一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺及喷射钻头

摘要

本发明公开了一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺：通过钻杆钻孔，向钻孔内灌注液态水泥的方式进行骨料的填充。本发明还公开了一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的喷射钻头，由依次连接的上接头、喷射体和钻头体构成。本发明较好地解决了对充填到地层空洞内的骨料堆积体进行了注浆固结操作，使骨料体形成素砼体，并具有了一定的强度和稳定性，相当于人工构筑了假地层，保证了钻孔顺利穿过地层空洞，为钻孔的安全顺利施工创造了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺及喷射钻头，属于矿山、 交通隧道、水利水电等地质勘探、水害防治、基本建设等领域。

背景技术

目前，矿山水害事故尤其是煤矿水害事故是影响职工安全和矿井经济效益的主要事故之 一，每年煤矿透水事故不断发生。在受煤层底板奥陶系灰岩水威胁比较严重的老矿区，尤其 是开采下组煤，在上组煤已形成煤层采空区的老矿区，因防治水需要进行煤层底板含水层水 文观测、矿井涌突水后对充水含水层进行注浆堵水，受水威胁的煤层开采前需要进行底板注 浆加固和改造，井下防排水需要施工排水钻孔或电缆钻孔时，往往地面钻孔要穿过上组煤采 空区，采空区的存在给钻孔施工带来很大难度；在喀斯特岩溶发育的南部地区，地质勘探钻 孔往往遇到较大的岩溶空洞。在这些采空区和空洞中钻进往往出现钻孔偏斜事故、空洞内坍 塌掉块引起埋钻事故、钻孔在空洞顶底板错位引发被卡事故、找不到原来钻孔事故、钻孔在 空洞顶板拉槽夹钻事故、钻杆在空洞内被甩脱掉钻事故或者出现隔离套管在空洞内钻头扫脱 破坏事故以及冲洗液完全漏失施工等。为减少和杜绝上述事故，有时需要在空洞内填充满骨 料并对骨料堆积体注浆固结，人为制造假地层，以保证钻孔的安全顺利施工。另外在某些注 浆堵水工程中，需要通过地面钻孔向过水巷道内填充骨料并对骨料堆积体进行注浆固结，以 拦截阻挡巷道过水，保证注浆堵水的成功。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺， 以及所用的喷射钻头。

本发明是通过以下技术方案实现的(以煤矿采空区内对充填的骨料堆积体注浆固结工艺 为例，其它对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺相同)：

一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺，步骤如下：

(1)首先，根据采空区的下界面深度以及骨料堆积体上表面的深度，计算出所需钻杆(由 单根钻杆连接而成的钻杆柱)的总长度，并计算出所需单根钻杆的根数，选取能够匹配的单 根钻杆，排好次序，备用；然后，在预定位于最底端的单根钻杆的下端连接喷射钻头，并根 据选配好的单根钻杆次序，用提引器和钢丝绳依次悬挂连接下入到钻孔内，钻杆要插入到钻 机回转器内，由钻机提供钻杆的回转扭矩；

(2)当喷射钻头距离骨料堆积体上表面1～1.5m处时，停止下放钻杆，钻杆上端连接水 接头及高压胶管，再与注浆泵连接，此时钻杆仍由提引器和钢丝绳悬挂；

(3)给注浆泵开关送电，使注浆泵运转，注浆泵向由水接头及高压胶管、钻杆和喷射钻 头形成的注浆管路内注水，检查注浆管路是否畅通；

(4)经注水检验注浆管路畅通后，用注浆泵通过注浆管路灌注液态水泥，水泥从喷射钻 头喷出，然后开动钻机，通过钻机回转器带动钻杆和喷射钻头回转，并用提引器及钢丝绳起 吊装置下放钻杆，喷射钻头在钻杆重力作用下慢慢进入到骨料堆积体内，液态水泥在骨料颗 粒空隙内向周围扩散；

