CN114991702B - 一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法，孔底注浆装置包括轴向连接设置的前导向头和后推送体，贯通前导向头和后推送体设置注浆通道，装置内还设置有开合机构，开合机构可以通过开设在第一连接部侧壁上的通孔实现开合，在孔底注浆装置到达孔底时，孔底注浆装置可固定在钻孔的孔壁上，孔底注浆系统为煤矿井下深孔封闭提供了专用设备，实现了对下斜钻孔和上仰钻孔的注浆封闭，本发明方法通过孔口装置与孔底注浆装置联合作业，由孔底注浆装置带动注浆盘管至深孔孔底，注浆时，可以将孔内的水和空气从返浆口或注浆口全部驱替出钻孔，使钻孔内全部注满水泥浆液，最终实现深孔封闭注浆，保证了深孔全孔封闭的注浆效果。

Description

一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下坑道钻探技术领域，具体涉及一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法。

背景技术

煤矿井下探放水钻孔类型主要包括底板钻孔、顶板钻孔以及顺煤层钻孔，探放水钻孔主要用于探查奥灰水、离层水、构造导水带等，随着煤矿井下定向钻进技术的发展和应用，探放水钻孔的孔深越来越深。根据探放水钻孔服务寿命，对于出水钻孔，需要根据出水情况疏水降压、补充加密钻孔或增加物探手段准确探查出水原因，后期可将探放水钻孔用做观测孔、长期疏水钻孔或者水害治理工程钻孔，否则需要对探放水钻孔进行注浆封闭；对于不出水钻孔，在探水钻孔按设计施工到位后，钻孔的服务寿命结束，同样需要进行注浆封闭。如果不对这些钻孔进行封闭，或者仅仅在孔口段进行封堵，在后期工程活动的扰动和影响下，这些钻孔很可能转变为导水通道，存在较大的安全隐患。目前，对于出水钻孔，可以采用孔口直接向孔内注浆的方法，高压浆液压力大于地层出水压力，钻孔内的水将被挤压回出水地层，钻孔内充满水泥浆液，实现注浆封闭。但是，对于不出水地层，下斜钻孔内将全部充满水，上仰钻孔内为空气和水，采用孔口注浆的方法会将水或者空气密闭在孔内，但是，由于地层完整无出水点，难以将水或者空气压回地层，所以随着注浆压力的升高，在孔内只能注入一小部分水泥浆液，最终无法达到封闭的目的。对于浅孔，可使用在孔内人工推送小导管作为返浆和排气管，进行封闭注浆，而定向钻进孔深几百米，难以实现封闭注浆。

因此，本发明结合煤矿井下安全生产需要，针对目前深孔封闭注浆中存在的问题和不足，综合长期从事钻探专业的经验和成果，发明了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法，以克服上述缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置、系统及方法，以解决现有技术的上述不足。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置，包括轴向连接设置的前导向头和后推送体；贯通前导向头和后推送体设置注浆通道；

所述前导向头包括连接设置的导向部和第一连接部；所述后推送体包括连接设置的第二连接部和推进部；所述第二连接部套设在第一连接部内，且所述第一连接部与第二连接部之间形成安装腔，所述安装腔内设置有开合机构，所述开合机构能够通过开设在第一连接部侧壁上的通孔伸出或收入安装腔。

本发明还具有以下技术特征：

具体的，所述开合机构包括顺序连接设置的刀翼悬挂、开合撑杆、滑块和弹簧，所述弹簧可在安装腔内沿注浆管道轴向移动，从而带动刀翼悬挂伸出或收回安装腔。

更进一步的，所述刀翼悬挂远离滑块的一端通过转轴旋转安装在安装腔的头部，且刀翼悬挂远离滑块的一端的外壁可与导向部侧壁及第二连接部侧壁抵接。

更进一步的，所述弹簧的一端与第二连接部内壁抵接，另一端与滑块的第一侧壁抵接，滑块的第二侧壁上接连开合撑杆；所述第一侧壁与第二侧壁相对设置。

本发明还公开了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统，包括上述的孔底注浆装置，还包括与所述孔底注浆装置连通的注浆盘管，所述注浆盘管经设置在孔口的钻孔套管穿出钻孔，并与套设在孔口注浆短节内的注浆管道相连；所述孔口注浆短节的侧壁上分别开设有注浆口和返浆口，所述注浆管道经注浆口穿出孔口注浆短节；所述返浆口连接返浆管道；

