CN110425004A - 膏体充填水下采空区的悬浮式导引器及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，包括依次连接的入水部、压力调控部和浮力部，所述入水部具有至少一个入水孔；所述压力调控部具有一压力腔体，该压力腔体和入水孔之间设置有承压滑板，所述承压滑板滑动于所述压力腔体内，所述压力腔体的侧壁上沿入水部至浮力部的方向上阵列设置有多级压力止回阀，该多级压力止回阀沿入水部至浮力部的方向上的设定压力递增。本发明还提供了一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法。本发明的优点包括：解决了水下大体积空间的膏体充填以及运输问题，解决了竖直无压管道运送浆液引起的浆液离析问题。

Description

膏体充填水下采空区的悬浮式导引器及施工方法

技术领域

本发明属于地下采空区治理技术领域，具体涉及一种膏体充填水下采空区的悬浮式导引器及施工方法。

背景技术

采空区是指将地下资源采出后地下形成的开采空间，根据开采矿种及开采方式的不同，采空区顶板表现出不同的破坏模式，地表也因此产生不同的变形特征。例如针对于采用全陷法进行开采时，矿体的顶板会随着开采面积的扩大而不断垮落，从而在地表形成塌陷盆地，地表的破坏是紧随着矿体的开采而发生；而针对于非全陷法(房柱式)进行开采时，矿体的顶板相对稳定，当矿柱稳定时，地面不会发生垮塌，而随着开采区域(采高)的扩大，地下水的渗入，矿柱风化等作用，当矿柱失稳后，顶板会发生突然垮塌，从而引起地面的突然坍塌。

当在采空影响区内若要进行建设活动时，需要首先对其下的采空区进行治理，根据采空区深度、开采厚度的不同有不同的治理方式，当针对于开采面积大、深度大的采空区进行治理时，注浆充填是治理采空区的主要手段。

目前国内、外在充填治理方面的技术比较成熟，并且根据不同矿山的不同情况也研发了许多先进的充填治理技术，在采空区治理领域，根据浆液的流动性主要可分为以粉煤灰为主要基材的稀浆液和以尾矿渣为主要基材的稠浆液。以粉煤灰为基材的稀浆液主要适用于空洞体积量较小的的环境下；以尾矿渣为基材的稠浆液(膏体材料)主要适用于空洞体积量大且无水的环境下。

膏体材料大多采用尾矿，其成本低廉，同时通过对尾矿的使用可大大减少其地面堆填带来的地面变形、环境污染以及土体占压等问题，而且增加矿产资源回采率和开采安全，提高经济效益。目前的膏体充填技术一般服务于在采矿井，由于矿山处于开采阶段，材料通过管道输送至采空区内，井下为无水且有人员维护的环境。但针对关闭矿山后的采空区进行治理时，随着地下水抽排的停止，地下水会逐渐充满整个采空区，此种工况下，常规的施工工艺是无法满足采空区治理的。以膏体泵送和高浓度全尾砂胶结充填为例，其原先的优势是长距离运输、结石体强度高、抗离析、和易性好、不宜堵管等，但是当采空区已经充水时，原有经过浓缩的膏体材料在管道运输阶段遇水易于分解、离析，无法到达采空区空间内。

因此，在对水下大体积采空区充填时，如何能采取有效的方法将膏体材料运送至采空区内成为水下大体积采空区治理中亟待解决的问题。

发明内容

本发明一实施例提供一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器以及膏体充填水下采空区的施工方法，用于解决现有技术的问题，包括：

一实施例中，提供了一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，包括依次连接的入水部、压力调控部和浮力部，

所述入水部具有至少一个入水孔；

所述压力调控部具有一压力腔体，该压力腔体和入水孔之间设置有承压滑板，所述承压滑板滑动于所述压力腔体内，所述压力腔体的侧壁上沿入水部至浮力部的方向上阵列设置有多级压力止回阀，该多级压力止回阀沿入水部至浮力部的方向上的设定压力递增。

本申请还提供了一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，包括：

S1、施工注浆孔；

S2、将权利要求1至6任一所述的悬浮式导引器下入注浆孔内，悬浮式导引器的入水部朝下，且悬浮式导引器的外径小于所述注浆孔的内径；

S3、将配置好的膏体浆液灌入注浆孔内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、解决了水下大体积空间的膏体充填问题，在密闭的大体积采空区空间，由于地下空间的饱水状态，在注浆过程中，采空区内压力较大，往往会导致浆液无法注入的情况，本发明通过施工减压孔有效的降低了注浆压力，解决了浆液注入至大体积密闭空间的问题，同时减压孔还可作为检测、补充注浆孔使用，进一步提高了注浆施工质量。

