CN114737913B - 一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统及注浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统及注浆方法，煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，沿轴向依次连接设置封隔器、钻杆串、水便和压力三通；压力三通的第二通道连接坐封管路和清水泵；压力三通的第三通道连接注浆管路和注浆泵；水流依次通过清水泵、坐封管路、压力三通的第二通道和钻杆串充入封隔器，封隔器径向膨胀对钻孔局部径向封隔；封隔完成后，利用水压打开注浆通道，注浆液依次通过注浆泵、注浆管路、压力三通的第三通道、钻杆串和封隔器实现钻孔的局部注浆加固。实现了孔内局部注浆，使注浆量和注浆压力能够得到有效保证；封隔器以外的的钻孔不会被水泥填充，不需要透孔钻进，减少了大量重复进尺。

Description

一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统及注浆方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下坑道钻探技术领域，具体涉及一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统及注浆方法。

背景技术

近年来，定向钻进技术在煤矿井下瓦斯治理、地质超前探和探放水等施工中的应用越来越广泛，钻孔深度也越来越深，特别是岩层定向长钻孔施工时遇到构造破碎带或钻孔出水的情况越来越多，处理构造破碎带或封堵出水则往往需要进行注水泥浆加固。然而，目前只能采取从孔口法兰盘向孔内进行压浆的方法进行注浆，对于定向长钻孔来说，钻孔长度长，钻孔轨迹空间变化复杂，采用孔口注浆的方式时，水泥浆因流动距离长且钻孔不规则，极易出现沉淀和过早凝固导致注浆通道变小甚至堵塞，使到达构造破碎带或出水点的水泥浆量和压力达不到设计加固的要求，使注浆效果不理想。另外，孔口注浆的方式使整个钻孔都充满了水泥浆，按要求侯凝之后需要从孔口开始重新透孔施工，造成重复进尺，如果一个定向钻孔多次钻遇构造破碎带或出水的话，由注浆加固引起的重复进尺将是巨大的，甚至超过钻孔深度的几倍以上，造成经济和工期巨大浪费。因此，开发一种用于加固岩层定向长钻孔构造破碎带或出水地层的孔内局部注浆系统和注浆方法，解决孔口注浆时注浆效果不理想，并且重复进尺多的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有孔口注浆技术在岩层定向长钻孔中应用时，由于钻孔长度长、钻孔不规则引起的注浆效果不理想和重复进尺多的缺陷，提供一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统及注浆方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，沿轴向依次连接设置封隔器、钻杆串、水便和压力三通；

压力三通的第二通道连接设置坐封管路和清水泵；

压力三通的第三通道连接设置注浆管路和注浆泵；

水流依次通过清水泵、坐封管路、压力三通的第二通道和钻杆串充入封隔器，封隔器径向膨胀对钻孔局部径向封隔；

封隔完成后，利用高压水打通封隔器，注浆液依次通过注浆泵、注浆管路、压力三通的第三通道、钻杆串和封隔器实现钻孔的局部注浆加固。

可选的，所述的封隔器沿轴向设置通道管，通道管首端与钻杆串对接；

通道管外套设套管和胶筒，径向贯穿通道管和套管设置进水通道，进水通道与胶筒连通。

可选的，在所述通道管的通道内沿径向设置封堵块，所述的封堵块利用封堵销钉固定；

且在所述的封堵块下游间隔设置挡块，对应挡块的通道管内壁挖设注浆通道。

可选的，在所述的胶筒的下游，贯穿套管设置与胶筒连通的出水通道，且在通道管尾部设置外径缩小的解封尾管。

可选的，在所述的胶筒上游，套管上嵌设解封销钉；

与解封销钉限位，在所述的通道管周向设置限位台。

可选的，在所述的套管尾端设置单向阀，单向阀封堵通道管，仅允许液体由通道管首端流至尾端；

所述的单向阀设置阀壳，阀壳尾端为收口结构；阀壳内设置伸缩件，伸缩件上安装浮球。

可选的，在所述的压力三通的第一通道上设置第一压力表、第一截止阀、泄压阀和第二压力表。

可选的，在所述的压力三通的第二通道上设置第二截止阀；

在所述的压力三通的第三通道上设置第三截止阀。

一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆方法，该方法利用本发明任一所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统实现。