(5)保持钻杆和喷射钻头的不断回转和上下串动，从骨料堆积体上表面逐步向下移动延 伸，直到采空区底板深度(采空区落矸底部)，然后再慢慢上提回转的钻杆带动喷射钻头向上 移动；此步骤反复进行，当感觉到喷射钻头在骨料堆积体及采空区落矸内上下顺畅没有阻力 后，注浆固结操作结束，被水泥固结的骨料称为素砼；

(6)注浆固结操作结束后，把喷射钻头提升到被水泥固结后的素砼上表面以上1～1.5m 处，停止提升钻杆，保持钻杆不动，用注浆泵向注浆管路里泵入一定量的清水，冲洗注浆管 路里残留的水泥；

(7)打开钻机回转器，提升钻杆，逐根拆卸组成钻杆的单根钻杆，最后把所有的单根钻 杆和喷射钻头提出钻孔。

上述工艺的技术要点有以下几点：

①所有丝扣连接部位要求缠绕面纱，上丝扣油，并旋紧，不应出现钻杆丝扣处漏水现象。

②第一次下放钻杆和喷射钻头时，快到骨料堆积体上表面5m处左右时，要放慢下放速 度，到距离骨料堆积体上表面1～1.5m处时，必须停止下放钻杆，防止出现下钻过快把喷射 钻头插入骨料堆积体中，使骨料颗粒堵塞喷射钻头。

③钻机回转器不得停止回转，钻杆和喷射钻头不得在骨料堆积体内停留，严禁钻杆不回 转而直接向上强力提升钻杆的操作，以防止出现卡埋钻事故。

④根据水泥浆的凝固时间，可以下钻头试试素砼的固结强度，当素砼的固结强度和稳定 性能满足在其内施工钻孔而不坍塌掉块时，可以继续向下钻进，否则重新进行注浆固结操作。

⑤施工中每个台班都要通过提引器及钢丝绳把钻杆和喷射钻头提出钻孔外进行检查，检 查其磨碎情况，对磨损严重的钻杆和喷射钻头要及时更换或维修。

⑥无论采用什么样的注浆固结材料，都必须保证材料的凝固时间能满足注浆操作对时间 的需要，不得出现水泥在注浆管路里凝固的现象。

⑦注浆结束后向注浆管路里的注清水量，为注浆管路体积的3倍。

上述工艺对煤层采空区内骨料堆积体注浆用材料的配制要求如下：

①水泥一般选用PO.32，5R或PO.42，5R硅酸盐水泥，水泥浆密度一般控制在1.4～ 1.6kg/cm²，水泥质量必须合格。

②水泥浆配制中必须搅拌均匀，不得有结块和水泥疙瘩存在。

③必要时按照体积比0.3～0.5％的比例在水泥浆中添加水玻璃，搅拌均匀后用单液注浆 泵通过注浆管路由喷射钻头喷出，进入到骨料堆积体骨料颗粒之间，与骨料颗粒进行混合。

④注浆泵量一般不得大于100L/min。

⑤注浆中钻杆在钻孔内不得停留，不得停留在骨料堆积体内。

一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结所用的喷射钻头，包括依次连接的上接头、 喷射体和钻头体，其中，上接头由钻杆公扣接头制作而成，在钻杆公扣接头的圆柱表面沿轴 线方向镶焊条带状硬质合金碎块；喷射体由钻杆母扣接头制作而成，在钻杆母扣接头上非丝 扣部位均匀布置喷射孔，在沿钻杆母扣接头轴线方向、相邻喷射孔之间镶焊带状硬质合金碎 块，带状硬质合金碎块厚度不少于5mm；钻头体由与钻杆接头直径相同的圆钢加工而成，一 端加工成钻杆接头丝扣(公扣)，另一端沿端面径向焊接若干片钻头体翼片(三角翼片)，沿 钻头体翼片斜边三面镶焊硬质合金碎块，在钻头体端部沿轴线方向、相邻钻头体翼片之间设 有与喷射孔相通的若干钻头水眼，钻头水眼均匀分布；钻头体丝扣部分和喷射体相连接。

