CN111827871B - 一种煤矿井下水文钻孔施工系统及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤矿井下水文钻孔施工系统,包括:钻孔孔口管以及底板加固结构,其中钻孔孔口管为三级套管,从上至下第二级和第三级均为无头喇叭套管,底板加固结构为加固锚杆,三级套管中每级孔径应比上一级套管孔径大30mm以上,还包括反压防喷装置,防喷装置包括高压水闸阀及钻孔反压防喷导流泄压装置以及法兰盘,还提供了一种相应的煤矿井下水文钻孔施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿水害防治技术领域,特别是一种煤矿水害探查治理施工过程中,井下大采深高承压(大于6.0MPa)大流量水文钻孔施工系统及施工方法。
背景技术
煤矿水害是仅次于瓦斯事故的重大灾害,为了防范水害的发生,煤矿常常在井上下进行系列水害治理工程,诸如地质钻探工程、探防水工程、底板注浆加固与改造工程,断层产状和(含)水的探查过程、隐导(含)水构造的探查与治理、煤系薄层灰岩含水层和煤系基底奥灰含水层的探查和治理工程等等,这些工程都离不开钻探,而井下探查与治理是煤矿水害治理最常用和首选的技术手段。过去煤矿在浅部生产,含水层水压较低。近年来,随着煤矿开采规模的扩大和开采深度的不断增加,矿井地质及水文地质条件越来越复杂,煤层底板承受岩溶含水层水的水压越来越高,大多数深部矿井含水层水压已达6.0MPa以上,在面对高承压和大流量水文地质钻孔施工时,常常面对很大的施工安全风险,就是一旦揭露高承压富水含水层时,常常遇到被煤矿称为“射箭”的钻探施工风险,即钻孔一旦揭露高承压和富水含水层时,在高承压大流量含水层巨大水压作用下,钻杆就像射出的箭一样快速喷射出来,给施工现场和施工人员造成极大的安全危害和安全风险。
因此,需要在煤矿在探查和治理高承压富水含水层时设计一套安全可行的钻探施工技术为基础的系统和施工方法。
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煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工系统及施工方法,以解决煤矿在进行水害治理诸如煤层底板注浆加固与改造、煤系薄层灰岩含水层和煤系基底奥灰含水层的探查和水文勘察治理工程时,揭露高承压大流量水文钻孔时能够安全可行的施工技术方法。
本发明的目的在于提供一种煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工系统,包括:钻孔孔口管以及底板加固结构,其中所述钻孔孔口管为三级套管,从上至下第二级和第三级均为无头喇叭套管,所述底板加固结构为加固锚杆。
优选的,所述三级套管中每级孔径应比上一级套管孔径大30mm以上,最后一级为无头套管,终孔直径不大于94mm,所述钻孔孔口管竖直方向上的长度大于35m,所述钻孔孔口管的三级套管厚度均不少于10mm。
优选的,还包括反压防喷装置,所述防喷装置包括高压水闸阀及钻孔反压防喷导流泄压装置以及法兰盘,所述钻孔反压防喷导流泄压装置采用泄压阀、所述高压水闸阀采用水门,其中所述泄压阀设于所述水门一侧面上,所述水门跨接在所述法兰盘两侧,通过所述法兰盘将放喷装置与所述钻孔孔口管连接。
本发明的目的还在于提供一种煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工方法,包括如下步骤:
步骤1,选择钻场:将钻场选择在大巷附近且岩层稳定的完整地段,进行底板加固工作尤其是长期保留的钻孔底板;
步骤2,设计三级套管的钻孔孔口管并实施固结套管;
步骤3,进行钻孔施工;
步骤4,进行揭露含水层的准备工作以及揭露含水层。
优选的,所述步骤1进行底板加固工作包括:加固范围钻孔周边8~10m,深度10~35m,施工完毕应进行验收。
优选的,所述步骤2的所述三级套管的钻孔孔口管包括:每级孔径应比套管孔径大30mm以上,最后一级为无头套管,终孔径不大于ф94;竖直方向钻孔孔口管大于35m;钻孔孔口管及无头喇叭口套管厚度不少于10mm,丝扣长度和丝距应符合规定;
