掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法

摘要

一种掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法，包括在突水溃沙出现暂时平衡，沙体不再流动时，在安全工作面施工设置钻场；选择靶点，该靶点位置应为邻近溃沙通道区域的巷道位置，从钻场向靶点施工钻入；靶点采用钻具进行高压射流扰动注浆，在靶点形成水泥‑沙圆柱状固结体，通过多个水泥‑沙圆柱状固结体组成咬合固结体，以形成靶点处的巷道可靠封堵，采用钻孔取心试验、原位水压加压试验等方法对靶点处的咬合固结体进行质量检测，保障清淤至巷道靶点的安全；由此，本发明在巷道淤积沙条件下能形成具有一定范围、强度的封堵体，工程可靠性高，对于抢险工程及恢复生产，防止次生灾害具有较大的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及井工矿山在掘进工作面突水溃沙后进行抢险救灾、生产恢复的技术领域，尤其涉及一种掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法。

背景技术

我国北方的侏罗系煤层开采时在构造发育区域、冲刷带、风氧化带等特殊地段常常发生突水溃沙的灾害。深埋地层突水溃沙灾害的沙源一般为弱胶结或未胶结岩层，溃入通道多为断层类原生地质构造或冒落变形类次生裂隙带。突水溃沙灾害发生后大量的淤积物充填井下工作空间。主要成分为泥、沙等物质的淤积物，无法采用常规泵类机械清理，只能进行人工作业施工。以往类似灾害治理中，一般采用通过矿井的排水能力，冒险清理至邻近溃沙通道区域，筑造临时挡水墙，再进行溃沙通道治理的方法进行抢险救灾及恢复生产，这种施工方法具有以下危险与困难：

1、灾害地层边界不清，沙源储量无法预计。如不设法先期进行溃入通道封堵，会造成多次“清理-溃入-再清理-再溃入…”的循环施工，工作量大、成本高，还易发生工作面顶板掏空失稳引起的其他灾害；

2、常常在先期溃沙停止后造成的平衡仅仅是暂时的平衡。平衡后形成的“堰塞”效应在溃沙源的水沙补给作用下，灾害源头水沙压力不断升高，具有更大的重复溃沙危险，对清理工作人员造成严重的安全威胁；

3、在前方无可靠封堵体的条件下，淤积物阶段性稳定评价无法进行。而人工清理的干扰会造成淤积物平衡的突发性失稳。抢险救援及生产恢复的方案设计及实施有很大的不确定性及冒险性。

4、如采用普通注浆技术进行巷道封堵体建造，在主要成分为泥、沙等物质的淤积物中只能产生“劈裂注浆”的脉状注浆固结体，无法形成可靠封堵体。

因此，在灾害发生期间及在灾害发生后，如何快速有效在安全区域向邻近灾害通道的巷道远距离进行可靠封堵体施工，给后续抢险救灾及生产恢复提供有力保障，最大限度的减小工作面人员、设备的损失，一直是一个较大的难题。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法，能在井工矿井掘进工作面突水溃沙后，进行目的巷道段封堵体可靠建造的井下远程射流扰动注浆技术，为快速有效开展抢险治理及恢复生产工作提供安全保障。

为解决上述问题，本发明公开了一种掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、在突水溃沙出现暂时平衡，沙体不再流动时，在安全工作面施工设置钻场；

步骤2、选择靶点，该靶点位置应为邻近溃沙通道区域的巷道位置，从钻场向靶点施工钻入；

步骤3、靶点采用钻具进行高压射流扰动注浆，在靶点的一个方向形成直径约为0.6m、无侧限抗压强度不小于5MPa的水泥-沙圆柱状固结体；

步骤4、通过重复多次步骤3，在靶点按钻孔轴心间距不大于0.6m进行多个定向钻孔施工，从而通过多个水泥-沙圆柱状固结体组成咬合固结体，以形成靶点处的巷道可靠封堵；

步骤5、采用钻孔取心试验、原位水压加压试验等方法对靶点处的咬合固结体进行质量检测，保障清淤至巷道靶点的安全。

其中：在步骤1中，当掘进巷道工作面施工揭露断层通道后，上部弱胶结溃沙源地层的水沙混合物通过断层通道从溃沙点溃入掘进巷道工作面及邻近巷道，形成大量的水沙淤积区域后沙体不再流动，形成暂时的平衡。

其中：所述高压射流扰动注浆的工艺参数选用如下：注浆压力为20Mpa，注浆材料为重量比1:1的单液水泥浆，水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。

其中：为保证目的段浆液不会流失，采用防突装置进行孔内控压保浆。

通过上述结构可知，本发明的掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法具有如下效果：

1、在巷道淤积沙条件下能形成具有一定范围、强度的封堵体，工程可靠性高，对于抢险工程及恢复生产，防止次生灾害具有较大的实用价值；

2、封堵体建造范围可得到一定的控制，可有效保护水沙突出通道邻近区域工作巷道人员及设备，减少大量的后期清理工作量；

3、工程量小、工期短，满足抢险救灾要求并可节省大量的工程费用。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法的参考平面图。

图2显示了本发明的掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法的剖视图。

图3显示了本发明的近水平旋喷钻喷一体施工钻具的结构示意图。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法。