上述喷射钻头的制作技术要点有以下几点：

①硬质合金碎块焊接呈条带状分布，条带宽度约为10～20mm，厚度约5～10mm，并根 据钻头直径、钻头体翼片上和钻头体环状肩部位置空间灵活选择。

②硬质合金碎块由硬质合金废钻头回收破碎而来，材料选择YG6或者YG8，其焊接工艺 与硬质合金钻头焊接工艺相同，要求焊接部位硬质合金烧结体表面平齐，厚度一致。

③上接头和与之相连接的钻杆丝扣应相匹配。

④上接头和喷射体上焊接的条带状硬质合金碎块应与钻头体翼片数量一致，钻头体翼片 数量可以根据钻头直径选择加工成3片或4片或更多片。

⑤喷射孔和钻头水眼直径一般在6～12mm。

⑥连接后上接头、喷射体和钻头体的回转轨迹外径相同。

⑦当钻头体直径允许时，可以用块状硬质合金代替硬质合金碎块。

⑧钻头体直径不得大于最小钻孔孔径，并能在钻孔内顺畅穿过。

本发明的有益效果是：较好地解决了对充填到地层空洞内的骨料堆积体进行了注浆固结 操作，使骨料体形成素砼体，并具有了一定的强度和稳定性，相当于人工构筑了假地层，保 证了钻孔顺利穿过地层空洞，为钻孔的安全顺利施工创造了条件。

附图说明

图1为向煤矿采空区内充填的骨料堆积体进行注浆固结的操作工艺步骤原理图(钻杆钻 入骨料堆积体)。

图2为向煤矿采空区内充填的骨料堆积体进行注浆固结的操作工艺步骤原理图(钻杆钻 入采空区)。

图3为喷射钻头的结构示意图。

图4为图3中A向视图。

图5为图3中B向视图。

其中，1、钻杆回转方向；2、钻杆串动方向；3、钻机回转器；4、钻杆；5、钻杆内水泥 浆流向；6、喷射钻头；7、煤层采空区空间；8、骨料堆积体；9、煤层；10、采空区落矸； 11、煤下地层；12、水泥浆扩散渗流；13、钻孔；14、煤上地层；15、水接头及高压胶管； 16、提引器及钢丝绳；17、上接头；18、上接头翼片；19、喷射体；20、喷射孔；21、钻头 水眼；22、钻头体；23、钻头体翼片；24、硬质合金碎块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结的工艺，步骤如下：

(1)首先，根据采空区的下界面深度以及骨料堆积体8上表面的深度，计算出所需钻杆 4(由单根钻杆连接而成的钻杆柱)的总长度，并计算出所需单根钻杆的根数，选取能够匹配 的单根钻杆，排好次序，备用；然后，在预定位于最底端的单根钻杆的下端连接喷射钻头6， 并根据选配好的单根钻杆次序，用提引器和钢丝绳16依次悬挂连接下入到钻孔13内，钻杆 4要插入到钻机回转器3内，由钻机提供钻杆4的回转扭矩；

(2)当喷射钻头6距离骨料堆积体8上表面1～1.5m处时，停止下放钻杆4，钻杆4上 端连接水接头及高压胶管15，再与注浆泵连接，此时钻杆4仍由提引器和钢丝绳16悬挂；

(3)给注浆泵开关送电，使注浆泵运转，注浆泵向由水接头及高压胶管15、钻杆4和 喷射钻头6形成的注浆管路内注水，检查注浆管路是否畅通；

(4)经注水检验注浆管路畅通后，用注浆泵通过注浆管路灌注液态水泥，水泥从喷射钻 头6的喷射孔20和钻头水眼21喷出，然后开动钻机，通过钻机回转器3带动钻杆4和喷射 钻头6回转，并用提引器及钢丝绳16起吊装置下放钻杆4，喷射钻头6在钻杆4重力作用下 慢慢进入到骨料堆积体8内，液态水泥在骨料颗粒空隙内向周围扩散，如图1所示；