所述注浆管道、注浆盘管和注浆通道依次贯通，形成注浆流道；

所述钻孔孔壁与孔底注浆装置外壁之间形成第一返浆通道，所述钻孔孔壁与注浆盘管外壁之间形成第二返浆通道，所述孔口注浆短节内壁与注浆管道外壁之间形成第三返浆通道，所述第一返浆通道、第二返浆通道、第三返浆通道和返浆管道依次贯通，形成返浆流道。

更进一步的，所述注浆管道上设置有注浆截止阀，所述返浆管道上设置有返浆截止阀。

更进一步的，所述孔口钻孔套管上还连接有压力表。

更进一步的，所述钻孔套管与所述孔口注浆短节通过孔口法兰短节连接。

本发明还公开了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，所述方法采用上述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统实现，包括以下步骤：

步骤1、在钻孔内下入钻杆串，在钻杆串内装入连接有注浆盘管的孔底注浆装置，然后使用送水装置推动孔底注浆装置和注浆盘管向孔底移动；

步骤2、孔底固定注浆装置到达孔底后穿出钻杆串，并固定在钻孔的孔壁上；

步骤3、卸下送水装置，从孔内提出钻杆串，然后连通注浆盘管与注浆管道、钻孔套管与孔口注浆短节，构造注浆流道和返浆流道；

步骤4、开始注浆作业：

若钻孔为下斜钻孔，则连通注浆泵和注浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过注浆口向注浆盘管道内注浆，至浆液注满钻孔从返浆流道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝；

若钻孔为上仰钻孔，则连通注浆泵和返浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过返浆口向所述返浆流道内注浆，至浆液注满返浆管道经注浆管道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝。

更进一步的，所述送水装置包括送水装置本体，所述送水装置本体的头端与钻杆串尾端相连，送水装置本体的尾端封闭，注浆盘管经开设在送水装置尾端的贯穿孔穿出，所述贯穿孔内设置有密封组件，送水装置本体上还开设有径向注水口。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明装置及系统为煤矿井下深孔封闭提供了专用设备，实现了对煤矿井下深孔，尤其是深度为几百米的下斜钻孔和上仰钻孔的注浆封闭。

(2)本发明方法通过孔口装置与孔底注浆装置联合作业，由孔底注浆装置带动注浆盘管至深孔孔底，注浆时，可以将孔内的水和空气从返浆口或注浆口全部驱替出钻孔，使钻孔内全部注满水泥浆液，最终实现深孔封闭注浆，保证了深孔全孔封闭的注浆效果，消除了井下深孔由于注浆效果差存在的安全隐患，保证了煤矿的安全生产。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置结构示意图；

图3为煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统结构示意图；

图4为在钻杆串内推送孔底固定注浆装置和注浆盘管的过程示意图，图中箭头为压力水的水流方向；

附图中标号含义：

1-前导向头，2-后推送体，3-安装腔，4-开合机构，5-注浆盘管，6-钻孔套管，7-孔口注浆短节，8-压力表，9-孔口法兰短节，10-送水装置本体；11-导向部，12-第一连接部；21-第二连接部，22-推进部；41-刀翼悬挂，42-开合撑杆，43-滑块，44-弹簧，45-转轴；71-注浆管道，72-注浆口，73-返浆口，74-返浆管道；101-贯穿孔，102-送水口；121-通孔；431-第一侧壁，432-第二侧壁；711-注浆截止阀，741-返浆截止阀。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明在进行方位描述时，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。