优选的,所述步骤2的所述实施固结套管包括:按设计孔径及长度下入钻孔孔口管,下管前要检查孔口管与接箍质量,接箍丝扣要加生料带并拧紧,固结套管的水泥标号不低于PO425,浓度不高于0.8:1,凝固时间不少于48h,然后扫孔超过孔底0.3~0.5m时,进行耐压试验,试验压力不低于预揭露含水层的2-3倍且稳压时间不小于30min,钻孔四周不漏水,不符合要求,须重新固结直至符合设计要求,实施固结套管过程中使用300m以上的大功率钻机。
优选的,所述步骤3包括:
步骤31,将钻机摆放平整牢固,钻机底座采用地锚和液压点柱的方法固定在机台座上或水泥基础上,地锚采用φ20mm的螺纹钢长度1.6m的锚杆树脂药卷全锚,锚固力达到50KN,液压点柱为自注式,打设在坚固的岩石上且要有柱窝,并打设戗点柱;
步骤32,配备与设计相符的排水能力,排水系统完善,排水设备正常运转;
步骤33,设置复合要求的通风条件,包括:瓦斯监控设施齐全,防治措施已落实;
步骤34,在施工地点20m范围内安设专用电话,保证联络信号畅通;
步骤35,检查钻窝支护并确保完好;
步骤36,进行试压,试压合格后进行钻进,钻进前安装高压水闸阀及钻孔反压防喷导流泄压装置。
优选的,所述步骤4包括:
步骤41,揭露含水层之前,检查该区域以及服务该地段排水系统,确保所述排水系统可以正常运转;
步骤42,揭露含水层之前,检查钻窝支护完好情况以及钻机固定情况,安装反压防喷装置;
步骤43,揭露含水层之前,采用小两级的不取芯肋骨小钻头揭露含水层,如果钻孔揭露含水层水量较大,则进行放水降压,待水压降到安全水压后,然后按设计孔径进行扩孔;
步骤44,扩孔过程中,一旦钻孔水量水压较大时,立即将反压防喷装置上紧,放水一段时间,待含水层水压降低到安全水压后,再拔钻杆或者继续施工直至终孔。
优选的,所述步骤4还包括:
步骤45,开始揭露含水层时,应尽量安排在早、中班且安排有经验的操作人员,并通知防治水科(技术科)、调度室和安监科等人员旁站,即开始揭见含水层和下套管时确保设计单位和监督管理部门进行现场旁站监督和验收;
步骤46,施工过程中每5m测一个漏水量,如不漏水,则进行压水,压力与套管试验压力相同,或者是最后揭露含水层之前5m,做一次全孔压水试验,若漏水必须进行注浆后才允许继续钻进。
本发明的有益效果:
1)提供一套完整的高承压大流量水文钻孔施工技术方法,包括系统和实施方法流程;
2)为煤矿井下水文地质探查和水害治理工作,提供了简易快捷具有可操作性的技术方法;
3)具有十分明显的生产技术安全效益;对具有类似条件的矿山具有明显的推广价值。
附图说明
附图1为根据本发明实施例的钻孔结构及底板加固平面结构视图:
附图2为根据本发明实施例的钻孔孔口装置剖面图。
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。
本实施例的煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工系统及施工方法,解决了煤矿在进行水害治理诸如煤层底板注浆加固与改造、煤系薄层灰岩含水层和煤系基底奥灰含水层的探查和水文勘察治理工程时,揭露高承压大流量水文钻孔时能够安全可行的施工技术方法。
如图1所示,煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工系统,包括:钻孔孔口管1以及底板加固结构2,其中钻孔孔口管1为三级套管,从上至下第二级和第三级均为无头喇叭套管3,底板加固结构2为加固锚杆2。
三级套管中每级孔径应比上一级套管孔径大30mm以上,最后一级无头喇叭套管上的终孔直径不大于94mm,钻孔孔口管1竖直方向上的长度大于35m,钻孔孔口管1的三级套管厚度均不少于10mm。
如图2所示,还包括反压防喷装置7,防喷装置7包括高压水闸阀5及钻孔反压防喷导流泄压装置4以及法兰盘6,钻孔反压防喷导流泄压装置4采用泄压阀4、高压水闸阀5采用水门5,其中泄压阀4设于水门5一侧面上,水门5跨接在法兰盘6两侧,通过法兰盘6将放喷装置3与钻孔孔口管1连接。
