CN110630187B - 一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，包括：含水层、围岩和孔口管，包括：a、监测孔口管在敞口条件下出水量的大小是否超过20m3/h；若未超过，执行步骤c，若水量超过20m3/h，执行步骤b；b、若水量超过20m3/h，在孔口管的敞口自由端固定带有卸压阀门的蒙板，使得水文钻孔的出水量在20m3/h左右，然后再继续步骤c；c、用套孔钻头在孔口管周围切出深度为H的环形缓冲圈孔，且深度H等于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度；d、对钻出的缓冲圈孔内灌注柔性缓冲材料，直至缓冲圈孔内灌满为止。有益效果：本发明利用环形的缓冲圈孔以及填充的缓冲材料用于消解水文钻孔孔口管周圈岩层的变形，从而避免孔口管的断裂，具有更广泛的可操性。

Description

一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法
技术领域
本发明涉及工矿领域，具体涉及一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法。
背景技术
煤矿主要含水层水位主要通过水文长观孔实时获取。在我国的华北型煤田，矿井主要受奥灰水害威胁，矿井井下往往施工多个奥灰水的水文长观孔，通过其监测的水位数据，开展相关开采的安全性评价工作。此类长观孔施工时按照《煤矿安全规程》安装较长的钢管制作的孔口管，比如《煤矿安全规程》规定探测含水层水压大于3MPa时，孔口管长度不得小于20m。但是，在我国煤矿井下水文长观孔、观测孔孔口管断裂事故时有发生，比如兖矿集团兴隆庄煤矿FO2-7奥灰水文长观孔、丰县李唐煤矿T13奥灰水位观测孔、修武县古汉山煤矿古11号L8灰岩长观孔、肥城市陶阳煤矿观五灰观测孔等。由于正常使用的井下水文钻孔均处于闭孔监测状态，一旦孔口管断裂，孔内的高承压水将从孔口管断裂的位置，沿着岩层的裂隙分散外流，无法控制，如原矿井排水能力不足，甚至造成矿井积水现象。
如图1所示，在现有技术的井下钻孔的孔口管与孔壁一般采用水泥浆液固结为一体。结合图1举例：先采用直径133mm钻头开孔钻进21m的裸孔；然后拔出钻具，在钻孔中下放外直径108mm的钢管制成的孔口管，孔口管安装在钻孔中安装的长度一般比钻孔深度小0.5m；孔口管管口连接注浆管路，通过向孔口管内注浆，一般注水泥浆液，浆液从孔口管与钻孔岩石孔壁的间隙返出后，停止注浆；待浆液充分固化后，采用直径75mm钻头从孔口管中扫孔钻进，开展压水捡漏试验，如果孔口管承压能力达到设计要要求，则继续采用直径75mm钻头延伸钻进至设计深度即可。
一般孔口管断裂的原因，主要为钻孔孔位所在位置巷道、硐室围岩在地压、水压的作用下产生变形、破裂，而产生松动圈、底鼓所致。由于孔口管与孔壁岩石固结为一体，一旦孔壁位置岩层产生大幅度变形，将拉动孔口管发生变形，当变形量超过刚性孔口管的承受能力，孔口管将发生断裂。孔口管断裂后，孔内的高承压水将从断裂位置严重破裂岩层的裂隙外流。由于水量、水压一般较大，致使治理难度较大，且有一定的危险性。
发明内容
为了解决井下用的水文钻孔孔口管受到围岩变形而发生断裂的问题，本发明提供一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，包括：含水层、处在含水层上方的围岩以及贯穿固定在围岩且通过浆液结石体固定的孔口管，包括如下步骤：
a、监测孔口管在裸口条件下出水量的大小是否超过20m3/h；若未超过，则从步骤c继续执行，若水量超过20m3/h，则从步骤b执行；
b、当水量超过20m3/h时，在孔口管的上方敞口自由端固定带有卸压阀门的蒙板，通过卸压阀门控制，使得水文钻孔出水量不高于20m3/h，然后在继续步骤c；
c、用套孔钻头在孔口管周围切出深度为H的环形缓冲圈孔，且深度H不低于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度；具体的可以让所述环形缓冲圈孔深度H等于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度。
d、对钻出的缓冲圈孔内灌注柔性缓冲材料，直至缓冲圈孔内灌满为止。其中所述缓冲材料为聚氨酯泡沫。
本发明中所述孔口管顶端所在的场所设有排水能力达到20m3/h的排水设备，通过该排水设备把钻孔中冒出的地下水通过排水设备抽至地面。
在具体实施中，所述套孔钻头的内径大于蒙板外径和孔口管外径的最大值。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用环形的缓冲圈孔以及填充的缓冲材料用于消解水文钻孔孔口管周圈岩层的变形，从而避免孔口管的断裂，具有更广泛的可操性。
附图说明
图1为常规现有技术中孔口管通过浆液结石体固定在围岩的结构示意图；
图2为本发明中缓冲圈孔的施工示意图；
图3为本发明中缓冲圈孔的位置示意图；
图4为本发明中缓冲圈孔灌注缓冲材料后的示意图。
图中，1围岩、2含水层、3裸孔、4孔口管、5浆液结石体、6缓冲圈孔、7缓冲材料、8蒙板、81卸压阀门、9套孔钻头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
在现有技术的图1中所示了传统孔口管4与围岩1通过浆液结石体5固定。为了解决孔口管4断裂的情况，本发明中公开了一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，其包括：含水层2、处在含水层2上方的围岩1以及贯穿固定在围岩1且通过浆液结石体5固定的孔口管4。一般的，如果孔口管4的上方裸口处存在阀门、水位监测设备等，则需要拆除，仅预留孔口管4的上方裸口。本发明的实施还包括如下步骤：
步骤a中，先在巷道或者硐室的场所内，监测孔口管4在裸口条件下出水量的大小是否超过20m3/h；若未超过，则从步骤c继续执行，若水量超过20m3/h，则从步骤b执行；在实施步骤a中，在孔口管4顶端所在的场所（巷道或者硐室）的周围设有排水量能力超过20m3/h的排水设备，以便及时把环形缓冲圈孔6施工过程中水文钻孔的出水及时排至地表，防止井下积水。
在步骤b中，在检测后若水量超过20m3/h时，为了防止水量溢出的过多，在孔口管4的上方敞口自由端固定带有卸压阀门81的蒙板8，该蒙板8与孔口管4的顶部边缘是密封连接，比如可以采用焊接等方式完成；然后通过控制卸压阀门81就可以控制，使得水文钻孔出水量控制在不高于20m3/h，然后在继续步骤c。
如图2所示，在步骤a和步骤b的基础上，步骤c中，用套孔钻头9在孔口管4周围切出深度为H的环形缓冲圈孔6，且深度H不低于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度；其中套孔钻头9的形状是钟形结构的钻头，而钟形钻头内部刚好或者超过的罩住蒙板8或孔口管4，通过扭矩的动力源依靠旋转把套孔钻头9深深的钻入围岩1中，构成了缓冲圈孔6。其中，更具体的，套孔钻头9的内径须大于蒙板8外径和孔口管4外径的最大值。在该步骤中，通过泄压阀81把出水量控制在20m3/h的目的在于：一方面避免因为水量过大导致水压冲击套孔钻头9，使得缓冲圈孔6不能正常施工；另一方面的目的是出水量低于或等于20m3/h时，溢出的地下水还可以给套孔钻头9进行冷却降温，并作为钻进时产生岩粉、岩屑的冲洗液，无需再额外添加冷却水及冲洗液。
在经过仔细分析断裂的孔口管4断裂情况和大量的研究成果及已发生孔口管断裂的探测成果，能够确定孔口管4断裂的深度与水文钻孔开孔位置所在巷道或硐室的宽度有关，一般在其所在巷道或硐室宽度的0.5~1.0倍之间特别容易发生断裂，比如兴隆庄煤矿FO2-7奥灰水文长观孔所在巷道的宽度为5.0m，其实际断裂的位置距离与孔口的距离为3.5m左右。
因此在使用套孔钻头9时候，所钻探的深度值不能低于巷道或硐室宽度值的一倍。为了更精确的确定钻进深度，还可以让所述深度H等于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度。
在图3和图4中，为了防止因为岩层的运动导致孔口管4断裂或变形，在步骤d中，对钻出的缓冲圈孔6内灌注柔性缓冲材料7，直至缓冲圈孔6内灌满为止。而灌注的柔性缓冲材料7，具有以下的性质：在没有固定凝固前属于流体状态，在固定后具有一定的弹性伸缩范围。具体来说可以考虑让缓冲材料7是聚氨酯材料。
本发明在孔口管4的易断裂处设有环形柔性填充层，用来消解水文钻孔孔口管周圈岩层的变形，从而避免孔口管的断裂。
待本发明中灌注的柔性缓冲材料7定型后，需要在孔口管4的上方拆除蒙板8，并且需要重新安装之前拆除的水文观测装置和水位监测设备，让孔口管4恢复水位监测功能。