可选的，包括：

第一步：提出孔内定向钻具；

第二步：依据构造破碎带或出水点位置，结合钻孔轨迹，确定封隔器安设位置，封隔器应选在孔壁稳定、无塌孔、钻孔倾角和方位角变化小的地方；

第三步：连接封隔器和钻杆串，将封隔器下到预定位置，利用钻机夹紧钻杆；

第四步：连接水便、压力三通、坐封管路、注浆管路、清水泵和注浆泵，检查清水泵和注浆泵工作是否正常；

第五步：坐封，关闭第三截止阀关闭注浆管路，利用清水泵按照设计压力使封隔器上的胶筒膨胀进行坐封，打水过程中，当压力达到1/2设计压力时稳压5min，继续打水至设计压力时稳压5min即完成坐封；

第六步：达到坐封压力并按要求稳压后继续向封隔器内注水，压力逐渐上升直至剪断封堵销钉，此时压力卸为零，注浆通道打开；

第七步：注浆，关闭第二截止阀封闭坐封管路，打开第三截止阀打开注浆管路，利用注浆泵开始注浆；

第八步：顶替，注浆压力达到设计要求后根据计算顶替量进行替浆，顶替量取钻杆串内通孔体积的1.2倍，顶替完成后关闭所有截止阀；

第九步：侯凝，根据水泥凝固试验确定的侯凝时间进行侯凝；

第十步：解封提钻，侯凝完成后，打开泄压阀，上提钻具至解封销钉设置解封压力，解封销钉被剪断，通道管上移，出水通道解封，胶筒卸压收缩，完成解封，钻具可正常活动，将孔内钻杆及封隔器提出，完成整个注浆工序。

本发明的有益效果：

实现了孔内局部注浆，使注浆量和注浆压力能够得到有效保证；封隔器以外的的钻孔不会被水泥填充，不需要透孔钻进，减少了大量重复进尺。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统连接示意图；

图2为图1中的封隔器的细部结构放大图；

图中各标号表示为：

1-封隔器、2-钻杆串、3-水便、4-压力三通、41-第一压力表、42-第一截止阀、43-泄压阀、44-第二压力表、45-第二截止阀、46-第三截止阀、5-坐封管路、6-清水泵、7-注浆管路、8-注浆泵；

11-通道管、111-限位台、112-封堵块、113-封堵销钉、114-挡块、115-注浆通道、116-解封尾管、12-套管、121-解封销钉、13-胶筒、131-进水通道、132-出水通道、14-单向阀、141-阀壳、142-伸缩件、143-浮球。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他方案，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，以液体的流动方向为基准，定义装置的首端和尾端，液体的来向端为首端，液体的流向端为尾端，同理，定义上游和下游。

在本发明中，轴向指的是管型或杆形部件中心轴的方向，径向就是垂直于轴向的方向。上下左右均以面对附图的上下左右来定义。

结合图1和2，本发明的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，沿轴向依次连接设置封隔器1、钻杆串2、水便3和压力三通4；压力三通4的第二通道连接设置坐封管路5和清水泵6；压力三通4的第三通道连接设置注浆管路7和注浆泵8；水流依次通过清水泵6、坐封管路5、压力三通4的第二通道和钻杆串2充入封隔器1，封隔器1径向膨胀对钻孔局部径向封隔；封隔完成后，利用高压水打通封隔器1，注浆液依次通过注浆泵8、注浆管路7、压力三通4的第三通道、钻杆串2和封隔器1实现钻孔的局部注浆加固。该系统首先通过清水泵6从钻杆串2(高压密封钻杆串)内向封隔器1注入高压水，使封隔器1上的胶筒13膨胀坐封，实现注浆孔段和外部孔段的分隔，再通过注浆泵8经钻杆串2和封隔器1向注浆孔段进行注浆，达到注浆设计压力后，利用清水泵6将钻杆内水泥浆顶替干净，达到水泥浆的侯凝时间后利用封隔器1解封机构使封隔器1解封，完成孔内局部注浆。更加具体的方案，比如坐封管路5为φ25mm插接式耐高压胶管，最大耐压22MPa。清水泵6为矿用自动往复式注浆泵，额定流量60L/min，最大工作压力16MPa。注浆管路7为φ51mm插接式耐高压胶管，最大耐压25MPa。注浆泵8为矿用高压注浆泵，额定流量152L/min,额定压力22MPa。钻杆串2由单根高压密封钻杆逐次连接组成，高压密封钻杆长度1.5m，外径89mm，最大耐压35MPa。水便3用于钻杆串2和压力三通4，其中公扣与钻杆串2连接，母扣上焊接一个φ51mm快插直通接头即可。