如图2所示为钻孔孔口三级钻孔结构,第二级套管为无头套管,这样钻孔上部断面较大,钻孔揭露高承压大流量含水层时,钻孔水由下至上流动时,钻孔断面由小变大,高承压大流量水迅速卸压,大大减轻了大流量高承压水对施工的安全风险;二是在临近揭露含水层时,采用不取芯钻头钻进,一旦揭露高承压富水含水层,其绝大部分高压水从钻头四周快速流出,极大地减轻了对钻具本身的作用力,从而避免钻杆射箭事故;三是采用特殊施工工序即在揭露含水层时,先用小的无芯钻头揭露含水层,由于含水层水受揭露断面的限制,减少了含水层出大水的风险,如果钻孔揭露含水层水量较大,则进行放水降压,待水压降到安全水压后,在泄水泄压情况下,按设计孔径进行扩孔施工,可进一步减轻钻孔施工的安全风险;四是采用反压防喷装置,一旦钻孔揭露含水层水量水压较大时,立即将反压防喷装置上紧,放一段时间水,待含水层水压降低到安全水压和水量后,再拔钻杆或者继续施工直至终孔。
仍然参见附图1-2,本发明的目的还在于提供一种煤矿井下大采深高承压大流量水文钻孔施工方法,包括如下步骤:
步骤1,选择钻场:将钻场选择在大巷附近且岩层稳定的完整地段,进行底板加固工作尤其是长期保留的钻孔底板;
步骤2,设计三级套管的钻孔孔口管1并实施固结套管;
步骤3,进行钻孔施工;
步骤4,进行揭露含水层的准备工作以及揭露含水层。
所述步骤1进行底板加固工作包括:加固范围钻孔周边8~10m,深度10~35m,施工完毕应进行验收。
所述步骤2的所述三级套管的钻孔孔口管1包括:每级孔径应比套管孔径大30mm以上,最后一级为无头套管,终孔不大于ф94;竖直方向钻孔孔口管1大于35m;钻孔孔口管1及无头喇叭口套管厚度不少于10mm,丝扣长度和丝距应符合规定;
所述步骤2的所述实施固结套管包括:按设计孔径及长度下入钻孔孔口管,下管前要检查孔口管与接箍质量,接箍丝扣要加生料带并拧紧,固结套管的水泥标号不低于PO425,浓度不高于0.8:1,凝固时间不少于48h,然后扫孔超过孔底0.3~0.5m时,进行耐压试验,试验压力不低于预揭露含水层的2-3倍且稳压时间不小于30min,钻孔四周不漏水,不符合要求,须重新固结直至符合设计要求,实施固结套管过程中使用300m以上的大功率钻机。
所述步骤3包括:
步骤31,将钻机摆放平整牢固,钻机底座采用地锚和液压点柱的方法固定在机台座上或水泥基础上,地锚采用φ20mm的螺纹钢长度1.6m的锚杆树脂药卷全锚,锚固力达到50KN,液压点柱为自注式,打设在坚固的岩石上且要有柱窝煤巷100mm,岩巷50mm,并打设戗点柱;
步骤32,配备与设计相符的排水能力,排水系统完善,排水设备正常运转;
步骤33,设置复合要求的通风条件,包括:瓦斯监控设施齐全,防治措施已落实;
步骤34,在施工地点20m范围内安设专用电话,保证联络信号畅通;
步骤35,检查钻窝支护并确保完好;
步骤36,进行试压,试压合格后进行钻进,钻进过程中安装高压水闸阀5及钻孔反压防喷导流泄压装置4。
所述步骤4包括:
步骤41,揭露含水层之前,检查该区域以及服务该地段排水系统,确保所述排水系统可以正常运转;
步骤42,揭露含水层之前,检查钻窝支护完好情况以及钻机固定情况,安装反压防喷装置7;
步骤43,揭露含水层之前,采用小两级的不取芯肋骨小钻头揭露含水层,如果钻孔揭露含水层水量较大,则进行放水降压,待水压降到安全水压后,然后按设计孔径进行扩孔;
步骤44,扩孔过程中,一旦钻孔水量水压较大时,立即将反压防喷装置7上紧,放水一段时间,待含水层水压降低到安全水压后,再拔钻杆或者继续施工直至终孔。
,所述步骤4还包括:
步骤45,开始揭露含水层时,应尽量安排在早、中班且安排有经验的操作人员,并通知防治水科技术科、调度室和安监科等人员旁站,即开始揭见含水层和下套管时确保设计单位和监督管理部门进行现场旁站监督和验收;
步骤46,施工过程中每5m测一个漏水量,如不漏水,则进行压水,压力与套管试验压力相同,或者是最后揭露含水层之前5m,做一次全孔压水试验,若漏水必须进行注浆后才允许继续钻进。
本实施例提供一套完整的高承压大流量水文钻孔施工技术方案,为煤矿井下水文地质探查和水害治理工作,提供了简易快捷具有可操作性的技术方法;具有十分明显的生产技术安全效益;对具有类似条件的矿山具有明显的推广价值。
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 (1)
