CN111075478A - 采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,包括如下步骤:(1)钻场基础施工;(2)直孔段钻进及一级套管下放和固定;(3)主分支孔顺层段钻进及注浆,完成所述主分支孔造斜段和所述主分支孔顺层段的施工;(4)重复步骤(3)和步骤(4),逐个完成次级分支孔的施工。在井下综采工作面施工之前,在地面使用钻机开孔,利用定向技术钻进水平注浆孔,通过地面注浆泵对综采工作面破碎的顶板所在地层岩体注入浆液,实现顶板破碎带岩体的预先加固治理,改善了切眼开挖及工作面回采时的施工环境,加快了巷道施工进度,安全性高,改善了工人施工环境,并且对于环境的污染较小,是一种主动的顶板加固技术。

Description

采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺
技术领域
本发明涉及煤矿及其他矿山破碎带治理技术领域。具体地说是采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺。
背景技术
综采工作面在开采过程中,地质构造是影响其安全高效的重要因素,尤其是遇断层时,造成顶板破碎,煤层采线难以控制,极容易出现片帮、冒顶等事故,也会发生围岩过大变形、支护方式失效等破坏,给安全生产带来极大的影响,大倾角条件下综采工作面遇落差较大断层时,为了确保施工安全,常常不得已采取重新开切眼或局部补眼,进行工作面搬家跨过构造带。因此,相关破碎带的加固技术研究就提上日程。
目前综采工作面过断层的主要方法是在井下采煤工作面及两顺槽施工注浆钻孔对断层破碎带进行注浆加固并辅以浅截深、单向割煤、超前拉架等顶板控制方法。井下工作面注浆钻孔间距一般为3~5m,钻孔长度一般5~7m;两顺槽施工注浆钻场,钻场内施工扇形钻孔,钻孔终孔于断层面,断层面处钻孔间距一般8~12m。所以综采工作面过断层时采用井下注浆加固断层破碎带和其他顶板控制方法往往严重影响工作面的正常生产,影响井下环境,并存在较大的安全隐患(如片帮、漏顶、顶钻、突水等)。
目前,井下注浆加固技术如采用工作面预注浆,其是在巷道工作面向岩体中施工注浆钻孔,注入浆液以封堵裂隙。缺点:①注浆施工时,工作面掘进工序完全停止,如果裂隙非常发育,还需要施工止浆垫或止浆墙,导致巷道掘进效率非常低;②注浆钻孔的深度较浅,加固范围很小,同时工作面空间有限,无法采用大型设备,注浆压力小,浆液扩散距离有限;③加固浆液如效果差再选用新型浆液,成本很高,且不利于环境保护。④施工现场工作环境差,不安全隐患较多。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于提供一种适宜采掘工作面构造破碎带的超前主动加固治理,并且安全性和适应性高的采掘工作面构造破碎带地面施工多分支定向孔预注浆加固工艺。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,包括如下步骤:
(1)钻场基础施工;
(2)直孔段钻进及一级套管下放和固定,所述直孔段为一个;
(3)主分支孔造斜段钻进及二级套管下放和固定;
(4)主分支孔顺层段钻进及注浆,完成所述主分支孔造斜段和所述主分支孔顺层段的施工,所述主分支孔造斜段和所述主分支孔顺层段连接导通;所述主分支孔顺层段位于上下两个煤层之间的采掘工作面构造破碎带;所述主分支孔造斜段和所述主分支孔顺层段组成主分支孔,所述直孔段与所述主分支孔造斜段连接导通;
(5)重复步骤(3)和步骤(4),逐个完成次级分支孔的施工;每个次级分支孔均由次级分支孔造斜段和次级分支孔顺层段组成;每个所述次级分支孔顺层段均位于上下两个煤层之间;每个所述次级分支孔造斜段均分别与所述直孔段连接导通,并且每个所述次级分支孔造斜段内均下放和固定有独立的所述二级套管。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(2)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头(或Φ350mm钻头)+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(3)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(4)中,采用如下钻具组合:Φ152.4mm钻头+Φ127mm螺杆钻具+Φ127mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆+Φ105m无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(2)中:所述直孔段穿过第四系、第三系冲积层至完整基岩段或稳定地层后,在所述直孔段下入所述一级套管,所述直孔段底口进入稳定基岩或稳定地层的深度大于或等于10m;一级套管的规格为Φ244.5×8.94mm,然后泵入固管水泥浆至一级套管外壁固管,固管水泥浆需自一级套管下端面至一级套管外壁套管头上方50m,以保证一级套管套管头牢固;直孔段每钻进50~100m测斜一次,直孔段的钻孔偏斜率小于或等于3‰;采用JDT-5、JDT-6陀螺定向测斜仪或电子单多点测斜仪。