前探水孔施工时预先埋设安装孔口管，并在孔口管端部的加装本发明的防突防喷联合控水装置，一旦钻孔揭露涌水，无论水压高低、流量大小均可在不取出孔内钻具的情况下而实现100%控水，有效增大了突水应急处理时间，缓解排水系统压力，确保人员作业安全，避免因突水造成的财产损失或其他严重后果。

本领域技术人员应当知晓，本发明的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，在不违背本发明精神的前提下，对本发明进行的各种变换均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，包括预埋的孔口管（2）和钻具（1），其特征是所述孔口管（2）的上沿设有注浆管头，所述注浆管头上设有高压球阀一（3），所述孔口管（2）的上部通过法兰依次串联高压闸阀（4）、分流泄压导管（6）、防突防喷器（7）和钻具卡瓦（8）；所述分流泄压导管（6）的两侧分别设有管头，所述管头上设有高压球阀二（5）；所述钻具卡瓦（8）为双爪式结构，双爪呈中心对称。

2.根据权利要求1所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，其特征是所述防突防喷器（7）选用单板锁紧丝杠或双板锁紧丝杠。

3.根据权利要求1或2所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，其特征是所述钻具卡瓦（8）的双爪卡头进行碳化处理。

4.根据权利要求1或2所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置，其特征是所述高压闸阀（4）和孔口管（2）、分流泄压导管（6）和高压闸阀（4）、分流泄压导管（6）和防突防喷器（7）之间分别通过高强螺杆螺帽连接。

5.一种使用如权利要求1所述的矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，其特征是包括如下步骤：

步骤一、钻孔钻进时，关闭高压球阀一（3），开启分流泄压导管的高压球阀二（5）和高压闸阀（4）；

步骤二、当涌水量超过设定能力时，闭紧钻具卡瓦（8）和防突防喷器（7），然后关闭分流泄压导管的高压球阀二（5）；

步骤三、经过步骤二的排水后，当作业面水位下降至安全位置后，开启联合控水装置；

步骤四、取出钻具，关闭高压闸阀和高压球阀，实现控水。

6.根据权利要求5所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，其特征是所述步骤三中开启联合控水装置的顺序为先开启分流泄压导管的高压球阀二（5），然后开启防突防喷器（7），最后开启钻具卡瓦（8）。

7.根据权利要求5或6所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，其特征是经过步骤三的处理后，经过一段时间，作业面水位持续上升进而超过安全位置，则重复步骤二，如此反复循环，直至涌水量未超过设定能力。

8.根据权利要求7所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，其特征是当出现涌水量超大或紧急状况时，则通过钻具（1）或分流泄压导管的高压球阀二（5）进行注浆作业。

9.根据权利要求5所述的一种矿山超前探水孔口防突防喷联合控水装置的控水工艺，其特征是所述步骤二中、当涌水量未超过设定能力时，取出钻具（1），先开启高压球阀一（3），接着关闭高压闸阀（4），然后再关闭高压球阀一（3）实现控水。