(5)保持钻杆4和喷射钻头6的不断回转和上下串动，从骨料堆积体8上表面逐步向下 移动延伸，直到采空区底板深度(采空区落矸10底部)，如图2所示，然后再慢慢上提回转 的钻杆4带动喷射钻头6向上移动；此步骤反复进行，当感觉到喷射钻头6在骨料堆积体8 及采空区落矸10内上下顺畅没有阻力后，注浆固结操作结束，被水泥固结的骨料称为素砼；

(6)注浆固结操作结束后，把喷射钻头6提升到被水泥固结后的素砼上表面以上1～1.5m 处，停止提升钻杆4，保持钻杆4不动，用注浆泵向注浆管路里泵入一定量的清水，冲洗注 浆管路里残留的水泥；

(7)打开钻机回转器3，提升钻杆4，逐根拆卸组成钻杆4的单根钻杆，最后把所有的 单根钻杆和喷射钻头6提出钻孔13。

上述工艺的技术要点有以下几点：

②1所有丝扣连接部位要求缠绕面纱，上丝扣油，并旋紧，不应出现钻杆丝扣处漏水 现象。

②第一次下放钻杆4和喷射钻头6时，快到骨料堆积体8上表面5m处左右时，要放慢 下放速度，到距离骨料堆积体8上表面1～1.5m处时，必须停止下放钻杆4，防止出现下钻 过快把喷射钻头6插入骨料堆积体8中，使骨料颗粒堵塞喷射钻头6的钻头水眼21。

③钻机回转器3不得停止回转，钻杆4和喷射钻头6不得在骨料堆积体8内停留，严禁 钻杆4不回转而直接向上强力提升钻杆4的操作，以防止出现卡埋钻事故。

④根据水泥浆的凝固时间，可以下钻头试试素砼的固结强度，当素砼的固结强度和稳定 性能满足在其内施工钻孔而不坍塌掉块时，可以继续向下钻进，否则重新进行注浆固结操作。

⑤施工中每个台班都要通过提引器及钢丝绳16把钻杆4和喷射钻头6提出钻孔13外进 行检查，检查其磨碎情况，对磨损严重的钻杆4和喷射钻头6要及时更换或维修。

⑥无论采用什么样的注浆固结材料，都必须保证材料的凝固时间能满足注浆操作对时间 的需要，不得出现水泥在注浆管路里凝固的现象。

⑦注浆结束后向注浆管路里的注清水量，为注浆管路体积的3倍。

上述工艺对煤层采空区内骨料堆积体注浆用材料的配制要求如下：

①水泥一般选用PO.32，5R或PO.42，5R硅酸盐水泥，水泥浆密度一般控制在1.4～ 1.6kg/cm²，水泥质量必须合格。

②水泥浆配制中必须搅拌均匀，不得有结块和水泥疙瘩存在。

③必要时按照体积比0.3～0.5％的比例在水泥浆中添加水玻璃，搅拌均匀后用单液注浆 泵通过注浆管路由喷射钻头6的喷射孔204和钻头水眼21喷出，进入到骨料堆积体8骨料颗 粒之间，与骨料颗粒进行混合。

