薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺

摘要

本发明涉及一种薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺，包括在探巷中施工第一钻孔、安装孔口管、注浆、施工第二钻孔、安装深孔注浆管、疏水、安装浅孔注浆管并依次进行浅孔注浆和深孔注浆。通过对松散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或包裹物，待工作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充当顶板，块状或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治涌水溃砂，并且采用一次性深孔注浆管代替了钻杆注浆，使钻机的工作效率翻了几倍，同时也避免的钻杆的损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及采煤工艺，特别涉及一种薄基岩、厚松散砂层富水区域 下煤层安全开采的井下疏水注浆工艺。

背景技术

在一些煤炭储量丰富的地方，例如中国的西北及内蒙地区，煤炭资 源十分丰富，但好多地区水文地质结构复杂，地形起伏较大，地貌以砂 盖的丘陵为主，大大小小的古冲沟与现有冲沟纵横交错，沟谷中地下水 以下降泉的形式补给地表水，与大气降水形成了季节性和常年性河流， 河水常年不断地对沟谷下基岩冲刷、侵蚀，使得大量煤层处在薄基岩、 厚松散砂层富水区域的覆盖之下，给采煤造成了困难，由于煤层上方基 岩薄、而基岩上方主要为富水的松散砂层，比如松散沙层，在开采时， 导水裂隙带甚至垮落带可以导通地表，松散砂层流动性较强，可能在重 力和水的作用下，沿开采造成的裂隙流入井下，造成溃水溃沙事故，甚 至导致淹井等严重的后果。

为了保证薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层的开采安全，根据采 煤的方式，采用了不同的处理方法。比如当采用房柱式开采时，降低此 区域的回采率，回采率减小到30%左右，有时甚至不回采，这种方法虽然 保证了回采的安全，却造成了资源的极大浪费；而对综合机械化开采的 矿井，在二十世纪九十年代前，主要是此区域下煤层大部分作为保安煤 柱留设，重新开设切眼，设备“搬家倒面”，这种方法不但造成资源的浪 费，而且设备的搬迁费动辄千万以上，增加了采煤成本。

九十年代后期逐步采用提前治理再开采的方法，治理方法有以下几 种：（1）地表抽水，地下排水；（2）地下排水，地面注浆；（3）地面抽 水及注浆；（4）充填式开采。前三种方法都受到交通，地形地貌等自然 条件、水电等施工条件以及社会人为因素的限制，附属工程量大，有时 甚至超过主体工程，第四种方法成本则较高。均未能很好地解决薄基岩、 厚松散砂层富水区域下煤层安全开采的问题。

另外，对富水区松散砂层进行注浆处理，也有注浆工艺采用钻杆作 注浆管，孔口直接止浆进行注浆固结，缺点是：⑴、在疏放水阶段，采 用钻杆疏水，疏放水效果差；⑵、在深孔注浆阶段，钻机必须配合注浆， 每间隔一段时间，例如1小时左右就必须活动钻杆，以免钻杆与凝固的 浆液及松散砂层抱死。即便这样，稍有不慎，还时常发生钻杆被抱死的 事故，造成钻孔报废，钻杆损耗，且钻机工作效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决薄基岩厚松散砂层富水区域下煤 层安全开采的问题，提供一种高效、低成本的薄基岩、厚松散砂层富水 区域的井下疏水注浆工艺。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种薄基岩、厚松散砂层富水区域井下疏水注浆工艺，其特征在于， 所述工艺包括：

a.在薄基岩、厚松散砂层富水区域下煤层中施工探巷，为井下注浆 提供工作场所;

