專利名稱：通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆孔施工工藝，特別涉及一種通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置及工藝，屬于礦山、交通隧道、水利水電等地質(zhì)勘探、水害防治、基本建設(shè)等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，礦山水害事故尤其是煤礦水害事故是影響職工安全和礦井經(jīng)濟(jì)效益的事故之一，每年煤礦透水事故不斷發(fā)生。在開采下組煤并受煤層底板奧陶系灰?guī)r水威脅比較嚴(yán)重的老礦區(qū)，上組煤已形成了煤層采空區(qū)。當(dāng)在地面施工下組煤煤層底板含水層水文觀測孔、礦井涌突水后對充水含水層施工地面注漿堵水鉆孔，在地面施工煤層底板注漿加固改造鉆孔以及在地面施工排水鉆孔、電纜鉆孔等工程鉆孔時，鉆孔勢必穿過上組煤采空區(qū)，采空區(qū)的存在給鉆孔施工帶來很大難度；在喀斯特巖溶發(fā)育的南部地區(qū)，施工地質(zhì)勘探鉆孔時往往遇到較大的巖溶空洞；在這些空洞中鉆進(jìn)往往出現(xiàn)鉆孔偏斜事故、鉆孔坍塌掉塊引起埋鉆事故、鉆桿在空洞頂板處被卡事故、鉆孔在空洞頂板拉槽夾鉆事故、鉆桿在空洞內(nèi)被甩脫掉鉆事故以及出現(xiàn)隔離套管在空洞內(nèi)部分被破碎或脫扣事故等。為減少和杜絕上述事故，有時需要在空洞區(qū)填充滿骨料并對骨料堆積體注漿封固，人為制造假地層，以保證鉆孔的安全順利施工。另外在某些注漿堵水工程中，需要通過地面鉆孔向過水巷道內(nèi)填充骨料， 以攔截過水通道。專利號為85107683的中國專利公開了一種用巖石填料切斷地下空腔和巷道系統(tǒng)中高速水流的方法。為切斷地下空腔及巷道系統(tǒng)水流至少設(shè)置一根用套管加固的水流導(dǎo)管，導(dǎo)管長軸和水流方向大體一致，水流導(dǎo)管的套管在空腔和巷道系統(tǒng)的水流入口區(qū)中，讓水自由流入，空腔水流出口區(qū)開著。在此空腔的水流入口區(qū)及出口區(qū)之間或巷道系統(tǒng)的巷道中填入谷粒大小的固體顆粒，以提高阻力，然后經(jīng)由填料輸入孔注漿造成一個切斷區(qū)，而水流經(jīng)水流導(dǎo)管改道.最后將填料輸入導(dǎo)管徹底堵死。該專利是先用套管加工成的導(dǎo)管泄流，然后在套管部位用碎石堆積形成墻體，墻體內(nèi)碎石顆粒間注漿加固，固結(jié)成一個擋水墻，然后向套管里充填固體顆粒，最終達(dá)到在空腔或巷道中阻擋水流的目的。其應(yīng)該是封堵過水的方法，它解決的是如何切斷空腔或巷道內(nèi)過水的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置及工藝，該種工藝可以實現(xiàn)安全順利施工。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，包括伸入鉆孔內(nèi)的中空鉆桿柱，鉆桿柱下端設(shè)噴射頭，鉆桿柱的上端設(shè)有水接頭，水接頭通過高壓膠管與注漿泵連接；鉆孔口設(shè)有骨料輸送皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)器、水管，鉆桿柱插入回轉(zhuǎn)器內(nèi)，回轉(zhuǎn)器連接鉆機(jī)，水管連接水泵向鉆孔輸水，骨料輸送皮帶機(jī)向鉆孔輸送骨料。