1.一种煤矿井下水文钻孔施工方法,其特征在于,使用煤矿井下水文钻孔施工系统实施,所述煤矿井下水文钻孔施工系统包括:钻孔孔口管(1)以及底板加固结构(2),其中所述钻孔孔口管(1)为三级套管,从上至下第二级和第三级均为无头喇叭套管(3),所述底板加固结构(2)为加固锚杆;所述三级套管中每级孔径应比上一级套管孔径大30mm以上,最后一级无头套管的终孔直径不大于94mm,所述钻孔孔口管(1)竖直方向上的长度大于35m,所述钻孔孔口管(1)的三级套管厚度均不少于10mm;还包括反压防喷装置(7),所述反压防喷装置(7)包括高压水闸阀(5)及钻孔反压防喷导流泄压装置(4)以及法兰盘(6),所述钻孔反压防喷导流泄压装置(4)采用泄压阀、所述高压水闸阀(5)采用水门,其中所述泄压阀设于所述水门一侧面上,所述水门跨接在所述法兰盘(6)两侧,通过所述法兰盘(6)将反压防喷装置(7)与所述钻孔孔口管(1)连接;
所述煤矿井下水文钻孔施工方法包括如下步骤:
步骤1,选择钻场:将钻场选择在大巷附近且岩层稳定的完整地段,进行长期保留的钻孔底板加固工作;
步骤2,设计三级套管的钻孔孔口管(1)并实施固结套管;
步骤3,进行钻孔施工;
步骤4,进行揭露含水层的准备工作以及揭露含水层;
所述步骤1进行底板加固工作包括:加固范围钻孔周边8~10m,深度10~35m,施工完毕应进行验收;
所述步骤2的所述三级套管的钻孔孔口管(1)包括:每级孔径应比套管孔径大30mm以上,最后一级为无头套管,终孔不大于ф94mm;竖直方向钻孔孔口管(1)长度大于35m;钻孔孔口管(1)及无头喇叭口套管厚度不少于10mm,丝扣长度和丝距应符合规定;
所述步骤2的所述实施固结套管包括:按设计孔径及长度下入钻孔孔口管,下管前要检查孔口管与接箍质量,接箍丝扣要加生料带并拧紧,固结套管的水泥标号不低于PO425,浓度不高于0.8:1,凝固时间不少于48h,然后扫孔超过孔底0.3~0.5m时,进行耐压试验,试验压力不低于预揭露含水层的1.5-3倍且稳压时间不小于30min,钻孔四周不漏水,不符合要求,须重新固结直至符合设计要求,实施固结套管过程中使用300m以上的大功率钻机;
所述步骤3包括:
步骤31,将钻机摆放平整牢固,钻机底座采用地锚和液压点柱的方法固定在机台座上或水泥基础上,地锚采用φ20mm的螺纹钢长度1.6m的锚杆树脂药卷全锚,锚固力达到50KN,液压点柱为自注式,打设在坚固的岩石上且要有柱窝,并打设戗点柱;
步骤32,配备与设计相符的排水能力,排水系统完善,排水设备正常运转;
步骤33,设置复合要求的通风条件,包括:瓦斯监控设施齐全,防治措施已落实;
步骤34,在施工地点20m范围内安设专用电话,保证联络信号畅通;
步骤35,检查钻窝支护并确保完好;
步骤36,进行试压,试压合格后进行钻进,钻进过程中安装高压水闸阀(5)及钻孔反压防喷导流泄压装置(4);
所述步骤4包括:
步骤41,揭露含水层之前,检查该区域以及服务该地段排水系统,确保所述排水系统可以正常运转;
步骤42,揭露含水层之前,检查钻窝支护完好情况以及钻机固定情况,安装反压防喷装置(7);
步骤43,揭露含水层之前,采用小两级的不取芯肋骨小钻头揭露含水层,如果钻孔揭露含水层水量较大,则进行放水降压,待水压降到安全水压后,然后按设计孔径进行扩孔;
步骤44,扩孔过程中,一旦钻孔水量水压较大时,立即将反压防喷装置(7)上紧,放水一段时间,待含水层水压降低到安全水压后,再拔钻杆或者继续施工直至终孔;
所述步骤4还包括:
步骤45,开始揭露含水层时,应尽量安排在早、中班且安排有经验的操作人员,并通知防治水技术科、调度室和安监科等人员旁站,即开始揭见含水层和下套管时确保设计单位和监督管理部门进行现场旁站监督和验收;
步骤46,施工过程中每5m测一个漏水量,如不漏水,则进行压水,压力与套管试验压力相同,或者是最后揭露含水层之前5m,做一次全孔压水试验,若漏水必须进行注浆后才允许继续钻进。
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- 2020-06-11 CN CN202010532440.7A patent/CN111827871B/zh active Active
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