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(3)中:待所述直孔段的固管水泥浆凝固好后,用比一级套管内径小一级的钻头钻穿一级套管下段进行引斜,并继续向下钻进形成所述主分支孔造斜段,在所述主分支孔造斜段下入所述二级套管,所述二级套管的规格为Φ177.8×8.05mm;然后泵入固管水泥浆至所述二级套管外壁固管,固管水泥浆需自所述二级套管下端面至一级套管外壁套管头,以保证所述二级套管套管头牢固;所述主分支孔造斜段的测斜和定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具;所述主分支孔造斜段钻孔轨迹曲率小于且等于10°/30m;每钻进9~10m测斜一次。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(4)中:待所述主分支孔造斜段固管水泥浆凝固好后,用比二级套管内径小一级的钻头钻穿二级套管下段引斜,并沿上下煤层之间钻进形成所述主分支孔顺层段,所述主分支孔顺层段钻孔轨迹顶角为80°到90°;测斜、定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,对所述主分支孔顺层段进行注浆,每个所述主分支孔顺层段分为多个注浆段高,每个注浆段高长为50-200m,采用钻—段注、钻—段注的前进方式进行注浆,直至钻进到目标位置终孔,并进行封孔;注浆采用单液水泥浆或黏土水泥浆,其中:单液水泥浆由水泥加水、食盐、三乙醇胺配制而成,三乙醇胺加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,食盐加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,水泥的加入量为每立方水加入333~847kg;黏土水泥浆由水泥加水、黏土和水玻璃配制而成,水泥加入量为每立方水加入100~200kg,水玻璃加入量为每立方水加入10~30L,配制时首先向水中加入水泥和水玻璃,最后加入黏土,黏土的加入量使配制得到黏土水泥浆的比重为1.15~1.30;水泥:采用硅酸盐水泥,质量符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007标准,强度等级不应低于32.5级,对水泥细度的要求为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5wt%;黏土:塑性指数大于或等于10,粒径小于0.005mm的粘粒含量大于或等于25wt%,含砂量小于或等于5wt%,有机物含量小于或等于3wt%;水玻璃符合《工业硅酸钠》GB/T 4209-2008标准,模数为2.8~3.4,浓度宜为30~42波美度。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,注浆结束标准:达到设计注浆终压,即地面注浆孔口终止压力大于或等于3.0MPa,水泥注浆终量为40~60L/min,黏土水浆注浆终量为小于或等于250L/min,维持时间不少于15分钟。
上述采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,在步骤(4)中:所有探查治理分支钻孔穿过含水层时均要求进行简易水文地质观测:钻进过程中如遇冲洗液明显消耗或涌(漏)水、掉钻、埋钻时应准确记录深度、层位及冲洗液消耗量或涌(漏)水量。正常钻进时,每2h观测一次冲洗液消耗量;进入目的岩层后每1h观测一次冲洗液消耗量。不足1h时的回次,每回次观测一次。发现冲洗液明显漏失时,应每10~30min观测一次。每次钻程的提钻后和下钻前各观测一次水位。注浆、处理事故、扫孔等,可不观测回次水位。停钻时间较长,应每2小时观测一次水位,水位基本稳定后,可改为每4个小时观测一次,直到重新钻进。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果:
1、在井下综采工作面施工之前,在地面使用钻机开孔,利用定向技术钻进水平注浆孔,通过地面注浆泵对综采工作面破碎的顶板所在地层岩体注入浆液,实现顶板破碎带岩体的预先加固治理,改善了切眼开挖及工作面回采时的施工环境,加快了巷道施工进度,是一种主动的顶板加固技术。
2、治理采用的地面预注浆的注浆压力与工作面注浆相比,浆液制备更方便,注浆压力很高,地面注浆孔口终止压力大于等于3.0MPa,浆液的扩散距离较远,裂隙充填率也相应提高,充分保证了破碎带的加固质量。
3、顶板破碎带经过注浆加固后,大大地减少了顶板垮塌等事故发生的危险,安全性高,改善了工人施工环境,并且对于环境的污染较小。