2、解决了在水下环境中的膏体运输问题，膏体材料是通过浓缩工艺制作，材料对含水率有严格的要求，当遇水后易发生崩解而无法输送，本发明通过在注浆体前端设置了悬浮式导引器，将浆液与水进行了隔绝，解决了膏体材料在水下环境中无法输送的难题。

3、适用深度大，常规的管道运输多为非竖直管道，由于竖直管道在输送过程中，孔内无压，为了防止浆液在运输过程中的离析，竖直管道通常设置高度有限，本发明通过在钻孔前端下至“悬浮式导引器”，使得在浆液前端有一定的阻力，有效的解决了竖直无压管道运送浆液引起的浆液离析问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式中用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器的结构图；

图2是本申请一实施方式中用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器的纵截面细节图；

图3是本申请一实施方式中膏体充填水下大体积采空区施工流程图；

图4是本申请一实施方式中膏体充填水下大体积采空区注浆施工示意图；

图5是本申请一实施方式中膏体充填水下大体积采空区时悬浮式导引器孔内示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明提供了一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，包括依次连接的入水部、压力调控部和浮力部，

所述入水部具有至少一个入水孔；

所述压力调控部具有一压力腔体，该压力腔体和入水孔之间设置有承压滑板，所述承压滑板滑动于所述压力腔体内，所述压力腔体的侧壁上沿入水部至浮力部的方向上阵列设置有多级压力止回阀，该多级压力止回阀沿入水部至浮力部的方向上的设定压力递增。

进一步的，所述压力腔体内填充有润滑油。

随着孔内浆液的不断注入，导引器的深度逐渐增大，其所承受的水压逐渐增大，通过在导引器的侧壁自上而下安设置压力逐渐减小的止回阀，使得在不同压力下，止回阀逐个打开，压力调控部内蒽油均匀的释放于整个施工过程。

进一步的，所述浮力部具有一中空腔体。

其他实施例中，浮力部还可以为泡沫塑料等。

进一步的，所述压力腔体顶部与承压滑板之间设有一滑杆，所述承压滑板套设在滑杆上，并可沿滑杆上下滑动，所述承压滑板与所述压力腔体侧壁之间无缝贴合。

在上述技术方案中，所述压力腔体的大小(压力)转换通过承压滑板的上下移动来实现。

在其他实施例中，所述承压滑板在压力腔体内的移动不只限制于通过滑杆上下运动，只要能实现压力腔体内压力变化的移动方式均可，例如在压力腔体侧壁上沿其轴向设置滑槽，承压滑板通过滑槽上下移动也可。

进一步的，所述入水部具有锥形的导引面，所述入水孔分布于导引面上。

在上述技术方案中，锥形的导引面还有在入水之后劈开水的功效，减少入水阻力；还能劈开水中的石子等杂质，使得悬浮式导引器能将浆液更加方便的送入采空区。

进一步的，所述浮力部具有一密封的内腔，

所述悬浮式导引器包括中空的圆管，该圆管的腔体通过密封板分隔成所述内腔和所述压力调控部的压力腔体。

本发明提供了一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，包括：

S1、施工注浆孔；

S2、将权利要求1至6任一所述的悬浮式导引器下入注浆孔内，悬浮式导引器的入水部朝下，且悬浮式导引器的外径小于所述注浆孔的内径；

S3、将配置好的膏体浆液灌入注浆孔内。

进一步的，步骤S1中，还包括施工与采空区连通的出水孔。

进一步的，步骤s3中，在注浆孔内注浆的同时，地下水自动溢出或通过抽水泵从出水孔外抽排水。

进一步的，还包括：

步骤S4：出水孔内有浆液溢出时，停止注浆。

在上述技术方案中，悬浮式导引器前端为地下水、后端为膏体浆液，导引器与钻孔孔壁间由蒽油所阻隔，其目的在于其一：为了阻隔地下水与膏体材料相混合，谨防膏体材料遇水崩解松散；其二：是润滑孔壁用，减小导引器下入阻力。

实施例1：

参考图1、图2所示，本申请的一个具体实施例中提供了一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，从上至下依次分为浮力部3、压力调控部2以及入水部1共三个部分。

入水部1内部中空，设置于悬浮式导引器最前端，其形状设置为锥形，锥形体上设置有入水孔11，锥形体的椎体壁上下分布有多组入水孔11，每组入水孔分别包括环形阵列分布的多个入水孔，该多个入水孔位于同一高度，孔内地下水可通过入水孔孔进入至导引器内。