b.在井下探巷顶板上基岩中钻进，得到第一钻孔；

c.在步骤b钻出的第一钻孔中插入孔口管，注浆将所述孔口管固结 在第一钻孔内；

d.对孔口管内凝固浆液透孔后继续钻进至设计深度，拔出钻进设备， 得到第二钻孔；

e.在钻杆的空心内置入深孔注浆管，对第二钻孔重新钻至设计深度， 将钻头及深孔注浆管留在第二钻孔内，拔出钻杆；

f.利用深孔注浆管对富水区的松散砂层进行疏放水；

g.在深孔注浆管与第二钻孔之间安装浅孔注浆管，并通过浅孔注浆 管注入水泥浆液，以固结深孔注浆管；

h.浅孔注浆完成后，利用深孔注浆管对松散砂层进行深孔注浆。

作为本发明方法的优选方式，在步骤a中所述探巷与工作面斜交， 夹角为15-30度，并且所述探巷长度的50%-80%处于富水区域下方。

作为本发明方法的优选方式，在步骤b中，根据钻孔的方位角、倾 角，在探巷内辐射状布置钻孔，使钻孔的落点梅花型分布在待加固的富 水区域，钻孔落点间距为6-10m；所述第一钻孔的钻进深度为6～10m。

作为本发明方法的优选方式，在步骤c中，所述孔口管的外径小于 第一钻孔的孔径15-30mm，在注浆压力不小于1MPa时，关闭注浆阀门， 静待10-15小时。

作为本发明方法的优选方式，在步骤d中，所述二开钻进所用钻头 的直径小于孔口管内径20-40mm。

作为本发明方法的优选方式，在步骤d中，所使用的钻头为一次性 钻头，所述深孔注浆管顶部为花管，所述花管长度大于松散砂层内钻孔 长度2m～3m。

作为本发明方法的优选方式，在步骤g中，待浆液从深孔注浆管中 流出时，关闭浅孔注浆阀门，注浆结束。

作为本发明方法的优选方式，在步骤h中所述深孔注浆过程中的浆 液浓度逐步增大，所述深孔注浆在浅孔中的凝固体强度达到5MPa后进行， 当深孔注浆压力大于5MPa，深孔对浆液的吸浆量小于30L/min，持续时 间不小于30min时注浆结束。

作为本发明方法的优选方式，在步骤h中当相邻的钻孔存在串浆现 象时，所述相邻的钻孔同时进行注浆。

由上述技术方案可见，本发明提供的井下疏水注浆工艺，通过对松 散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或包裹物，待工 作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充当顶板，块状 或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治涌水溃砂。采 用的一次性深孔注浆管代替了传统的钻杆注浆，使钻机的工作效率翻了 几倍，同时也避免的钻杆的损耗。保证煤炭安全、高效开采，还能节约 成本，提高回采率，保护资源，以适应现代绿色矿山发展趋势就显得尤 为重要。

附图说明

图1为本发明中孔口管安装的一种实施方式的示意图；

图2本发明中深孔注浆管及浅孔注浆管安装的一种实施方式的示意 图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

对于薄基岩、厚松散砂层富水区域，为了保证此区域下煤层的安全 开采，拟对流动性较强的松散砂层进行注浆固结加固，使得松散砂层经 过注浆固结为整体，增加顶板的厚度，而对于连通性不好松散砂层沙层 使之固结为块体，减少工作面回采时顶板冒落带涌水溃砂量。具体的工 艺如下：

第一步，进行探巷施工：在此区域下方的煤层中施工探巷，以便为 井下注浆提供工作场所。优选地，探巷按以下原则布置：⑴、探巷与工 作面的夹角在15-30度。⑵、使探巷长度的50%-80℅处于富水区域下方， 以有利于减少钻探的工作量。优选地，在完成巷道支护、排水清淤、人 员撤离通道的准备工作后开始施工探巷。

第二步，在探巷顶部的基岩内进行一开钻进（即第一次开钻）：在施 工探巷时，为减小工程量并保证安全，应该在能够对拟加固的富水区域 进行注浆的前提下，施工探巷，然后在探巷内，根据钻孔的方位角、倾 角，辐射状布置钻孔，使钻孔的落点梅花型分布在拟加固的富水区域， 钻孔落点间距宜为3m～10m,优选为6-10m。

在确定好钻孔位置后，使用大功率钻机在井下探巷顶板施工钻孔， 得到第一钻孔，优选地，所述第一钻孔的钻进深度为6-10m。

第三步，安装孔口管：在第二步得到的第一钻孔中插入孔口管，并 在连接注浆管后向孔口管内注浆，以固结孔口管。优选地，所述孔口管 的外径比一开钻进得到的第一钻孔的孔径小15-30mm，以便浆液可以进入 钻孔与孔口管之间，固结孔口管，为后续打孔注浆做准备。