4、采用的地面施工工艺安排简单,设备及材料来源广泛,适应性高。
5、特别适用于治理长度超过1000m、埋深超过800m且岩层完整性较差的地层。
附图说明
图1-1:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理第一注浆段注浆压力变化分析图;
图1-2:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理第二注浆段注浆压力变化分析图;
图1-3:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理第三注浆段注浆压力变化分析图;
图1-4:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理第四注浆段注浆压力变化分析图;
图2-1:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程第一注浆段顺层钻进轨迹图;
图2-2:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程第二注浆段顺层钻进轨迹图;
图2-3:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程第三注浆段顺层钻进轨迹图;
图2-4:某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程第四注浆段顺层钻进轨迹图;
图3本发明采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺的钻孔结构示意图;
图4本发明采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺的钻孔结构俯视示意图;
图5本发明采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺的实施例青东矿钻孔的轨迹示意图。
图中附图标记表示为:1-主分支孔顺层段;2-主分支孔造斜段;3-一级套管;4-直孔段;5-二级套管;6-次级分支孔造斜段;7-次级分支孔顺层段。
具体实施方式
本实施例采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,包括如下步骤:(1)钻场基础施工;钻机安装前需在地面建造钻机基础。钻机基础要求平整、坚固,防止钻塔歪斜,在建造钻机基础时应预留处理岩屑的泥浆沟槽及泥浆循环池,应建造好泥浆泵基础。地面布置1台钻机,沿着治理区域轴线走向设置,地面具体布置钻机时,应考虑建(构)筑物、地形地貌等因素,尽量插空安排钻机,避免影响矿井正常生产。
(2)直孔段4钻进及一级套管3下放和固定,所述直孔段4为一个;在步骤(2)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头(或Φ350mm钻头)+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
在步骤(2)中:所述直孔段4穿过第四系、第三系冲积层至完整基岩段或稳定地层后,在所述直孔段4下入所述一级套管3,所述直孔段4底口进入稳定基岩或稳定地层的深度大于或等于10m,使得套管不会发生位移和变形,起到很好的导向作用,确保下一步施工工艺;一级套管3的规格为Φ244.5×8.94mm,然后泵入固管水泥浆(水灰比为0.6:1)至一级套管3外壁固管,固管水泥浆需自一级套管3下端面至一级套管3外壁套管头上方50m,以保证一级套管3套管头牢固;直孔段4每钻进50~100m测斜一次,直孔段4的钻孔偏斜率小于或等于3‰;采用JDT-5、JDT-6陀螺定向测斜仪或电子单多点测斜仪。
(3)主分支孔造斜段2钻进及二级套管5下放和固定;在步骤(3)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
在步骤(3)中:待所述直孔段4的固管水泥浆凝固好后,用比一级套管3内径小一级的钻头钻穿一级套管3下段进行引斜,并继续向下钻进形成所述主分支孔造斜段2,在所述主分支孔造斜段2下入所述二级套管5,所述二级套管5的规格为Φ177.8×8.05mm;然后泵入固管水泥浆至所述二级套管5外壁固管,固管水泥浆需自所述二级套管5下端面至一级套管3外壁套管头,以保证所述二级套管5套管头牢固;所述主分支孔造斜段2的测斜和定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具;所述主分支孔造斜段2钻孔轨迹曲率小于且等于10°/30m;每钻进9~10m测斜一次。所述主分支孔造斜段2钻孔轨迹曲率小于且等于10°/30m,使得钻孔轨迹平滑,钻头和钻具容易下放,不会发生卡钻事故。