浮力部3设于悬浮式导引器最末端，浮力部3为一中空封闭结构，其作用是使悬浮式导引器的浮力大于重力，保证悬浮式导引器能浮于孔内的注浆材料前端，使其后端与注浆材料紧密贴合。

压力调控部2设于入水部1与浮力部3之间，并连通于入水部1，压力调控部2顶部密封，底部设有与顶部可滑动连接的承压滑板21，压力调控部2的顶部与底部中心由滑杆22相连，承压滑板21通过滑杆22与顶部滑动连接，承压滑板21与压力调控部2的侧壁无缝贴合并可沿侧壁滑动，压力调控部2的侧壁由下至上分布有多组压力止回阀23，多组压力止回阀23的承压等级由下至上依次增大，例如压力止回阀231的承压能力为1级，则压力止回阀232的承压等级就为2级，压力止回阀233-236的承压能力依次递增，每组压力止回阀23分别包括环形阵列分布的多个压力止回阀，该多个压力止回阀位于同一高度且承压等级相同。

压力调控部2内部充满蒽油，工作时，压力调控部2底部的承压滑板21受到水压作用，当压力增大到1级压力止回阀231所设定的阀值时，位于压力调控部2侧壁周围的1级压力止回阀打开，压力调控部2内的蒽油由内部流向外部的钻孔孔隙内，随着内部蒽油的排出，压力调控部2底部的承压滑板21也沿着滑杆22向上移动，随着悬浮式导引器在孔内向下的继续移动，承压滑板21承受的水压继续增大，压力调控部2内部压力随着承压滑板21的向上移动而逐渐增大，当压力大于侧壁周围的2级压力止回阀232所设定压力时，位于压力调控部2侧壁周围2级压力止回阀232打开，内部的蒽油由内部流向外部的钻孔孔隙内，不断重复上述步骤，打开更高级的压力止回阀，随着浆液向孔内的注入，浆液将悬浮式导引器推入至采空区内，完成浆液在水下的长距离运输工作。

在上述技术方案中，压力调控部2中的压力腔体和浮力部3中的密封内腔可由一根圆管内设置密封分隔层分隔而成。

在其他技术方案中，入水部1和压力调控部2连通设置，浮力部3与前两部分可分离设置，只要能起到浮力作用即可。

参考图3、图4和图5所示，本发明一实施例提供了一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，包括：

S1：确定s1、s2两个孔的钻孔孔位以及钻孔结构；

S2：施工注浆孔s1，大孔径钻至基岩面以下，下入钢管保护管，缩小孔径至穿过采空区顶板，下入钻井成像仪器量测采空区高度及采空区上覆岩体裂隙程度，判断是否全孔下入钢套管；

S3：施工注浆孔s2，大孔径钻至基岩面以下，下入钢管保护管，缩小孔径至穿过采空区顶板，下入钻井成像仪器量测采空区高度；

S4：将上述权利要求1-6所述的任一用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器下入注浆孔s1内；

S5：将注浆管与注浆孔s1孔口相连，将配置好的膏体浆液灌入至井下并监测减压孔s2孔口的涌水情况，当注浆孔s1灌注压力增大时，可在减压孔s2孔内下入抽水泵，向外抽排水，以减小注浆孔s1的注浆压力；

S6：当注浆液达到设计要求或减压孔s2内有浆液溢出时停止注浆；

S7：在减压孔s2钻孔内下入钻具量测采空区剩余高度，若采空区孔隙较大，增大注浆孔s1注浆压力继续注浆至设计要求，若所剩采用区孔隙较小，在减压孔s2孔内通过钻杆水泥浆注入至孔底，待孔口有水泥浆冒出时方可停止注浆。

S8：标记好钻孔位置，待浆液凝固后，减压孔s2钻孔可作为检测孔对采空区的试样进行抽芯检测。

进一步的，用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器下入注浆孔s1后，在导引器和孔壁间注入蒽油。

本发明还提供了一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器的工作方法，包括：

S1：悬浮式导引器入水，深度逐渐增大，前端入水部入水孔进水；

S2：承压滑板受到水压作用上滑，中部的压力调控部内压力增大；

S3：当压力达到1级压力止回阀所设定的阀值时，1级压力止回阀打开，压力调控部内的蒽油流向外部的钻孔孔隙内；

S4：压力调控部内压力减小，悬浮式导引器继续向下活动，承压滑板承受的水压继续增大，继续上滑；

S5：当压力大于2级止回阀所设定压力时，2级压力止回阀打开，压力调控部内的蒽油流向外部的钻孔孔隙内；

S6：重复步骤S4至S5，随着浆液向孔内的注入，浆液将悬浮式导引器推入至采空区内，完成浆液在水下的长距离运输工作。

进一步的，所述悬浮式导引器的压力调控部内注满蒽油。

本工法采用在采空区矿方上方施工s1、s2两个钻孔(s1孔为注浆用钻孔，作为注浆的通道；s2孔为减压孔，用于解决在s1孔注浆过程中引起的水压增大浆液无法注入的问题。)，在s1孔内下入悬浮式导引器，将注浆管与孔口钢管相连，而后将配置好的膏体浆液灌入至井下，达到采用膏体材料对水下大体积采空区进行充填的目的。