在本公开的实施例中，封隔器1沿轴向设置通道管11，通道管11首端与钻杆串2对接；通道管11外套设套管12和胶筒13，径向贯穿通道管11和套管12设置进水通道131，进水通道131与胶筒13连通。套管12为封隔器1的主体部分，胶筒13敷设在套管12的表面，通入高压水之后可以膨胀实现封隔器1的坐封，通道管11中心为空腔通道，一端为母扣，可通过变径接头与钻杆串2连接。进水通道131为高压清水进入胶筒13的通道，进水通道131为单向通道并设置单向阀，保证清水只可从进水通道131进入胶筒13。

在本公开的实施例中，在通道管11的通道内沿径向设置封堵块112，封堵块112利用封堵销钉113固定；且在封堵块112下游间隔设置挡块114，对应挡块114的通道管11内壁挖设注浆通道115。当进液端的压力大于封堵销钉113的剪断力时，封堵销钉113会被剪断，封堵块112下行至被挡块114挡住，液体可经过注浆通道115通过，此时通道管11的空腔通道畅通。封堵销钉113通过通道管11上的螺丝孔固定封堵块112的位置。

在本公开的实施例中，在胶筒13的下游，贯穿套管12设置与胶筒13连通的出水通道132，且在通道管11尾部设置外径缩小的解封尾管116。出水通道132用于卸掉胶筒13内水压，在解封销钉121被剪断之后，通道管11上移，直至限位台111被套管12的管壁挡住，出水通道132与通道管11的空腔通道连通，胶筒13内的高压水流出，胶筒13收缩，实现解封，整个封隔器1可以在孔内活动。

在本公开的实施例中，在胶筒13上游，套管12上嵌设解封销钉121；与解封销钉121限位，在通道管11周向设置限位台111。解封销钉121为铜合金材料，用于限定限位台111的位置，可根据施工需要设计不同剪断力的销钉。

在本公开的实施例中，在套管12尾端设置单向阀14，单向阀14封堵通道管11，仅允许液体由通道管11首端流至尾端；单向阀14设置阀壳141，阀壳141尾端为收口结构；阀壳141内设置伸缩件142，伸缩件142上安装浮球143。伸缩件142可以选用弹簧、伸缩铰接架等具有自动复位功能的结构实现，浮球143堵在通道管11尾部的解封尾管116的口端，只能通过流出液体的推力打开通道，实现注浆或清水替代浆液的操作，单向阀14用于避免孔内浆液返流。

在本公开的实施例中，在压力三通4的第一通道上设置第一压力表41、第一截止阀42、泄压阀43和第二压力表44。第一压力表41可测定当前钻杆串2内的压力，第二压力表44为备用压力表，一方面两块压力表同时显示压力，可以比较数据的准确性，另一方面，其中一块损坏时，还能通过另一块继续观察压力，压力三通4一端通过快插接头与水便3连接，装有一个起保护作用的第一截止阀42，坐封过程中设备出现故障无法继续注浆时，关闭第一截止阀42可保持钻杆串内压力，泄压阀43用于在特殊情况下安全卸压，泄压阀43也可以选用截止阀。

在本公开的实施例中，在压力三通4的第二通道上设置第二截止阀45；在压力三通4的第三通道上设置第三截止阀46。压力三通另一端分出两路，一路通过快插接头接坐封管路5并设有第二截止阀45，用于控制坐封管路5的开闭；另一路通过快插接头接注浆管路7并设有第三截止阀46，用于控制注浆管路7的开闭；本发明中所使用的压力表为矿用抗振压力表，量程40MPa，本发明中使用的截止阀为矿用球形截止阀，耐压不低于30MPa。