(4)主分支孔顺层段1钻进及注浆,完成所述主分支孔造斜段2和所述主分支孔顺层段1的施工,所述主分支孔造斜段2和所述主分支孔顺层段1连接导通;所述主分支孔顺层段1位于上下两个煤层之间的采掘工作面构造破碎带,所述主分支孔顺层段1沿着治理区域轴线延伸,可以将治理带根据破碎情况分隔成2个及以上的注浆段;所述主分支孔造斜段2和所述主分支孔顺层段1组成主分支孔,所述直孔段4与所述主分支孔造斜段2连接导通;在步骤4中,采用如下钻具组合:Φ152.4mm钻头+Φ127mm螺杆钻具+Φ127mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆+Φ105m无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
在步骤(4)中:待所述主分支孔造斜段2固管水泥浆凝固好后,用比二级套管5内径小一级的钻头钻穿二级套管5下段引斜,并沿上下煤层之间钻进形成所述主分支孔顺层段1,所述主分支孔顺层段1钻孔轨迹顶角为80°到90°;测斜、定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具。顺层段钻孔的轴线与计划加固治理区域轴线重合,这样可以避免浆液超扩散,形成有效的注浆加固帷幕,保证破碎带及周边区域加固改性质量。
对所述主分支孔顺层段1进行注浆,每个所述主分支孔顺层段1分为多个注浆段高,每个注浆段高长为50-200m,采用钻—段注、钻—段注的前进方式进行注浆,直至钻进到目标位置终孔,并进行封孔;注浆采用单液水泥浆或黏土水泥浆,其中:
单液水泥浆由水泥加水、食盐、三乙醇胺配制而成,三乙醇胺加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,食盐加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,水泥的加入量为每立方水加入333~847kg。
黏土水泥浆由水泥加水、黏土和水玻璃配制而成,水泥加入量为每立方水加入100~200kg,水玻璃加入量为每立方水加入10~30L,配制时首先向水中加入水泥和水玻璃,最后加入黏土,黏土的加入量使配制得到黏土水泥浆的比重为1.15~1.30,这种黏土水泥浆的优点如下:(1)流动性好,凝结时间可控,不容易堵塞注浆管路,而且在高压作业下比较容易形成凝固体,非常适宜本发明的注浆工艺;(2)能够更好地封闭地层层理和裂隙,加固效果好。
水泥:采用硅酸盐水泥,质量符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007标准,强度等级不应低于32.5级,对水泥细度的要求为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5wt%;黏土:塑性指数大于或等于10,粒径小于0.005mm的粘粒含量大于或等于25wt%,含砂量小于或等于5wt%,有机物含量小于或等于3wt%;水玻璃符合《工业硅酸钠》GB/T 4209-2008标准,模数为2.8~3.4,浓度宜为30~42波美度。
注浆结束标准:达到设计注浆终压,即地面注浆孔口终止压力大于或等于3.0MPa,水泥注浆终量为40~60L/min,黏土水浆注浆终量为小于或等于250L/min,维持时间不少于15分钟。
在步骤(4)中:所有探查治理分支钻孔穿过含水层时均要求进行简易水文地质观测:钻进过程中如遇冲洗液明显消耗或涌(漏)水、掉钻、埋钻时应准确记录深度、层位及冲洗液消耗量或涌(漏)水量。正常钻进时,每2h观测一次冲洗液消耗量;进入目的岩层后每1h观测一次冲洗液消耗量。不足1h时的回次,每回次观测一次。发现冲洗液明显漏失时,应每10~30min观测一次。每次钻程的提钻后和下钻前各观测一次水位。注浆、处理事故、扫孔等,可不观测回次水位。停钻时间较长,应每2小时观测一次水位,水位基本稳定后,可改为每4个小时观测一次,直到重新钻进。
(5)重复步骤(3)和步骤(4),逐个完成次级分支孔的施工;每个次级分支孔均由次级分支孔造斜段6和次级分支孔顺层段7组成;每个所述次级分支孔顺层段7均位于上下两个煤层之间;每个所述次级分支孔造斜段6均分别与所述直孔段4连接导通,并且每个所述次级分支孔造斜段6内均下放和固定有独立的所述二级套管5。间隔一定距离的位置布置多个次级分支孔,可以实现全区域注浆,达到全治理区域破碎带加固注浆的目的。
整体钻孔工艺流程:钻孔定位→钻机安装→开孔→直孔段钻进→直孔段(一开)下一级套管及固管→造斜段(二开)钻进→造斜段下二级套管及固管→第一分支顺层段(三开)钻进→注浆→扫孔→钻进→注浆→……→第一分支顺层段终孔→第一分支顺层段封孔(简易水文地质观测随分支孔钻进施工并行作业)→第二分支顺层段钻进→注浆→扫孔→钻进→注浆→……→第二分支顺层段终孔→第二分支顺层段封孔→第三分支水平孔钻进→……→次级定向分支孔钻进→注浆→扫孔→钻进→注浆→……→终孔→封孔。