Claims (5)

1.一种预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，包括：含水层（2）、处在含水层（2）上方的围岩（1）以及贯穿固定在围岩（1）且通过浆液结石体（5）固定的孔口管（4），其特征在于：包括如下步骤：
a、监测孔口管（4）在裸口条件下出水量的大小是否超过20m3/h；若水量未超过20m3/h，则从步骤c继续执行，若水量超过20m3/h，则执行步骤b；
b、当水量超过20m3/h时，在孔口管（4）的上方敞口自由端固定带有卸压阀门（81）的蒙板（8），通过卸压阀门（81）控制，使得水文钻孔出水量不高于20m3/h，然后在继续步骤c；
c、用套孔钻头（9）在孔口管（4）周围切出深度为H的环形缓冲圈孔（6），且深度H不低于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度；
d、对钻出的缓冲圈孔（6）内灌注柔性缓冲材料（7），直至缓冲圈孔（6）内灌满为止。
2.根据权利要求1所述的预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，其特征在于：所述环形缓冲圈孔（6）深度H等于水文钻孔所在巷道或硐室的宽度。
3.根据权利要求1所述的预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，其特征在于：所述孔口管（4）顶端所在的场所设有排水能力达到20m3/h的排水设备。
4.根据权利要求1所述的预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，其特征在于：所述套孔钻头（9）的内径大于蒙板（8）外径和孔口管（4）外径的最大值。
5.根据权利要求1所述的预防井下用水文钻孔孔口管断裂的方法，其特征在于：所述缓冲材料（7）为聚氨酯泡沫。
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