④注浆泵量一般不得大于100L/min。

⑤注浆中钻杆4在钻孔13内不得停留，不得停留在骨料堆积体8内。

一种对地层空洞内填充的骨料进行注浆固结所用的喷射钻头，包括依次连接的上接头 17、喷射体19和钻头体22，如图3、4、5所示，其中，上接头17由钻杆公扣接头制作而成， 在钻杆公扣接头的圆柱表面沿轴线方向镶焊条带状硬质合金碎块24；喷射体19由钻杆母扣 接头制作而成，在钻杆母扣接头上非丝扣部位均匀布置喷射孔20，在沿钻杆母扣接头轴线方 向、相邻喷射孔20之间镶焊带状硬质合金碎块24，带状硬质合金碎块24厚度不少于5mm； 钻头体22由与钻杆接头直径相同的圆钢加工而成，一端加工成钻杆接头丝扣(公扣)，另一 端沿端面径向焊接若干片钻头体翼片23(三角翼片)，沿钻头体翼片23斜边三面镶焊硬质合 金碎块24，在钻头体22端部沿轴线方向、相邻钻头体翼片23之间设有与喷射孔19相通的 若干钻头水眼21，钻头水眼21均匀分布；钻头体22丝扣部分和喷射体19相连接。

上述喷射钻头的制作技术要点有以下几点：

①硬质合金碎块24焊接呈条带状分布，条带宽度约为10～20mm，厚度约5～10mm，并 根据钻头直径、钻头体翼片23上和钻头体22环状肩部位置空间灵活选择。

②硬质合金碎块24由硬质合金废钻头回收破碎而来，材料选择YG6或者YG8，其焊接 工艺与硬质合金钻头焊接工艺相同，要求焊接部位硬质合金烧结体表面平齐，厚度一致。

③上接头17和与之相连接的钻杆丝扣应相匹配。

④上接头17和喷射体19上焊接的条带状硬质合金碎块24应与钻头体翼片23数量一致， 钻头体翼片23数量可以根据钻头直径选择加工成3片或4片或更多片。

⑤喷射孔19和钻头水眼21直径一般在6～12mm。

⑥连接后上接头17、喷射体19和钻头体22的回转轨迹外径相同。

⑦当钻头体22直径允许时，可以用块状硬质合金代替硬质合金碎块24。

⑧钻头体22直径不得大于最小钻孔孔径，并能在钻孔内顺畅穿过。

实施例：

2006年7月1日8时30分，济南华玫矿业有限公司10404(2)工作面外推40m时，发 生出水。7月5日夜班突水点涌水量2601m³/h，并且有继续增加的趋势，淹没了矿井北翼 造成北翼停产。针对10层煤出水情况，制定了从地面施工注浆堵水钻孔的堵水方案。但是根 据工作面水文地质资料分析，设计的4个钻孔其中有2个钻孔(注1、注4)分别要穿过煤8、 煤9和煤10三层采空区，1个钻孔(注3)要穿过煤8、煤9两层采空区。实际施工了三个 钻孔，为注1、注3和注4。

三层采空区煤层的底界深度及厚度分别是：煤8深度205.22m，厚度1.92m；煤9：深度 210.70m，厚度1.40m；煤10深度218.60m，厚度1.80m。其中注1、注3、注4钻孔揭露的 煤8、煤9和煤10三层间距比正常间距变薄，分别为3.75m和6.63m。由于煤8、煤9、煤 10三层采空区间距很小，采煤方式采用顶板冒落方式。若煤10顶板冒落带延伸到了煤9采 空区，则可以把煤9、煤10采空区看作一层采空区对待。从而三层采空区形成了较大的冒落 空间。钻孔如何安全顺利穿过煤矿采空区，是注浆堵水成功与否的几个关键之一。

利用本发明工艺实施了对采空区内骨料堆积体的注浆固结。分别通过注1、注3和注4 等钻孔，对采空区内填充的骨料堆积体进行了注浆固结，共用PO.32.5R普通硅酸盐水泥5.4 吨。固结质量符合要求，保证了钻孔在固结体内钻进，完成了钻孔的安全顺利施工，给堵水 工作带来了较大效益。2006年10月17日第一个钻孔注3号孔安全顺利穿过煤矿采空区后在 充水含水层奥陶系灰岩内注入水泥150吨后，堵水初见效果，12月16日堵水工作圆满结束。