在某矿区进行试验,此矿区某矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程为试验性项目,具有如下技术难点:(1)9煤顶板为较破碎的泥岩,厚度为1.71~2.01m,平均仅为1.89m,目的层位(8煤和9煤之间)的确定及施工难度大;(2)加固目的层位埋深较浅(320~340m),而第四系厚度约为230m,为保证钻孔轨迹既能进入目的层位,又能顺利下放套管,需要在第四系软地层提前进行定向,定向难度加大;(3)为了保障更好的注浆效果,把原设计注浆压力4~6MPa,调整为7.5MPa;但考虑到加固目的层位距离上部7煤采空区较近,平均约为30m,故施工过程中需加强观测注浆压力变化情况,防止与上部老空水导通。
钻孔分为三开结构:
1、一开直孔+定向导斜段,0~250m左右,孔径Φ350mm,下入Φ244.5×8.94mm孔口管,至稳定基岩层段,水泥固井,隔离第四系表土地层。
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,钻具组合:Φ215.9mm钻头(Φ350mm钻头加导向扩孔)+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆;测斜情况:测深261.22m,井斜45.21°,方位277.1°,偏距77.31m,孔深262m;该段钻进过程中钻井液消耗量正常,没有特殊变化。确定钻进至稳定基岩层后,下入一开套管261.22m(Φ244.5×8.94mm)。
2、二开定向导斜段,0~507m左右,孔径Φ215.9mm,至8煤与9煤之间泥岩层,接近顺层,下入Φ177.8×8.05mm套管,水泥固井。
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,钻具组合:Φ215.9mm钻头+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆;测斜情况:测深473.61m,井斜87.4°,方位278.18°,偏距263.31m,孔深474m;该段钻进过程中钻井液消耗量正常,没有特殊变化。共同判定二开套管进入设计层位,下入二开套管473.61m(Φ177.8×8.05mm)。
3、三开定向顺层段,孔径Φ152.4mm,至8煤与9煤之间泥岩层,开始顺层分段钻进并注浆。
一开孔钻至套管预计深度后,提出钻具立即下入套管。然后泵入水灰比为0.6:1的水泥浆至套管外壁固管,水泥浆至套管外壁套管头上方50m,保证套管头牢固。待水泥浆凝固好后,用比套管内径小一级的钻头钻穿套管下段引斜,并向下钻进二开段。二开孔钻至套管预计深度后,提出钻具立即下入套管;然后泵入水灰比为0.6:1的水泥浆至套管外壁固管,且保证套管头牢固。接着钻进三开段2m,利用接头或止浆塞封闭套管上部,压入套管泥浆观察泥浆泵压力变化,验证套管固管效果。如压力坚持15分钟不变化或降压较慢,证明固管效果达标。一开孔、二开孔和三开孔确认分别固管,一开下一次管、固管,二开下一次管、固管;一开固管确保二开顺利钻进,钻二开的时候确保一开钻孔稳定;二开固管确保三开顺利钻进,钻三开的时候确保二开钻孔稳定;一开和二开固管均确保三开完成之后,预注浆时浆液能够到达受注段或受注岩层。三开分支孔的开孔孔径一致,可以控制在同一水平,也可以在不同水平。
为使浆液更好的扩散,充分填实岩层裂隙,达到更好的治理效果,每隔50m为一个顺层注浆段。顺层注浆段钻具组合:Φ152.4mm钻头+Φ127mm螺杆钻具+Φ127mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆+Φ105m无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
1)第一顺层注浆段
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,进行第一顺层注浆段钻进及注浆工作,该段钻进过程中钻井液消耗量正常,没有特殊变化,注浆段长89.39m,孔深累计563m。该段注入量1164.84m3,水泥用量437.23t,水灰比为3:1~1.8:1,浆液比重为1.18~1.33,注浆终压为7.6MPa。
2)第二顺层注浆段
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,进行第二顺层注浆段钻进及注浆工作,该段钻进过程中钻井液消耗量正常,没有特殊变化,注浆段长53.02m,孔深累计616.02m。该段单液水泥浆注入量329.19m3,水泥用量111.98t,水灰比为3:1~1.8:1,浆液比重为1.18~1.33,注浆终压为7.7MPa。
3)第三顺层注浆段
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,进行第三顺层注浆段钻进及注浆工作,注浆段长53.14m,孔深累计669.16m。该段单液水泥浆注入量1479.32m3,水泥用量702.43t,水灰比为3:1~1.2:1,浆液比重为1.18~1.43,注浆终压为7.6MPa。