所述的鉆桿柱由多節(jié)鉆桿連接而成。鉆桿柱的頂端通過鋼絲繩掛在提引器上。所述的噴射頭有噴射孔，外側(cè)均勻分布有鑲焊切削刃。使用上述裝置通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，步驟如下(1)根據(jù)鉆孔的深度選取鉆桿根數(shù)，向鉆孔內(nèi)下放鉆桿、連接鉆桿安裝成鉆桿柱；(2)開動鉆機(jī)使回轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，帶動鉆桿柱回轉(zhuǎn)；打開鉆孔口的水管，向鉆孔內(nèi)充水；打開注漿泵，通過高壓膠管和水接頭向鉆桿柱內(nèi)充水；再開動骨料輸送皮帶機(jī)，向鉆孔內(nèi)緩慢填充骨料，骨料在水的沖刷攜帶和自重的作用下，從鉆孔內(nèi)向采空區(qū)空間不斷散落， 鉆桿柱回轉(zhuǎn)過程中同時通過提引器及鋼絲繩的提升和下降使鉆桿上下串動，串動幅度在 1-細(xì)之間，直至填充完畢；(3)卸開回轉(zhuǎn)器，用提引器及鋼絲繩起吊鉆桿柱，把鉆桿柱提出鉆孔，卸掉噴射頭， 分別撤掉骨料輸送皮帶機(jī)和水管，清理現(xiàn)場，骨料填充施工完成。上述工藝中鉆桿柱與鉆孔內(nèi)徑間隙不得少于60mm，鉆桿絲扣(即鉆桿的連接螺紋)連接處要求纏繞面紗，上絲扣油，并旋緊，在鉆桿內(nèi)充水時，不應(yīng)出現(xiàn)鉆桿絲扣處漏水現(xiàn)象。鉆桿柱回轉(zhuǎn)速度根據(jù)使用的鉆機(jī)選擇，轉(zhuǎn)速一般75-150轉(zhuǎn)/分鐘，骨料的送入速度應(yīng)依據(jù)鉆孔和鉆桿柱之間的環(huán)狀間隙進(jìn)行選擇，一般以不超過環(huán)狀斷面的2/3為準(zhǔn)，可以使用2寸膠管通過注漿泵向鉆桿柱內(nèi)供水，一般流量不低于15m3/h。水管的水和骨料的體積比控制在3 5 1，根據(jù)骨料的粒徑、骨料在鉆孔內(nèi)的下降速度進(jìn)行調(diào)節(jié)其配比，粒徑越小，體積比越?。还橇舷陆邓俣仍叫?，體積比越大，但體積比最小不得低于3 1。按照骨料粒徑及鉆孔內(nèi)骨料下落的空間橫斷面面積確定，注入量一般為細(xì)砂5m3/h，石子不超過 3m3/h。填充過程中不得停止供水，并保證足量供水?？蛇x用的骨料是硬骨料，可以采用多種材料(比如細(xì)沙、石子等)，遇到水不會產(chǎn)生體積的膨脹。骨料礫徑不超過鉆桿柱與鉆孔環(huán)狀間隙的1/2。回轉(zhuǎn)器在鉆孔內(nèi)不得停止回轉(zhuǎn)，鉆桿柱不得在鉆孔內(nèi)停止上下串動，鉆桿柱回轉(zhuǎn)和串動的目的就是防止骨料在鉆孔內(nèi)堆積堵塞。一般鉆桿柱串動時要保持噴射頭在采空區(qū)內(nèi)。當(dāng)骨料在鉆孔內(nèi)堆積較多堵塞鉆孔時，要保持使鉆桿柱正向回轉(zhuǎn)并提升鉆桿柱，利用噴射頭向上掃孔，掃孔時必須保證注漿泵足量的持續(xù)供水，滿足噴射頭處噴射口的涌水量，起到給噴射頭降溫和向采空區(qū)沖刷攜帶被掃開的堵塞骨料的目的，從而解除骨料在孔內(nèi)的堆積堵塞。嚴(yán)禁鉆桿柱反向回轉(zhuǎn)而引發(fā)鉆桿柱脫落事故。嚴(yán)禁鉆桿柱不回轉(zhuǎn)而直接向上強力拉升鉆桿柱的操作，以防止出現(xiàn)卡埋鉆事故。注漿泵向鉆桿柱內(nèi)供水的目的就是鉆桿柱和其下端的噴射頭進(jìn)入到骨料堆積體內(nèi)時，防止噴射孔堵塞，另外通過噴射孔產(chǎn)生的射流可以把下落到噴射頭位置的骨料通過噴射力向外推出，以盡大程度的加大骨料塌落和堆積的底面積。另外在骨料堵塞鉆孔利用噴射頭掃孔時，用于冷卻噴射頭。要求注漿泵額定壓力不得小于3. OMPa，供水量最小不得小于 100L/min。本發(fā)明的有益效果是較好解決了地面鉆孔過地層空洞時出現(xiàn)的各類事故；在地面鉆孔骨料添加中，使用鉆桿柱回轉(zhuǎn)和串動，用水沖刷攜帶進(jìn)入鉆孔內(nèi)的骨料到采空區(qū)，保證了骨料順利進(jìn)入空洞內(nèi)，保證了鉆孔的安全順利施工。
圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖；其中1鉆桿柱，2提引器，3高壓膠管，4煤上地層，5鉆機(jī)，6骨料(石子、沙)，7噴射頭，8煤層采空區(qū)，9骨料堆積體，10煤層，11煤層采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石，12煤下地層，13 水管，14噴射孔，15射流，16骨料輸送皮帶機(jī)，17回轉(zhuǎn)器，18水接頭，19鋼絲繩，20切削刃。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如附圖1，通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，包括伸入鉆孔內(nèi)的中空鉆桿柱1，鉆桿柱1下端設(shè)噴射頭7，鉆桿柱1的上端設(shè)有水接頭18，水接頭18通過高壓膠管 3與注漿泵連接；鉆孔口設(shè)有骨料輸送皮帶機(jī)16、回轉(zhuǎn)器17、水管13，鉆桿柱1插入回轉(zhuǎn)器 17內(nèi)，回轉(zhuǎn)器17連接鉆機(jī)5，水管13連接水泵向鉆孔輸水，骨料輸送皮帶機(jī)16向鉆孔輸送骨料6。所述的鉆桿柱1由多節(jié)鉆桿連接而成。鉆桿柱1的頂端通過鋼絲繩19掛在提引器2上。所述的噴射頭7有噴射孔14，外側(cè)均勻分布鑲焊切削刃20，水從噴射孔出來形成射流15。由附圖1所示，地層可以分為煤上地層4 (地表到煤層采空區(qū)之間的地層)，煤層采空區(qū)8，煤層采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石11，煤層10和煤下地層12。骨料6經(jīng)煤層采空區(qū)8在煤層采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石上堆積成骨料堆積體9。使用上述裝置通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，步驟如下(1)首先根據(jù)鉆透采空區(qū)的鉆孔深度，計算出所需鉆桿的總長度，計算出鉆桿的根數(shù)，并對鉆桿進(jìn)行選配，把不合格的鉆桿排除在外，按照每根鉆桿的長度把鉆桿排好次序備用。在最底端鉆桿的下端連接好噴射頭，并根據(jù)選配好的單根鉆桿次序，用提引器和鋼絲繩懸掛依次連接下入到鉆孔內(nèi)。鉆桿柱和鉆孔內(nèi)徑間隙不得少于60mm，噴射頭進(jìn)入到采空區(qū)頂板以下時，停止下放鉆桿。此時有單根連接成的鉆桿柱，鉆桿柱絲扣連接要求纏繞面紗， 上絲扣油，并旋緊，在鉆桿柱內(nèi)充水時，不應(yīng)出現(xiàn)鉆桿絲扣處漏水現(xiàn)象。噴射頭上下兩端環(huán)狀部位及外側(cè)要均勻分布鑲焊切削刃，作為骨料堵塞鉆孔時的掃孔鉆頭使用。(2)鉆桿柱要插入到鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器內(nèi)，以保證鉆機(jī)提供鉆桿柱的回轉(zhuǎn)扭矩動力。鉆孔孔口處安裝水管，水管另一端連接水泵。鉆孔上部安裝骨料輸送皮帶機(jī)，用于向鉆孔內(nèi)連續(xù)地填入骨料。骨料礫徑不超過鉆桿柱與鉆孔環(huán)狀間隙的1/2。骨料可以采用多種材料，但都應(yīng)是硬骨料，遇到水不會產(chǎn)生體積的膨脹。一般把鉆桿柱外的水和骨料的體積比控制在 3 51之間。