以下是对发明所涉及的技术术语的解释：

下斜钻孔：是指钻孔以负角度开孔，钻孔轴线在孔口点水平面之下的钻孔。

上仰钻孔：是指钻孔以正角度开孔，钻孔轴线在孔口点水平面之上的钻孔。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图2所示，本实施例公开了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆装置，包括轴向连接设置的前导向头1和后推送体2，贯通前导向头1和后推送体2设置注浆通道；前导向头1和后推送体2通过丝扣连接。

前导向头1包括连接设置的导向部11和第一连接部12；后推送体2包括连接设置的第二连接部21和推进部22；第二连接部21套设在第一连接部12内，且第一连接部12与第二连接部21之间形成安装腔3，安装腔3内设置有开合机构4，开合机构4能够通过开设在第一连接部12侧壁上的通孔121伸出或收入安装腔3以实现开合。

本实施例中，孔底注浆装置的外径为40mm。

作为本实施例的一种优选方案，开合机构4包括顺序连接设置的刀翼悬挂41、开合撑杆42、滑块43和弹簧44，弹簧44可在安装腔3内沿注浆管道轴向移动，从而带动刀翼悬挂41伸出或收回安装腔3。

作为本实施例的一种优选方案，刀翼悬挂41远离滑块43的一端通过转轴45旋转安装在安装腔3的头部，且刀翼悬挂41远离滑块43的一端的外壁可与导向部11侧壁及第二连接部21侧壁抵接。

作为本实施例的一种优选方案，弹簧44的一端与第二连接部21内壁抵接，另一端与滑块43的第一侧壁431抵接，滑块43的第二侧壁432上接连开合撑杆42；第一侧壁431与第二侧壁432相对设置。

本实施例的使用过程如下：

在将孔底注浆装置送入钻杆串的中间通孔时，通过按压刀翼悬挂41和开合撑杆42推动滑块43沿安装腔3向远离孔底的方向压缩弹簧44，刀翼悬挂41收回进入安装腔内，然后将孔底注浆装置装入钻杆；通过向钻杆串内开设的中心通孔泵送压力水，在孔底注浆装置到达孔底并被送出钻杆串后，刀翼悬挂41不再受钻杆串的内壁约束，弹簧44推动滑块43沿安装腔3向孔底的方向移动，通过开合撑杆42打开刀翼悬挂41，将孔底注浆装置固定在钻孔孔壁上。

实施例2

本实施例公开了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统，包括实施例1所公开的孔底注浆装置，还包括与孔底注浆装置连通的注浆盘管5，注浆盘管5经设置在孔口的钻孔套管6穿出钻孔，并与套设在孔口注浆短节7内的注浆管道71相连；孔口注浆短节7的侧壁上分别开设有注浆口72和返浆口73，注浆管道71经注浆口72穿出孔口注浆短节7；返浆口73连接返浆管道74；

注浆管道71、注浆盘管5和注浆通道依次贯通，形成注浆流道；

钻孔孔壁与孔底注浆装置外壁之间形成第一返浆通道，钻孔孔壁与注浆盘管5外壁之间形成第二返浆通道，孔口注浆短节7内壁与注浆管道71外壁之间形成第三返浆通道，第一返浆通道、第二返浆通道、第三返浆通道和返浆管道74依次贯通，形成返浆流道。

其中，孔底注浆装置与注浆盘管5通过丝扣连接，所述注浆盘管5在孔口与注浆管道71通过丝扣连接。丝扣上涂加强胶；注浆盘管5为柔性管，外径为16mm。

作为本实施例的一种优选方案，注浆管道71上设置有注浆截止阀711，返浆管道74上设置有返浆截止阀741。

作为本实施例的一种优选方案，孔口钻孔套管6上还连接有压力表8。

作为本实施例的一种优选方案，钻孔套管6与孔口注浆短节7通过孔口法兰短节9连接。

实施例3

本实施例公开了一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，该方法采用实施例2公开的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统实现。

