CN110847850A - 一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统及方法，在毁损水文钻孔套管内重新下入小一级的新套管，然后根据新旧套管间隙下入适当尺寸的硬骨料和软骨料(比重小于水)，将一定量的软硬骨料按一定比例注入新套管内，利用水总沿阻力最小方向流动的原理，软硬骨料在浮力和下伏高承压水及上面泵压的作用下，只能进入阻力小的新旧套管之间的间隙中，硬骨料充填在新旧套管之间较大的间隙起骨架和支撑作用，软骨料充填硬骨料间隙，然后通过新套管注入水泥即处理成功，软硬骨料巧妙结合，既有强度又有柔软性、比重小，硬骨料以松木木块、木楔为主、软骨料以锯末、刨花为主，解决了高承压大流量毁损水文钻孔处理难题。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿水害防治技术领域，特别是一种煤矿井下水文钻孔损坏失控出水的封堵方法。
背景技术
煤矿在勘探和生产期间施工了大量的水文钻孔，尤其是经过了几十年的开采，多数煤矿处于深部开采，一些水文钻孔由于巷道围岩应力的变化和钻窝处底板底鼓、地质构造和施工时间长等各种因素和原因影响，造成一些水文钻孔套管断裂或毁损而使钻孔闸阀失控，使含水层水从钻孔周边底板跑出，造成水害事故，由于钻孔毁损情况复杂，往往处理起来有一定的难度。此类事故，是煤矿生产中经常出现而又不好处理的一种水害事故，对煤矿生产影响很大，甚至造成淹工作面、淹水平、淹矿井严重水害事故，是煤矿多发的一类水害事故。
目前，国内煤矿对于水文钻孔毁损情况下的处理，多采用胶囊封孔器、胶塞封孔器、止水塞或软骨料以及化学浆等方法。这类方法对于水压、水量较小的出水钻孔还可以，但仍然存在一旦胶囊、胶塞损坏而造成处理失败，而且处理起来时间长，风险大的特点。而对于高水压大流量毁损水文钻孔的处理，传统的胶囊、胶塞加软骨料处理方法，由于水压高流量大而造成软骨料效果差、时间长甚至失败造成水害事故，因此，研究一种简便易行的适用高承压、大流量、孔内损毁失控、动水情况下等复杂的水文钻孔快速封堵方法，是目前煤矿生产中需要解决的水害防治技术问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统及方法，在毁损水文钻孔套管内重新下入小一级的新套管，然后根据新旧套管间隙下入适当尺寸的硬骨料和软骨料(比重小于水)，将一定量的软硬骨料按一定比例注入新套管内，利用水总沿阻力最小方向流动的原理，软硬骨料在浮力和下伏高承压水及上面泵压的作用下，只能进入阻力小的新旧套管之间的间隙中，硬骨料充填在新旧套管之间较大的间隙起骨架和支撑作用，软骨料充填硬骨料间隙，然后通过新套管注入水泥即处理成功，软硬骨料巧妙结合，既有强度又有柔软性、比重小，硬骨料以松木木块、木楔为主、软骨料以锯末、刨花为主，解决了高承压大流量毁损水文钻孔处理难题。
本发明的目的在于提供一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，包括：
填料筒、填料口、阀门、泄压闸阀、法兰盘、注浆闸阀、新下套管以及原套管，所述填料口设置在所述填料筒上方，所述阀门安装在所述填料筒底部，所述泄压闸阀安装在所述填料筒下方的侧壁上，所述阀门通过所述法兰盘连接所述新下套管，所述注浆闸阀安装在所述填料筒上方与所述泄压闸阀相对的一侧，所述新下套管与所述原套管之间具有套管间隙，所述注浆闸阀通过注浆管连接注浆泵，在所述套管间隙内填充硬骨料以及软骨料，硬骨料充填在新下套管和原套管之间较大的间隙起骨架和支撑作用，软骨料充填在所述硬骨料的间隙，所述硬骨料以及软骨料之间通过在新下套管内注入水泥以及水泥添加剂进行处理。