根據(jù)骨料在鉆孔內(nèi)的下降速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。而填充過程中不得停止供水，并保證足量供水。骨料輸送要保持均勻且慢速供給。首先開動鉆機(jī)使回轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，帶動鉆桿柱回轉(zhuǎn)。然后打開水管，向鉆孔內(nèi)充水，打開注漿泵，通過高壓膠管和水接頭向鉆桿柱內(nèi)充水。開動骨料輸送皮帶機(jī)，向鉆孔內(nèi)慢速地填充骨料。骨料在水的沖刷攜帶和自重的作用下，從鉆孔內(nèi)向煤層采空區(qū)空間不斷散落。同時鉆桿柱回轉(zhuǎn)過程中，可以通過提引器及鋼絲繩的提升和下降使鉆桿柱上下串動。要求注漿泵額定壓力不得小于3. OMPa，供水量最小不得小于lOOL/min。(3)等骨料填充滿采煤層采空區(qū)空間后，卸開回轉(zhuǎn)器，用提引器及鋼絲繩起吊鉆桿柱，把鉆桿柱提出鉆孔，卸掉噴射頭。分別撤掉骨料輸送皮帶機(jī)和水管，清理現(xiàn)場，骨料填充施工工藝操作步驟完成。操作中，每個臺班要把鉆孔內(nèi)的鉆桿柱提出鉆孔檢查一次，對鉆桿柱或噴射頭的磨損情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重和不合格的鉆桿柱要及時進(jìn)行更換，以保證鉆桿柱和噴射頭的安全工作狀態(tài)。實施例某礦業(yè)公司工作面外推40m時，發(fā)生出水。突水點涌水量^01m3/h，并且有繼續(xù)增加的趨勢，淹沒了礦井北翼造成北翼停產(chǎn)。針對10層煤出水情況，制定了從地面施工鉆孔的注漿堵水方案。但是根據(jù)工作面水文地質(zhì)資料分析，設(shè)計的4個鉆孔其中有2個鉆孔(注 1、注4)分別要穿過煤8、煤9和煤10三層采空區(qū)，1個鉆孔(注3)要穿過煤8、煤9兩層采空區(qū)。實際施工了三個鉆孔，為注1、注3和注4。三層采空區(qū)煤層的底界深度及厚度分別是煤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鉆孔揭露的煤8、煤9和煤10三層間距比正常間距變薄，分別為3. 75m和6. 63m。由于煤8、煤9、煤 10三層采空區(qū)間距很小，采煤方式采用頂板冒落方式。若煤10頂板冒落帶延伸到了煤9采空區(qū)，則可以把煤9、煤10采空區(qū)看作一層采空區(qū)對待。從而三層采空區(qū)形成了較大的冒落空間。鉆孔如何安全順利穿過煤礦采空區(qū)，是注漿堵水成功與否的幾個關(guān)鍵之一。利用本發(fā)明工藝實施了采空區(qū)內(nèi)骨料的填充。分別通過注1、注3和注4等鉆孔， 在采空區(qū)內(nèi)填充了一定量的骨料，其中填充沙640m3，石子10m3。充填到一定程度后，結(jié)合使用其它注漿加固工藝。保證了鉆孔的安全順利施工，給堵水工作帶來了較大效益。幾天后第一個鉆孔(注3)安全順利穿過煤礦采空區(qū)，在充水含水層奧陶系灰?guī)r內(nèi)注入水泥150噸后，堵水初見效果，一個月后堵水工作圓滿結(jié)束。
權(quán)利要求