包括以下步骤：

步骤1、在钻孔内下入钻杆串，在钻杆串内装入连接有注浆盘管的孔底注浆装置，然后使用送水装置推动孔底注浆装置和注浆盘管向孔底移动；

本实施例中，可在钻杆串前端连接导向装置；然后在注浆盘管上套入送水装置；将孔底注浆装置与注浆盘管通过丝扣连接，在丝扣上涂强度胶；将孔底注浆装置放入末端钻杆内，并将送水装置安装在钻杆串上；

钻孔套管与钻进地层固结在一起，并在孔口段预留30cm，在后期注浆封闭钻孔时连接孔口法兰短节，通过泥浆泵向钻杆串内送入压力水将孔底注浆装置推送至钻孔孔底。孔底注浆装置的外径比钻杆串中心通孔的直径小1mm。

步骤2、孔底固定注浆装置到达孔底后穿出钻杆串，并固定在钻孔的孔壁上；

步骤3、卸下送水装置，从孔内提出钻杆串，然后连通注浆盘管与注浆管道、钻孔套管与孔口注浆短节，构造注浆流道和返浆流道；

步骤4、完成注浆作业：

若钻孔为下斜钻孔，则连通注浆泵和注浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过注浆口向注浆盘管道内注浆，至浆液注满钻孔从返浆流道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝；

若钻孔为上仰钻孔，则连通注浆泵和返浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过返浆口向所述返浆流道内注浆，至浆液注满返浆管道经注浆管道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝。

更进一步的，送水装置包括送水装置本体10，送水装置本体10的头端与钻杆串尾端相连，送水装置本体10的尾端封闭，注浆盘管5经开设在送水装置10尾端的贯穿孔101穿出，贯穿孔101内设置有密封组件，送水装置本体10上还开设有径向注水口102。

应用例1

本应用例采用实施例2公开的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统和实施例3公开的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法实现。

在本应用例中，在岩层中钻进有120mm的定向探放水钻孔，在施工120mm定向钻孔前，已通过扩孔、下套管、注浆等工艺，下入146mm钻孔套管。

步骤1、在120mm定向探放水钻孔内下入内径不小于42mm的钻杆串，钻杆串前端接上导向装置，导向装置前端呈圆弧状，保证在下钻过程中减小阻力，使钻杆串能够顺利地下至钻孔孔底，在钻杆串下至孔底之后提出1m，为孔底注浆装置悬挂至孔壁提供空间。

如图4所示，本应用例中，送水装置包括套设在16mm注浆盘管外的送水装置本体，本实施例中的送水装置本体为管状，头端与钻杆串尾端相连，送水装置本体10的尾端封闭，注浆盘管5经开设在送水装置10尾端的贯穿孔101穿出，所述贯穿孔101内设置有密封组件，送水装置本体10上还开设有径向注水口102，密封组件可以为密封垫，用于防止推送注浆盘管时，进入送水装置本体10内部的压力水经贯穿孔101外泄，在送水装置本体10的径向设置有注水口102，高压水经注水口102进入送水装置本体10，然后进入钻管串内部，推动孔底注浆装置至孔底；

步骤2、孔底固定注浆装置到达孔底后穿出钻杆串，并固定在钻孔的孔壁上；

步骤3、卸下送水装置，从孔内提出钻杆串，然后连通注浆盘管与注浆管道、钻孔套管与孔口注浆短节，构造注浆流道和返浆流道；

步骤4、本应用例中的钻孔为下斜钻孔，先连通注浆泵和注浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过向注浆盘管道内注浆，至浆液注满钻孔从返浆流道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝，完成注浆作业。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，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。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。

Claims (7)

1.一种煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述方法采用煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统实现，

包括以下步骤：

步骤1、在钻孔内下入钻杆串，在钻杆串内装入连接有注浆盘管的孔底注浆装置，然后使用送水装置推动孔底注浆装置和注浆盘管向孔底移动；

步骤2、孔底注浆装置到达孔底后穿出钻杆串，并固定在钻孔的孔壁上；

步骤3、卸下送水装置，从孔内提出钻杆串，然后连通注浆盘管与注浆管道、钻孔套管与孔口注浆短节，构造注浆流道和返浆流道；

步骤4、完成注浆作业：

若钻孔为下斜钻孔，则连通注浆泵和注浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过注浆口向注浆盘管道内注浆，至浆液注满钻孔从返浆流道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝；