优选地，所述注浆闸阀上设置压力表，以监控填料操作最后是否达到设计压力。
优选地，所述硬骨料包括木块、木楔；所述软骨料包括花生、黄豆、绿豆、锯末、刨花、海带、锯末，所述木块作为大骨料和硬骨料，起支撑和强度作用以及封堵大裂隙，软骨料是中小骨料，起封堵和充填小裂隙作用，能随出水通道的形状而变化，为防止松木木块堆积堵孔，每次控制加入松木木块的数量，且与软骨料均匀加注,木块材料的选择为比重小于水的比重，且选择的比重能确保随钻孔水流到原套管断裂处，强度能抵抗高水压。
优选地，所述木块的形状选择为长柱状。
优选地，所述木块的柱高确定为小于新下套管内径的1/3。
优选地，所述木块的断面宽度和厚度的确定为小于新下套管与原套管之间最小间隙，即小于原套管内半径与新下套管外半径之差。
优选地，所述硬骨料下入量为总骨料的1/10，所述软骨料下入量为总骨料的9/10。
本发明的目的还在于提供一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵方法，包括如下步骤：
步骤1，现场调查以及探测原套管(10)的断裂情况并制定封堵计划；
步骤2，在钻孔原套管内重新下入小一级的新套管，然后利用填料筒和注浆泵注入硬骨料以及软骨料，软硬骨料在合理泵压的作用下充填至原套管与新下套管之间的环形空间内，然后注入水泥浆液胶结，达到处理损坏的原套管的目的。
优选地，所述步骤1包括：
步骤11，了解损坏失控水文钻孔结构、现场调查钻孔底板破裂、出水量以及钻孔出水量的情况；
步骤12，安装钻机，由承压含水层带承压水探测确定钻孔的原套管的损坏程度以及损坏深度；
步骤13，根据步骤11的现场调查以及步骤12的探测情况，制定封堵方案，封堵方案包括：加固钻孔底板破裂地段、根据钻孔套管直径以及探孔情况确定新下入套管的直径以及长度并制作，根据原套管法兰盘情况制作新套管法兰盘以及闸阀；
步骤14，根据钻孔出水量、水压、底板破碎情况计算和准备封堵骨料的类型、大小、数量以及水泥和添加剂；
步骤15，根据钻孔水压和套管破损深度计算注骨料时的压力、封堵时的注浆压力以及水泥用量；
步骤16，将各种材料和设备运到现场。
优选地，所述步骤2包括：
步骤21，下入新下套管并与原套管以及阀门连接固定好，孔口打上戗点柱，阀门上连接填料筒以及注浆管至注浆泵；快速高效地封堵煤矿井下勘探时期以及生产期间施工的损坏失控的大量水文钻孔，新下套管要下入原套管内损坏处以下2-5m,新下套管外径的选择要小于原套管内径10mm以上，为了减少新下套管下入时的阻力，尤其是对高承压、大流量钻孔而言，使新下套管外径略小于原套管直径以能顺利下入原套管中即可。
步骤22，将硬骨料和软骨料压入钻孔，当钻孔四周不再跑水时启动注水泥工作，直至达到设计结束压力和注入量，其中所述设计结束压力由压力表测量获得，水泥选择PO.425硅酸盐水泥，注浆时水灰比选择0.8:1，加入0.005％三乙醇胺以及0.5％的肠衣盐作为添加剂，结束标准为所封堵处理钻孔水压的1.5-3倍。
本发明的有益效果：
在钻孔原套管内重新下入小一级的新套管，然后利用填料筒和注浆泵注入软硬骨料，软硬骨料在合理泵压的作用下充填至原套管与新套管之间的环形空间内，然后注入水泥浆液胶结，达到处理损坏套管的目的。通过采用该系统和方法提供的封堵流程，操作简便易行，可在短时间内快速高效地处理损坏水文钻孔而造成的水害事故，解除由于水文钻孔损坏而对安全生产的威胁，减少矿井涌水量，降低矿井无效排水费用，提高矿井抗灾水平，增加矿井经济效益并保护水资源有十分显著的环境效益。
附图说明
附图1为根据本发明实施例的井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统结构视图。