本发明的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其工作原理是：

当煤矿井下定向长钻孔施工遇到构造破碎带或钻孔出水时，将孔内定向钻具提出，连接封隔器1与钻杆串2，将封隔器1下至构造破碎带或出水点以外20～30m处地层完整、钻孔角度变化小的地方，利用钻机夹紧钻杆，安装水便3和压力三通4，连接好孔外注浆管路7和坐封管路5，系统连接如图1所示。

系统连接好之后，通过控制管路上的截止阀，清水泵6向钻杆串2内注水，高压水通过封隔器1的进水通道131进入胶筒13使胶筒13膨胀与孔壁接触，随着水压的逐渐增大，胶筒13膨胀的程度越越来大，与孔壁接触面积逐渐增大,达到设计坐封压力并稳压一定时间即完成坐封；稳压时间达到后继续向钻杆串2内注水，水压持续升高直至封堵销钉113被剪断，通道打开，此时就可以开始进行注浆工序；开始进行注浆，持续注浆至注浆压力达到设计要求时即停止注浆，此时关闭第三截止阀46，打开第二截止阀45，然后开始进行替浆，根据高压密封钻杆规格和钻杆串2的长度计算替浆量，通过清水泵6将钻杆串2和封隔器1内的水泥全部顶替出去，替浆完成之后关闭第二截止阀45，按水泥试验要求进行侯凝，达到侯凝时间之后，打开泄压阀43，释放钻杆串2内气体或水，卸下压力三通4和水便3，用钻机上提钻具至解封销钉121设计拉力即可剪断销钉完成解封，解封之后提钻，完成整个孔内局部注浆。

本发明的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆方法，利用本发明的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统实现。具体的，本发明所述孔内局部注浆方法包括以下步骤：

第一步：提出孔内定向钻具；

第二步：依据构造破碎带或出水点位置，结合钻孔轨迹，确定封隔器1安设位置，封隔器1应选在孔壁稳定，无塌孔，钻孔倾角和方位角变化小的地方；

第三步：安装孔口法兰、防喷器，安装防喷器的目的是起密封孔口的作用，防止封隔器1坐封不到位，封隔质量不好，注浆过程中高压浆液从孔内喷出，造成安全事故；

第四步：连接封隔器1和钻杆串2，将封隔器1下到预定位置，关闭孔口防喷器，利用钻机夹紧钻杆；

第五步：连接水便3、压力三通4、坐封管路5、注浆管路7、清水泵6和注浆泵8，检查清水泵6和注浆泵8工作是否正常；

第六步：坐封，关闭第三截止阀46关闭注浆管路7，利用清水泵6按照设计压力使封隔器1进行坐封，打水过程中，当压力达到1/2设计压力时稳压5min，继续打水至设计压力时稳压5min即完成坐封；

第七步；达到坐封压力并按要求稳压后继续向钻杆串2内注水，压力逐渐上升直至剪断封堵销钉113，此时压力卸为零，通道打开；

第八步：注浆，关闭第二截止阀45封闭坐封管路5，打开第三截止阀46打开注浆管路7，利用注浆泵8开始注浆；

第九步：顶替，注浆压力达到设计要求后根据计算顶替量进行替浆，为保证顶替效果，一般顶替量取钻杆串2内通孔体积的1.2倍，顶替完成后关闭所有截止阀；

第十步：侯凝，根据水泥凝固试验确定的侯凝时间进行侯凝；

第十一步：解封提钻，侯凝完成后，打开泄压阀43，上提钻具至解封销钉121设置解封压力，解封销钉121被剪断，通道管11上移，出水通道132解封，胶筒13卸压收缩，完成解封，钻具可正常活动，将孔内钻杆及封隔器1提出，完成整个注浆工序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，沿轴向依次连接设置封隔器（1）、钻杆串（2）、水便（3）和压力三通（4）；