4)第四顺层注浆段
XXXX年XX月XX日—XX月XX日,进行第四顺层注浆段钻进及注浆工作,该段钻进过程中钻井液消耗量正常,没有特殊变化,注浆段长49.50m,孔深累计718.66m。该段单液水泥浆注入量754.45m3,水泥用量315.55t,水灰比为3:1~1.8:1,浆液比重为1.18~1.33,注浆终压为7.8MPa。
全孔注浆结束后,钻孔冲扫孔至718.66m,进行全孔压水试验(全孔压水参数详见表5),压水试验后,钻孔473.61m~718.66m为裸孔段,故采用带压力注浆封孔,封孔裸孔段长245.05m,套管段473.61m,该段单液水泥浆注入量21.64m3,水泥用量17.96t,水灰比为1:1~0.6:1,浆液比重为1.5~1.7,注浆终压为8.3MPa。
各注浆段终压详见表1,各注浆段压力变化详见图1-1、图1-2、图1-3和图1-4。
表1各段注浆终压统计表
Figure BDA0002287988890000121
三开钻进顺层率详见表2,顺层钻进剖面图详见图2-1、图2-2、图2-3、图2-4。
表2三开顺层注浆段顺层率统计表
Figure BDA0002287988890000122
某矿区XXX矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程如表3所示,共计完成钻孔工程量718.66m,其中一开直孔+定向导斜段261.22m(60m+201.22m),二开定向导斜钻进212.39m,顺层注浆段245.05m;注入单液水泥浆3749.44m3,水泥用量1585.15t。根据全孔压水试验,单位透水率0.0076L/min.m.m(全孔压水参数详见表5),满足施工组织设计要求;施工无质量安全事故。
表3某矿区XXX矿936切眼煤层顶板破碎带注浆治理工程
Figure BDA0002287988890000131
表4注浆前后透水参数对比表
Figure BDA0002287988890000132
表5 473~718m压水参数表
Figure BDA0002287988890000133
由表4中可以看出注前压水和注后压水透水率均有明显变化,说明地层存在裂隙,具有较好的连通性和渗透性,即地层具有适宜注浆的前提条件;注浆后透水率变小,地层的连通性和渗透性减弱,证明注浆对地层裂隙进行了封闭,保证了较好注浆加固效果。第一注浆段的降幅较为明显,由0.0595降为0.0237,第三注浆段的降幅最为明显,由0.1825降为0.0398,由此可见936切眼煤层顶板破碎带注浆治理效果明显。钻孔轨迹均控制在9煤顶板和8煤底板之间,满足注浆要求。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,包括如下步骤:
(1)钻场基础施工;
(2)直孔段(4)钻进及一级套管(3)下放和固定,所述直孔段(4)为一个;
(3)主分支孔造斜段(2)钻进及二级套管(5)下放和固定;
(4)主分支孔顺层段(1)钻进及注浆,完成所述主分支孔造斜段(2)和所述主分支孔顺层段(1)的施工,所述主分支孔造斜段(2)和所述主分支孔顺层段(1)连接导通;所述主分支孔顺层段(1)位于上下两个煤层之间的采掘工作面构造破碎带;所述主分支孔造斜段(2)和所述主分支孔顺层段(1)组成主分支孔,所述直孔段(4)与所述主分支孔造斜段(2)连接导通;
(5)重复步骤(3)和步骤(4),逐个完成次级分支孔的施工;每个次级分支孔均由次级分支孔造斜段(6)和次级分支孔顺层段(7)组成;每个所述次级分支孔顺层段(7)均位于上下两个煤层之间;每个所述次级分支孔造斜段(6)均分别与所述直孔段(4)连接导通,并且每个所述次级分支孔造斜段(6)内均下放和固定有独立的所述二级套管(5)。
2.根据权利要求1所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(2)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头(或Φ350mm钻头)+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
3.根据权利要求1所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(3)中采用如下钻具组合:Φ215.9mm钻头+Φ165mm螺杆钻具+Φ159mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
4.根据权利要求1所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(4)中,采用如下钻具组合:Φ152.4mm钻头+Φ127mm螺杆钻具+Φ127mm无磁钻铤+Φ73mm钻杆+Φ105m无磁钻铤+Φ73mm钻杆。
