CN110630211A - 一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法，主要用于解决浅埋煤层开采导致隔水层破坏带来的水资源流失问题，属于煤矿绿色开采技术范畴。将钻孔终孔位置布置在裂隙发育区上方隔水层内，使隔水层内低渗透高膨胀性组分（黏土、高岭石等物质）与通过同心套管内管注入的辅助材料混合，并在超声波激励作用下浆化、泥化，实现原位造浆；同心套管外管为压气管，将地面泵房一定压力的气体输送到钻孔底部促进浆液流动，封堵隔水层附近因采动形成的裂隙，实现隔水层隔水性能的恢复，从而实现保水开采。该方法简单实用，对地下水无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法。
背景技术
随着我国煤炭资源开发重心向生态环境脆弱的西部地区转移，煤矿开采伴随的水资源漏失等生态环境问题日益突出，如何解决该问题已经成为煤矿技术领域的重大课题。煤层开采后，煤层顶板不断垮落并向上发展，覆岩内形成一定高度的裂隙发育区，当导水裂隙的发育高度波及煤层上方隔水层时，含水层内水沿着裂隙向下流动引发浅表层水资源流失。
目前常采用注浆加固的方法来封堵裂隙。常用的注浆材料为化学浆液。化学浆液颗粒较小，对导水裂隙的封堵起到了一定的作用，但与普通材料相比，多数化学浆液会对地下水源产生一定程度的污染；其次，化学浆液成本高昂，难以大面积使用。
此外，煤矿现场所用注浆材料，无论是水泥浆还是化学浆液均来自外部，需在现场单独进行配比成浆输送，工艺复杂，对井下施工人员管理水平要求高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无污染，充分利用隔水层自身组分特性的一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法：
具体施工步骤如下：
步骤一：查阅矿区相关资料，确定含水层、隔水层以及与工作面的空间位置关系，根据采动覆岩裂隙发育高度，划定封堵关键区域。
步骤二：设定钻孔布置参数，确定钻孔的合理位置、数目、孔径、孔深等参数，准备必要的辅助材料。
步骤三：根据步骤二设置的钻孔相关参数，用钻机从地表向下施工钻孔穿过含水层至裂隙发育区上部隔水层内。
步骤四：将固定有环形气囊的同心套管与超声波激励设备沿钻孔送至孔底。
步骤五：通过地面充（排）气装置调节固定于超声波换能器上方固定于同心套管上的环形气囊，对其充气使气囊膨胀贴紧孔壁以实现封孔。
步骤六：开启材料输送泵，通过同心套管内管将辅助材料输送至钻孔底部。
步骤七：打开超声波发生器，使钻孔附近隔水层内天然的低渗透高膨胀性组分（黏土、高岭石等物质）、水以及辅助材料在超声波空化作用下形成浆液，同时将同心套管外管作为输气管，利用地面泵房将一定压力的气体输送到钻孔底部促进浆液流动，封堵隔水层附近因采动形成的裂隙。
所述钻孔内超声激励设备以及同心套管下管口布置在裂隙发育区上部隔水层附近，将隔水层内堵水性组分作为成浆材料实现原位造浆。
所述辅助材料是指除隔水层自身组分之外的添加剂，用来提高浆液成浆效率，增加浆液的流动性。
所述同心套管由不同直径的内外两个管构成，内管用于输送辅助材料，外管用于向钻孔底部输送一定压力的气体促进浆液流动。
所述钻孔的合理位置、数目、孔径、孔深等参数根据现场导水裂隙的发育程度确定。
所述钻孔内超声激励设备、辅助材料及同心套管的空间位置关系如下：从孔底由下至上依次为辅助材料，同心套管口和超声波换能器。同心套管与换能器水平错开。位于换能器上方的同心套管上固定有一环形气囊。
有益效果：本发明针对浅埋煤层开采导致隔水层破坏带来的水资源流失问题，结合超声波空化、乳化作用，充分利用隔水层自身组分特性原位造浆，封堵隔水层附近因煤层采动造成的裂隙，还原隔水层的隔水性能，实现保水开采。因成浆材料无需从外部获取，浆液对地下水资源无污染。
附图说明：
图1是本发明施工效果图
图2是本发明施工布置平面示意图
图3是本发明施工钻孔布置示意图
图4是本发明图1中施工立体示意图
图5是本发明图1中钻孔俯视图
图中：1—表土层；2—含水层；3—隔水层；4—裂隙带；5—导水裂隙；
6—关键层；7—煤层；8—底板；9—泵房；10—同心套管；