1.通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，其特征是，包括伸入鉆孔內(nèi)的中空鉆桿柱，鉆桿柱下端設(shè)噴射頭，鉆桿柱的上端設(shè)有水接頭，水接頭通過高壓膠管與注漿泵連接；鉆孔口設(shè)有骨料輸送皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)器、水管，鉆桿柱插入回轉(zhuǎn)器內(nèi)，回轉(zhuǎn)器連接鉆機(jī)，水管連接水泵向鉆孔輸水，骨料輸送皮帶機(jī)向鉆孔輸送骨料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，其特征是，所述的鉆桿柱由多節(jié)鉆桿連接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，其特征是，鉆桿柱的頂端通過鋼絲繩掛在提引器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置，其特征是，所述的噴射頭有噴射孔，外側(cè)均勻分布有鑲焊切削刃。
5.使用權(quán)利要求1-4任一項所述裝置通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，其特征是，步驟如下(1)根據(jù)鉆孔的深度選取鉆桿根數(shù)，向鉆孔內(nèi)下放鉆桿、連接鉆桿安裝成鉆桿柱；(2)開動鉆機(jī)使回轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，帶動鉆桿柱回轉(zhuǎn)；打開鉆孔口的水管，向鉆孔內(nèi)充水；打開注漿泵，通過高壓膠管和水接頭向鉆桿柱內(nèi)充水；再開動骨料輸送皮帶機(jī)，向鉆孔內(nèi)緩慢填充骨料，骨料在水的沖刷攜帶和自重的作用下，從鉆孔內(nèi)向采空區(qū)空間不斷散落，鉆桿柱回轉(zhuǎn)過程中同時通過提引器及鋼絲繩的提升和下降使鉆桿上下串動，直至填充完畢；(3)卸開回轉(zhuǎn)器，用提引器及鋼絲繩起吊鉆桿柱，把鉆桿柱提出鉆孔，卸掉噴射頭，分別撤掉骨料輸送皮帶機(jī)和水管，清理現(xiàn)場，骨料填充施工完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，其特征是，鉆桿柱與鉆孔內(nèi)徑間隙不得少于60mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，其特征是，鉆桿柱回轉(zhuǎn)速度75-150轉(zhuǎn)/分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的工藝，其特征是，向鉆桿柱內(nèi)供水流量不低于15m3/h，水管的水和骨料的體積比控制在3 5 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過地面鉆孔向地層空洞內(nèi)填充骨料的裝置及工藝，裝置包括伸入鉆孔內(nèi)的中空鉆桿柱，鉆桿柱下端設(shè)噴射頭，鉆桿柱的上端設(shè)有水接頭，水接頭通過高壓膠管與注漿泵連接；鉆孔口設(shè)有骨料輸送皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)器、水管，鉆桿柱插入回轉(zhuǎn)器內(nèi)，回轉(zhuǎn)器連接鉆機(jī)，水管連接水泵向鉆孔輸水，骨料輸送皮帶機(jī)向鉆孔輸送骨料。本發(fā)明的有益效果是較好解決了地面鉆孔過地層空洞時出現(xiàn)的各類事故；在地面鉆孔骨料添加中，使用鉆桿柱回轉(zhuǎn)和串動，用水沖刷攜帶進(jìn)入鉆孔內(nèi)的骨料到采空區(qū)，保證了骨料順利進(jìn)入空洞內(nèi)，保證了鉆孔的安全順利施工。
文檔編號E21F15/00GK102536317SQ201210018919
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者姜華, 張霄, 惠冰, 李召峰, 李術(shù)才, 李海燕, 潘光明 申請人:山東大學(xué)