本发明的具体施工方法为：

1、施工注浆孔s1，根据钻孔深度以及岩土体强度自孔口至孔底将钻孔结构设计2～3次变径，即自上而下钻孔孔径逐渐减小2～3级。在土层、风化岩内采用大孔径钻至基岩面以下一定深度后下入保护管谨防孔壁坍塌，缩小钻孔直径继续穿过采空区顶板，下入钻井成像仪器量测采空区高度及采空区上覆岩体裂隙程度，全孔下入钢套管(是否需要全孔下入钢套管需根据地下含水层、采空区顶板的裂隙发育程度而定，当地下含水层位于采空区以下且岩体完整孔壁光滑时无需下入钢管；当地下含水层埋深较浅，涌水量较大、岩层岩体破碎，裂隙发育时需全孔下入钢管)，钢套管长度至采空区顶。

2、施工减压孔s2，根据钻孔深度以及岩土体强度自孔口至孔底将钻孔结构设计2～3次变径，即自上而下钻孔孔径逐渐减小2～3级。在土层、风化岩内采用大孔径钻至基岩面以下一定深度后下入保护管谨防孔壁坍塌，缩小钻孔直径继续穿过采空区顶板，下入钻井成像仪器量测采空区高度。

3、将悬浮式导引器下入s1注浆孔内。

4、将注浆管与s1注浆孔孔口钢管相连，而后将配置好的膏体浆液灌入至井下，在灌注过程中监测s2孔口的涌水情况，s1灌注压力增大时，可在s2孔内下入抽水泵，向外抽排水，以减小s1孔的注浆压力。

5、当注浆也达到设计要求或s2内有浆液溢出时停止注浆，此时在s2钻孔内下入钻具量测采空区剩余高度，当采空区孔隙较大时，增大s1注浆压力继续注浆至设计要求；当所剩采用区孔隙较小时，在s2孔内通过钻杆水泥浆注入至孔底，待孔口有水泥浆冒出时方可停止注浆。

6、标记好钻孔位置，待浆液凝固后，s2钻孔可作为检测孔对采空区的试样进行抽芯检测。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，包括依次连接的入水部、压力调控部和浮力部，

所述入水部具有至少一个入水孔；

所述压力调控部具有一压力腔体，该压力腔体和入水孔之间设置有承压滑板，所述承压滑板滑动于所述压力腔体内，所述压力腔体的侧壁上沿入水部至浮力部的方向上阵列设置有多级压力止回阀，该多级压力止回阀沿入水部至浮力部的方向上的设定压力递增。

2.根据权利要求1所述的一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，所述压力腔体内填充有润滑油。

3.根据权利要求1所述的一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，所述浮力部具有一中空腔体。

4.根据权利要求1所述的一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，所述压力腔体顶部与承压滑板之间设有一滑杆，所述承压滑板套设在滑杆上，并可沿滑杆上下滑动，所述承压滑板与所述压力腔体侧壁之间无缝贴合。

5.根据权利要求1所述的一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，所述入水部具有锥形的导引面，所述入水孔分布于导引面上。

6.根据权利要求1所述的一种用于膏体充填水下采空区的悬浮式导引器，其特征在于，所述浮力部具有一密封的内腔，

所述悬浮式导引器包括中空的圆管，该圆管的腔体通过密封板分隔成所述内腔和所述压力调控部的压力腔体。

7.一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，其特征在于，包括：

S1、施工注浆孔；

S2、将权利要求1至6任一所述的悬浮式导引器下入注浆孔内，悬浮式导引器的入水部朝下，且悬浮式导引器的外径小于所述注浆孔的内径；

S3、将配置好的膏体浆液灌入注浆孔内。

8.根据权利要求7所述的一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，其特征在于，步骤S1中，还包括施工与采空区连通的出水孔。

9.根据权利要求7所述的一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，其特征在于，步骤s3中，在注浆孔内注浆的同时，地下水自动溢出或者通过抽水泵从出水孔外抽排水。

10.根据权利要求7所述的一种膏体充填水下大体积采空区的施工方法，其特征在于，还包括：

步骤S4：出水孔内有浆液溢出时，停止注浆。