11—超声波发生器；12—辅助材料；13—换能器；
14—固定线；15—钻孔； 16—浆体；
17—环形气囊；18—同心套管内管；19—同心套管外管；
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法，将钻孔布置在裂隙发育区上方的隔水层内，使钻孔附近隔水层内低渗透高膨胀性组分（黏土、高岭石等物质）与通过同心套管内管注入的辅助材料混合，并在超声波激励作用下浆化、泥化，实现原位造浆，将同心套管外管作为输气管，利用地面泵房将一定压力的气体输送到钻孔底部促进浆液流动，封堵隔水层附近因采动形成的裂隙。主要施工过程为：①从地表向下施工钻孔穿过含水层至隔水层附近，在钻孔内依次布置同心套管、超声波激励设备。②调节可控气囊对钻孔进行封闭。③开启超声波发生器，通过布置在钻孔底部的换能器对隔水层附近组分持续作用成浆封堵裂隙。
实施例
下面以某矿为例介绍本发明的一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法。
地质资料显示，某矿工作面长度为180m，煤层埋深为125.73m，煤厚平均6.06m，位于地表下方15.35m处为含水层，厚约34m，含水层下方为一厚约为15m的隔水层。
具体步骤如下：
步骤一：监测数据显示，煤层开采已导致裂隙向上发育波及隔水层，划定工作面两端上方约55m处为封堵关键区域；
步骤二：如图4所示，在地表沿工作面推进方向，在工作面两回采巷道正上方地表处每隔20m，设计直径为150mm的钻孔，钻孔孔深为65m，并准备好辅助材料，布置好地面泵站与超声波发生器；
步骤三：用钻机从地表向下施工钻孔穿过含水层至设计孔深处；
步骤四：在地表布置好超声发生器及相应管道，在地面将辅助材料按一定比例以溶液形式搅拌均匀置于储料罐中，将固定有环形气囊的同心套管与超声波换能器从地表沿钻孔送至孔底；
步骤五：通过位于泵房内的充（排）气装置调节固定于超声波换能器上方系于同心套管上的环形气囊，对其充气，使气囊膨胀贴紧孔壁，对钻孔进行封孔；
步骤六：开启材料输送泵，将同心套管内管作为运输通道把辅助材料输送至钻孔底部；
步骤七：打开超声波发生器，使钻孔附近隔水层内天然的低渗透、高膨胀性组分（黏土、高岭石等物质）、水以及必要成浆材料在超声波空化作用下形成浆液，同时将同心套管外管作为输气管，利用地面泵房将一定压力的气体输送到钻孔底部促进浆液流动，封堵隔水层附近因采动形成的裂隙。
随着工作面的开采，重复步骤一至步骤七，其施工整体布局如图4所示。
Claims (3)
1.一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：查阅矿区相关资料，确定含水层、隔水层以及与工作面的空间位置关系，根据采动覆岩裂隙发育高度，划定封堵关键区域；
步骤二：设定钻孔布置参数，确定钻孔的合理位置、数目、孔径、孔深等参数，准备必要的辅助材料；
步骤三：根据步骤二设置的钻孔相关参数，用钻机从地表向下施工钻孔穿过含水层至隔水层；
步骤四：将固定有环形气囊的同心套管与超声波激励设备从地表沿钻孔送至孔底；
步骤五：通过地面充（排）气装置调节固定于超声波换能器上方固定于同心套管上的环形气囊，对其充气使气囊膨胀贴紧孔壁以实现封孔；
步骤六：开启材料输送泵，通过同心套管内管将辅助材料输送至钻孔底部；
步骤七：打开超声波发生器，使钻孔附近隔水层内赋存的低渗透高膨胀性组分（黏土、高岭石等物质）、水以及辅助材料在超声波空化作用下形成浆液，同时向同心套管外管压气促进浆液流动，封堵隔水层附近因采动形成的裂隙。
2.根据权利要求1所述的一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法，其特征在于：所述钻孔终孔位置布置在裂隙发育区上部隔水层内。
3.根据权利要求1所述的一种超声波原位造浆封堵覆岩采动裂隙方法，其特征在于：所述同心套管由不同直径的内外两个管构成，内管用于输送辅助材料，外管用于向钻孔底部输送一定压力的气体促进浆液流动。
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