附图2为根据本发明实施例的井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统实施封堵方法后的原理视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，包括：填料筒1、填料口2、阀门3、泄压闸阀4、法兰盘5、注浆闸阀6、新下套管9以及原套管10，填料口2设置在填料筒1上方，阀门3安装在填料筒1底部，泄压闸阀4安装在填料筒1 下方的侧壁上，阀门3通过法兰盘5连接新下套管9，注浆闸阀6安装在填料筒1上方与泄压闸阀4相对的一侧，新下套管9与原套管10之间具有套管间隙11，在套管间隙11 内填充硬骨料14以及软骨料15，硬骨料14充填在新下套管9和原套管10之间较大的间隙起骨架和支撑作用，软骨料15充填在硬骨料14的间隙，硬骨料14以及软骨料15之间通过在新下套管9内注入水泥以及水泥添加剂进行处理。
使用该系统的生产条件是由于原套管10上存在原套管断裂处10’和10”，从而沿着原套管断裂处10’和10”形成多条跑水通道12’和12”。
参见图2，填料口2上设置水门2’，注浆闸阀6通过注浆管13连接注浆泵7。注浆闸阀6上设置压力表(8)，以监控填料操作最后是否达到设计压力，保证生产的安全以及填料工作的完善。
本实施例中，硬骨料14包括木块、木楔；所述软骨料15包括花生、黄豆、绿豆、锯末、刨花、海带、锯末，所述木块作为大骨料和硬骨料，起支撑和强度作用以及封堵大裂隙，软骨料是中小骨料，起封堵和充填小裂隙作用，能随出水通道的形状而变化，为防止松木木块堆积堵孔，每次控制加入松木木块的数量，且与软骨料均匀加注,木块材料的选择为比重小于水的比重，且选择的比重能确保随钻孔水流到原套管断裂处10’和10”，强度能抵抗高水压，加工方便，就地取材，同时价格便宜，综合上述要求，松木作为木块材料，是理想的材料。本实施例中木块为松木木块。
木块的形状选择为长柱状。这是因为木块做大了容易堆积堵孔，做小了从钻孔破损处冲出，不起作用，木块应加工为长柱状。
木块的柱高的确定：木块需要满足从新下套管9中压进去，同时又要满足进入原套管10和新下套管9之间的环形区域中。假设新下套管9的内外半径分别为r1和r2，原套管10内外半径为R1和R2，单位均为mm。要想使木块进入新下套管9中，木块需要小于新下套管内径的1/3即小于2/3r1。
木块的断面宽度和厚度的确定：木块需要小于新下套管9与原套管10之间最小间隙，即小于原套管内半径与新下套管外半径之差(R1－r2)，否则木块不能进入原套管10与新下套管9之间。
这种以软骨料为主，软硬骨料相结合、大小骨料相结合的处理损坏失控钻孔的方法，能适应各种损坏套管情况和不同压力的承压水以及不同水量的钻孔跑水，而且操作简便、制作材料方便，快速高效，采用此方成功封堵本实施例中出现的450立方米/小时的钻孔出水量，硬骨料选择以松木为主，其大小根据所封堵处理的损坏水文钻孔套管直径和所下新套管直径来决定，所下量为总骨料的1/10。软骨料选择刨花、粉碎玉米芯、黄豆、海带、锯末等为主，所下量为总骨料的9/10。
井下高承压大流量失控水文钻孔封堵方法，包括如下步骤：
步骤1，现场调查以及探测原套管10的断裂情况并制定封堵计划；
步骤2，在钻孔原套管内重新下入小一级的新套管，然后利用填料筒1和注浆泵7注入硬骨料14以及软骨料15，软硬骨料在合理泵压的作用下充填至原套管10与新下套管9之间的环形空间内，然后注入水泥浆液胶结，达到处理损坏的原套管(10)的目的。
其中，步骤1包括：
步骤11，了解损坏失控水文钻孔结构、现场调查钻孔底板破裂、出水量以及钻孔出水量的情况；
步骤12，安装钻机，由承压含水层17带承压水16探测确定钻孔的原套管10的损坏程度以及损坏深度；