5.根据权利要求1-4任一所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(2)中:所述直孔段(4)穿过第四系、第三系冲积层至完整基岩段或稳定地层后,在所述直孔段(4)下入所述一级套管(3),所述直孔段(4)底口进入稳定基岩或稳定地层的深度大于或等于10m;一级套管(3)的规格为Φ244.5×8.94mm,然后泵入固管水泥浆至一级套管(3)外壁固管,固管水泥浆需自一级套管(3)下端面至一级套管(3)外壁套管头上方50m,以保证一级套管(3)套管头牢固;直孔段(4)每钻进50~100m测斜一次,直孔段(4)的钻孔偏斜率小于或等于3‰;采用JDT-5、JDT-6陀螺定向测斜仪或电子单多点测斜仪。
6.根据权利要求5所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(3)中:待所述直孔段(4)的固管水泥浆凝固好后,用比一级套管(3)内径小一级的钻头钻穿一级套管(3)下段进行引斜,并继续向下钻进形成所述主分支孔造斜段(2),在所述主分支孔造斜段(2)下入所述二级套管(5),所述二级套管(5)的规格为Φ177.8×8.05mm;然后泵入固管水泥浆至所述二级套管(5)外壁固管,固管水泥浆需自所述二级套管(5)下端面至一级套管(3)外壁套管头,以保证所述二级套管(5)套管头牢固;所述主分支孔造斜段(2)的测斜和定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具;所述主分支孔造斜段(2)钻孔轨迹曲率小于且等于10°/30m;每钻进9~10m测斜一次。
7.根据权利要求6所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(4)中:待所述主分支孔造斜段(2)固管水泥浆凝固好后,用比二级套管(5)内径小一级的钻头钻穿二级套管(5)下段引斜,并沿上下煤层之间钻进形成所述主分支孔顺层段(1),所述主分支孔顺层段(1)钻孔轨迹顶角为80°到90°;测斜、定向采用SMWD无线随钻测斜仪,定向工具采用螺杆钻具。
8.根据权利要求7所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,对所述主分支孔顺层段(1)进行注浆,每个所述主分支孔顺层段(1)分为多个注浆段高,每个注浆段高长为50-200m,采用钻—段注、钻—段注的前进方式进行注浆,直至钻进到目标位置终孔,并进行封孔;注浆采用单液水泥浆或黏土水泥浆,其中:单液水泥浆由水泥加水、食盐、三乙醇胺配制而成,三乙醇胺加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,食盐加入量为水泥重量的0.03%~0.05%,水泥的加入量为每立方水加入333~847kg;黏土水泥浆由水泥加水、黏土和水玻璃配制而成,水泥加入量为每立方水加入100~200kg,水玻璃加入量为每立方水加入10~30L,配制时首先向水中加入水泥和水玻璃,最后加入黏土,黏土的加入量使配制得到黏土水泥浆的比重为1.15~1.30;水泥:采用硅酸盐水泥,质量符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007标准,强度等级不应低于32.5级,对水泥细度的要求为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5wt%;黏土:塑性指数大于或等于10,粒径小于0.005mm的粘粒含量大于或等于25wt%,含砂量小于或等于5wt%,有机物含量小于或等于3wt%;水玻璃符合《工业硅酸钠》GB/T 4209-2008标准,模数为2.8~3.4,浓度宜为30~42波美度。
9.根据权利要求8所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,注浆结束标准:达到设计注浆终压,即地面注浆孔口终止压力大于或等于3.0MPa,水泥注浆终量为40~60L/min,黏土水浆注浆终量为小于或等于250L/min,维持时间不少于15分钟。
10.根据权利要求8所述的采掘工作面构造破碎带地面施工预注浆加固工艺,其特征在于,在步骤(4)中:所有探查治理分支钻孔穿过含水层时均要求进行简易水文地质观测:钻进过程中如遇冲洗液明显消耗或涌(漏)水、掉钻、埋钻时应准确记录深度、层位及冲洗液消耗量或涌(漏)水量。正常钻进时,每2h观测一次冲洗液消耗量;进入目的岩层后每1h观测一次冲洗液消耗量。不足1h时的回次,每回次观测一次。发现冲洗液明显漏失时,应每10~30min观测一次。每次钻程的提钻后和下钻前各观测一次水位。注浆、处理事故、扫孔等,可不观测回次水位。停钻时间较长,应每2小时观测一次水位,水位基本稳定后,可改为每4个小时观测一次,直到重新钻进。
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