若钻孔为上仰钻孔，则连通注浆泵和返浆管道，开启注浆截止阀和返浆截止阀，通过返浆口向所述返浆流道内注浆，至浆液注满返浆管道经注浆管道返出时关闭返浆截止阀，憋压注浆至达到压力要求后停止，关闭注浆截止阀保压、候凝；

所述煤矿井下深孔封闭用孔底注浆系统包括孔底注浆装置，还包括与所述孔底注浆装置连通的注浆盘管（5），所述注浆盘管（5）经设置在孔口的钻孔套管（6）穿出钻孔，并与套设在孔口注浆短节（7）内的注浆管道（71）相连；所述孔口注浆短节（7）的侧壁上分别开设有注浆口（72）和返浆口（73），所述注浆管道（71）经注浆口（72）穿出孔口注浆短节（7）；所述返浆口（73）连接返浆管道（74）；

所述注浆管道（71）、注浆盘管（5）和注浆通道依次贯通，形成注浆流道；

所述钻孔孔壁与孔底注浆装置外壁之间形成第一返浆通道，所述钻孔孔壁与注浆盘管（5）外壁之间形成第二返浆通道，所述孔口注浆短节（7）内壁与注浆管道（71）外壁之间形成第三返浆通道，所述第一返浆通道、第二返浆通道、第三返浆通道和返浆管道（74）依次贯通，形成返浆流道；

所述孔底注浆装置包括轴向连接设置的前导向头（1）和后推送体（2），贯通前导向头（1）和后推送体（2）设置注浆通道；

所述前导向头（1）包括连接设置的导向部（11）和第一连接部（12）；所述后推送体（2）包括连接设置的第二连接部（21）和推进部（22）；所述第二连接部（21）套设在第一连接部（12）内，且所述第一连接部（12）与第二连接部（21）之间形成安装腔（3），所述安装腔（3）内设置有开合机构（4），所述开合机构（4）能够通过开设在第一连接部（12）侧壁上的通孔（121）伸出或收入安装腔（3）；

所述开合机构（4）包括顺序连接设置的刀翼悬挂（41）、开合撑杆（42）、滑块（43）和弹簧（44），所述弹簧（44）可在安装腔（3）内沿注浆管道轴向移动，从而带动刀翼悬挂（41）伸出或收回安装腔（3）。

2.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述刀翼悬挂（41）远离滑块（43）的一端通过转轴（45）旋转安装在安装腔（3）的头部，且刀翼悬挂（41）远离滑块（43）的一端的外壁可与导向部（11）侧壁及第二连接部（21）侧壁抵接。

3.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述弹簧（44）的一端与第二连接部（21）内壁抵接，另一端与滑块（43）的第一侧壁（431）抵接，滑块（43）的第二侧壁（432）上接连开合撑杆（42）；所述第一侧壁（431）与第二侧壁（432）相对设置。

4.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述注浆管道（71）上设置有注浆截止阀（711），所述返浆管道（74）上设置有返浆截止阀（741）。

5.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述孔口钻孔套管（6）上还连接有压力表（8）。

6.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述钻孔套管（6）与所述孔口注浆短节（7）通过孔口法兰短节（9）连接。

7.如权利要求1所述的煤矿井下深孔封闭用孔底注浆方法，其特征在于，所述送水装置包括送水装置本体（10），所述送水装置本体（10）的头端与钻杆串尾端相连，送水装置本体（10）的尾端封闭，注浆盘管（5）经开设在送水装置（10）尾端的贯穿孔（101）穿出，所述贯穿孔（101）内设置有密封组件，送水装置本体（10）上还开设有径向注水口（102）。