步骤13，根据步骤11的现场调查以及步骤12的探测情况，制定封堵方案，封堵方案包括：加固钻孔底板破裂地段、根据钻孔套管直径以及探孔情况确定新下入套管的直径以及长度并制作，根据原套管法兰盘情况制作新套管法兰盘以及闸阀；
步骤14，根据钻孔出水量、水压、底板破碎情况计算和准备封堵骨料的类型、大小、数量以及水泥和添加剂；
步骤15，根据钻孔水压和套管破损深度计算注骨料时的压力、封堵时的注浆压力以及水泥用量；
步骤16，将各种材料和设备运到现场。
其中，步骤2包括：
步骤21，下入新下套管9并与原套管10以及阀门3连接固定好，孔口打上戗点柱，阀门3上连接填料筒2以及注浆管13至注浆泵7；快速高效地封堵煤矿井下勘探时期以及生产期间施工的损坏失控的大量水文钻孔，新下套管9要下入原套管内损坏处以下 2-5m,新下套管9外径的选择要小于原套管10内径10mm以上，为了减少新下套管9下入时的阻力，尤其是对高承压、大流量钻孔而言，使新下套管9外径略小于原套管10直径以能顺利下入原套管10中即可。
步骤22，将硬骨料14和软骨料15压入钻孔，当钻孔四周不再跑水时启动注水泥工作，直至达到设计结束压力和注入量，其中所述设计结束压力由压力表8测量获得，水泥选择PO.425硅酸盐水泥，注浆时水灰比选择0.8:1，加入0.005％三乙醇胺以及0.5％的肠衣盐作为添加剂，结束标准为所封堵处理钻孔水压的1.5-3倍。
本实施例在钻孔原套管内重新下入小一级的新套管，然后利用填料筒和注浆泵注入软硬骨料，软硬骨料在合理泵压的作用下充填至原套管与新套管之间的环形空间内，然后注入水泥浆液胶结，达到处理损坏套管的目的。通过采用该系统和方法提供的封堵流程，操作简便易行，可在短时间内快速高效地处理损坏水文钻孔而造成的水害事故，解除由于水文钻孔损坏而对安全生产的威胁，减少矿井涌水量，降低矿井无效排水费用，提高矿井抗灾水平，增加矿井经济效益并保护水资源有十分显著的环境效益。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于包括：
填料筒(1)、填料口(2)、阀门(3)、泄压闸阀(4)、法兰盘(5)、注浆闸阀(6)、新下套管(9)以及原套管(10)，所述填料口(2)设置在所述填料筒(1)上方，所述阀门(3)安装在所述填料筒(1)底部，所述泄压闸阀(4)安装在所述填料筒(1)下方的侧壁上，所述阀门(3)通过所述法兰盘(5)连接所述新下套管(9)，所述注浆闸阀(6)安装在所述填料筒(1)上方与所述泄压闸阀(4)相对的一侧，所述新下套管(9)与所述原套管(10)之间具有套管间隙(11)，所述注浆闸阀(6)通过注浆管(13)连接注浆泵(7)，在所述套管间隙(11)内填充硬骨料(14)以及软骨料(15)，硬骨料(14)充填在新下套管(9)和原套管(10)之间较大的间隙起骨架和支撑作用，软骨料(15)充填在所述硬骨料(14)的间隙，所述硬骨料(14)以及软骨料(15)之间通过在新下套管(9)内注入水泥以及水泥添加剂进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述注浆闸阀(6)上设置压力表(8)，以监控填料操作最后是否达到设计压力。
3.根据权利要求2所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述硬骨料(14)包括木块、木楔；所述软骨料(15)包括花生、黄豆、绿豆、锯末、刨花、海带、锯末，所述木块作为大骨料和硬骨料，起支撑和强度作用以及封堵大裂隙，软骨料是中小骨料，起封堵和充填小裂隙作用，能随出水通道的形状而变化，为防止松木木块堆积堵孔，每次控制加入松木木块的数量，且与软骨料均匀加注,所述木块材料的选择为比重小于水的比重，且选择的比重能确保随钻孔水流到原套管断裂处(10’)和(10”)，强度能抵抗高水压。