所述掘进工作面突水溃沙远程射流扰动注浆方法包括如下步骤：

步骤1、在突水溃沙出现暂时平衡，沙体不再流动时(既当掘进巷道工作面1施工揭露断层通道2后，上部弱胶结溃沙源地层3的水沙混合物通过断层通道从溃沙点4溃入掘进巷道工作面及邻近巷道，形成大量的水沙淤积区域5后沙体不再流动，形成暂时的平衡)，在安全工作面施工设置钻场6；

步骤2、选择靶点7，该靶点位置应为邻近溃沙通道区域的巷道位置，从钻场6向靶点7施工钻入；

步骤3、靶点7采用钻具进行高压射流扰动注浆，在靶点7的一个方向形成直径约为0.6m、无侧限抗压强度不小于5MPa的水泥-沙圆柱状固结体8，优选的是，所述钻具为近水平旋喷钻喷一体施工钻具，优选高压射流扰动注浆的工艺参数选用如下：注浆压力为20MPa。注浆材料为重量比1:1的单液水泥浆，水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥，钻具的喷嘴选用一个直径2.5mm的YG8合金指数收敛型喷嘴，在后退的高压射流扰动注浆时，钻具后退速度为0.2m/min，旋转速度为20r/min。每个钻孔进行边后退边旋转射流扰动注浆，重复2次。

其中，为保证目的段浆液不会流失，需采用防突装置进行孔内控压保浆；

步骤4、通过重复多次步骤3，在靶点7按钻孔轴心间距不大于0.6m进行多个定向钻孔施工，从而通过多个水泥-沙圆柱状固结体8组成咬合固结体，以形成靶点7的巷道可靠封堵；

步骤5、采用钻孔取心试验、原位水压加压试验等方法对靶点7处的咬合固结体进行质量检测，确认单体水泥-沙圆柱状固结体直径不小于0.6m，无侧限抗压强度不小于5MPa，靶点7处咬合固结体内部钻孔原位水压加压试验可耐压不小于0.5MPa，即保障清淤至巷道靶点的安全。

由此，通过上述步骤，在巷道淤积沙条件下能形成具有一定范围、强度的封堵体，工程可靠性高。对于抢险工程及恢复生产，防止次生灾害具有较大的实用价值。

其中，参见图3，本发明的组合钻具由8种零部件组成。其中带有硬质合金的三翼成孔钻头11采用螺纹连接两位三通式滑阀阀芯12，滑阀阀体14在旋转方向采用花键连接滑阀阀芯12，轴向采用轴肩进行行程控制。钻头11和阀体14接合面处外固定的是保护套13，防止泥硝进入滑阀行程区域。Y形聚氨酯高压密封圈15固定在滑阀阀芯12外周上，位于滑阀阀芯12周向侧孔之间。旋喷硬质合金喷头的喷头座16与采用螺纹连接在滑阀阀体14上，旋喷硬质合金喷头17采用紧配合压入喷头座16上。转接头18与采用螺纹连接滑阀阀体14，转接头18后接钻杆。

在钻进成孔时，由于受到钻进阻力，组合钻具被轴向压缩成图1状态，这时旋喷硬质合金喷头17基本封闭，钻进液由钻杆中心通过阀芯12上的侧面后组合孔，进入阀体14的连通腔，再通过阀芯12上的侧面前组合孔进入钻头11中心孔，达到钻进的排硝、冷却、润滑的目的。当钻进停止后在提升钻具需要旋喷时，由于钻进阻力解除，受高压阻尼影响，组合钻具被向右轴向推展，这时钻杆经过转接头18提升阀体14，密封圈15堵住封闭原来冲洗液下水通道，冲洗液在压力的作用下，旋喷硬质合金喷头17打开，旋喷浆液由旋喷喷头17高压喷出，实现旋喷成桩的目的。

优选的是，所述防突装置由防突外套和弹性密封组件组成，其防突外套内固定挡环，挡环上的弹性密封组件中，由下至上依次是耐磨密封支撑环、弹性橡胶密封组件及耐磨密封压环，防突外套上端用螺纹连接螺旋推进器，可上下控制的螺旋推进器下端底面与弹性密封组件上端面接触。

防突外套外侧有排泄的旁路管，位于弹性密封组件下方的旁路管外端连接阀门。

螺旋推进器上端固定推进器手柄。

由此，在瞬时揭露含高压力、大流量、高浓度水、气害区域时，钻杆逆止阀可阻止水、气通过钻杆中心突出，保证了拆卸钻具的安全。通过旋紧推进器手柄封堵防突装置与钻杆件的间隙并抱紧钻杆及关闭阀门，可迅速达到封堵钻孔、防止突出事故的目的。

本发明采用的高压射流扰动注浆技术是钻进进入松散地层，将凝胶浆体材料(一般为水泥浆)加压至20MPa以上，通过指数收敛形状的2-3mm直径高强度硬质合金喷嘴以高速射流形式对松散材料进行扰动、切割、拌合、固结，以形成具有一定范围及强度的固结体。此技术通过本发明的技术能有效应用于井下工作面突水溃沙后远距离施工封堵体，从而解决井下专用设备配套、定向钻进、施工工艺参数试验及选择、近水平旋喷钻喷一体化、水平钻孔控压保浆等技术难题。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。