压力三通（4）的第二通道连接设置坐封管路（5）和清水泵（6）；

压力三通（4）的第三通道连接设置注浆管路（7）和注浆泵（8）；

水流依次通过清水泵（6）、坐封管路（5）、压力三通（4）的第二通道和钻杆串（2）充入封隔器（1），封隔器（1）径向膨胀对钻孔局部径向封隔；

封隔完成后，利用高压水打通封隔器（1），注浆液依次通过注浆泵（8）、注浆管路（7）、压力三通（4）的第三通道、钻杆串（2）和封隔器（1）实现钻孔的局部注浆加固；

所述的封隔器（1）沿轴向设置通道管（11），通道管（11）首端与钻杆串（2）对接；

通道管（11）外套设套管（12）和胶筒（13），径向贯穿通道管（11）和套管（12）设置进水通道（131），进水通道（131）与胶筒（13）连通；

在所述通道管（11）的通道内沿径向设置封堵块（112），所述的封堵块（112）利用封堵销钉（113）固定；

且在所述的封堵块（112）下游间隔设置挡块（114），对应挡块（114）的通道管（11）内壁挖设注浆通道（115）。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，在所述的胶筒（13）的下游，贯穿套管（12）设置与胶筒（13）连通的出水通道（132），且在通道管（11）尾部设置外径缩小的解封尾管（116）。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，在所述的胶筒（13）上游，套管（12）上嵌设解封销钉（121）；

与解封销钉（121）限位，在所述的通道管（11）周向设置限位台（111）。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，在所述的套管（12）尾端设置单向阀（14），单向阀（14）封堵通道管（11），仅允许液体由通道管（11）首端流至尾端；

所述的单向阀（14）设置阀壳（141），阀壳（141）尾端为收口结构；阀壳（141）内设置伸缩件（142），伸缩件（142）上安装浮球（143）。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，在所述的压力三通（4）的第一通道上设置第一压力表（41）、第一截止阀（42）、泄压阀（43）和第二压力表（44）。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统，其特征在于，在所述的压力三通（4）的第二通道上设置第二截止阀（45）；

在所述的压力三通（4）的第三通道上设置第三截止阀（46）。

7.一种煤矿井下长钻孔孔内局部注浆方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-6任一权利要求所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆加固系统实现。

8.根据权利要求7所述的煤矿井下长钻孔孔内局部注浆方法，其特征在于，包括：

第一步：提出孔内定向钻具；

第二步：依据构造破碎带或出水点位置，结合钻孔轨迹，确定封隔器（1）安设位置，封隔器（1）应选在孔壁稳定、无塌孔、钻孔倾角和方位角变化小的地方；

第三步：连接封隔器（1）和钻杆串（2），将封隔器（1）下到预定位置，利用钻机夹紧钻杆；

第四步：连接水便（3）、压力三通（4）、坐封管路（5）、注浆管路（7）、清水泵（6）和注浆泵（8），检查清水泵（6）和注浆泵（8）工作是否正常；

第五步：坐封，关闭第三截止阀（46）关闭注浆管路（7），利用清水泵（6）按照设计压力使封隔器（1）上的胶筒（13）膨胀进行坐封，打水过程中，当压力达到1/2设计压力时稳压5min，继续打水至设计压力时稳压5min即完成坐封；

第六步：达到坐封压力并按要求稳压后继续向封隔器（1）内注水，压力逐渐上升直至剪断封堵销钉（113），此时压力卸为零，注浆通道（115）打开；

第七步：注浆，关闭第二截止阀（45）封闭坐封管路（5），打开第三截止阀（46）打开注浆管路（7），利用注浆泵（8）开始注浆；

第八步：顶替，注浆压力达到设计要求后根据计算顶替量进行替浆，顶替量取钻杆串内通孔体积的1.2倍，顶替完成后关闭所有截止阀；

第九步：侯凝，根据水泥凝固试验确定的侯凝时间进行侯凝；

第十步：解封提钻，侯凝完成后，打开泄压阀（43），上提钻具至解封销钉（121）设置解封压力，解封销钉（121）被剪断，通道管（11）上移，出水通道（132）解封，胶筒（13）卸压收缩，完成解封，钻具可正常活动，将孔内钻杆及封隔器（1）提出，完成整个注浆工序。