4.根据权利要求3所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述木块的形状选择为长柱状。
5.根据权利要求4所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述木块的柱高确定为小于新下套管(9)内径的1/3。
6.根据权利要求5所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述木块的断面宽度和厚度的确定为小于新下套管(9)与原套管(10)之间最小间隙，即小于原套管(10)内半径与新下套管(9)外半径之差。
7.根据权利要求6所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统，其特征在于：所述硬骨料下入量为总骨料的1/10，所述软骨料下入量为总骨料的9/10。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵系统实施的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，现场调查以及探测原套管(10)的断裂情况并制定封堵计划；
步骤2，在钻孔原套管内重新下入小一级的新套管，然后利用填料筒(1)和注浆泵(7)注入硬骨料(14)以及软骨料(15)，软硬骨料在合理泵压的作用下充填至原套管(10)与新下套管(9)之间的环形空间内，然后注入水泥浆液胶结，达到处理损坏的原套管(10)的目的。
9.根据权利要求8所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵方法，其特征在于所述步骤1包括：
步骤11，了解损坏失控水文钻孔结构、现场调查钻孔底板破裂、出水量以及钻孔出水量的情况；
步骤12，安装钻机，由承压含水层(17)带承压水(16)探测确定钻孔的原套管(10)的损坏程度以及损坏深度；
步骤13，根据步骤11的现场调查以及步骤12的探测情况，制定封堵方案，封堵方案包括：加固钻孔底板破裂地段、根据钻孔套管直径以及探孔情况确定新下入套管的直径以及长度并制作，根据原套管法兰盘情况制作新套管法兰盘以及闸阀；
步骤14，根据钻孔出水量、水压、底板破碎情况计算和准备封堵骨料的类型、大小、数量以及水泥和添加剂；
步骤15，根据钻孔水压和套管破损深度计算注骨料时的压力、封堵时的注浆压力以及水泥用量；
步骤16，将各种材料和设备运到现场。
10.根据权利要求8所述的一种井下高承压大流量失控水文钻孔封堵方法，其特征在于所述步骤2包括：
步骤21，下入新下套管(9)并与原套管(10)以及阀门(3)连接固定好，孔口打上戗点柱，阀门(3)上连接填料筒(2)以及注浆管(13)至注浆泵(7)；快速高效地封堵煤矿井下勘探时期以及生产期间施工的损坏失控的大量水文钻孔，新下套管(9)要下入原套管内损坏处以下2-5m,新下套管(9)外径的选择要小于原套管(10)内径10mm以上，为了减少新下套管(9)下入时的阻力，使新下套管(9)外径略小于原套管(10)直径以能顺利下入原套管(10)中即可。
步骤22，将硬骨料(14)和软骨料(15)压入钻孔，当钻孔四周不再跑水时启动注水泥工作，直至达到设计结束压力和注入量，其中所述设计结束压力由压力表(8)测量获得，水泥选择PO.425硅酸盐水泥，注浆时水灰比选择0.8:1，加入0.005％三乙醇胺以及0.5％的肠衣盐作为添加剂，结束标准为所封堵处理钻孔水压的1.5-3倍。
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