图1示出了孔口管安装的一种实施方式，其中，在插入的孔口管5 朝外的一端与第一钻孔之间的间隙塞入树脂卷6进行封闭，同时设置一 排气管4以连通树脂卷6的两侧，以便在注浆时排出孔口管中以及孔口 管与第一钻孔的间隙中的空气。孔口管5通过法兰盘3连接注浆管路1， 使用注浆泵压入固管用水泥浆液，通过球阀2控制流量。在注浆压力不 小于1MPa时，关闭注浆阀门，静待10-15h，保证浆液的凝固；为了确定 注浆效果，还可以进行压水试验，注水压力不小于1MPa后，持续时间不 小于10min，孔口及周围没有渗水，进行下一步。

第四步，进行二开钻进（即第二次开钻）：对孔口管内凝固浆液透孔 后继续钻进至设计深度，停止钻进，拔出钻杆，得到第二钻孔。优选地， 所述二开钻进所用钻头的直径小于孔口管内径20-40mm。

第五步，下入深孔注浆管：在钻杆的空心内插入深孔注浆管，对第 二钻孔重新钻至设计深度时，将钻头及深孔注浆管留在第二钻孔内，拔 出钻杆，此时钻杆可以使用大内径钻杆,比如内径比所述深孔注浆管的外 径大10-20mm的钻杆；钻头可以使用一次性钻头。为节省成本，所述深 孔注浆管为PVC管，作为一次性注浆管。所述深孔注浆管顶部为花管， 花管长度优选大于松散砂层内钻孔长度2m～3m，从而可以在松散砂层及 松散砂层下部的基岩及二者接触面处进行注浆。

在薄基岩厚松散砂层富水区域，所述第二钻孔在钻杆拔出后会被松 散砂层填充，因此直接向第二钻孔内插入深孔注浆管根本不可行；而不 进行二开钻进，直接通过第五步下入深孔注浆管也会由于一次性钻头的 钻进进尺限制而难以进行。

图2本发明中深孔注浆管及浅孔注浆管安装的一种实施方式的示意 图，其中，基岩上方为富水的松散沙层，一次性钻头8和一次性PVC深 孔注浆管7保留在第二钻孔中，深孔注浆管7顶部为花管71，在孔口管 5与深孔注浆管7之间还设有浅孔注浆管9。

第六步，钻孔疏放水：利用深孔注浆管顶部的花管对富水区的松散 砂层进行疏放水。

第七步，浅孔注浆：在深孔注浆管与第二钻孔之间安装浅孔注浆管， 并通过浅孔注浆管注入水泥浆液，从而固结深孔注浆管，为深孔注浆做 准备。具体地，可以类似于第三步，接上同径压盖及连接注浆管路，用 注浆泵压入水泥浆液，待浆液从深孔注浆管中流出，说明此时所注浆液 已接近含水松散砂层，关闭浅孔注浆阀门，注浆结束。

第八步，进行深孔注浆：浅孔注浆完成后，利用深孔注浆管进行深 孔注浆。注浆的机理：对孔隙较大的松散砂层进行固结，使之形成块状 或整体，对连通性不好，孔隙较小的松散砂层，注浆机理为劈裂灌浆， 利用劈开的裂缝使之形成不规矩的层状或网状包裹体，减少其流动性。 优选地，所注浆液应该逐步增大，例如：开始注浆的水灰比为2:1，然后 按1.5:1，1.2:1，1:1，0.8:1逐级加浓。为了使注浆更深入松散砂层， 所述深孔注浆优选地应该在浅孔中的凝固体强度达到5MPa后进行，当深 孔注浆压力大于5MPa，深孔对浆液的吸浆量小于30L/min，持续时间不 小于30min时注浆结束。

此外，如果相邻的几个钻孔存在串浆现象时，这几个钻孔应同时注 浆。

通过对松散砂层的固结注浆，可使松散砂层形成胶结整体、块状或 包裹物，待工作面回采至注浆区下方时，固结形成整体松散砂层可以充 当顶板，块状或包裹物充填顶板基岩切落形成的大裂隙导水通道，防治 涌水溃砂。