一种仰斜钻孔双层套管及其注浆固管方法与流程

1.本发明矿山井下钻探、上仰孔疏放水与钻孔注浆堵水领域，涉及一种仰斜钻孔双层套管及其注浆固管方法。

背景技术：

2.井工煤矿的水文地质条件复杂，涌水量大，主要通过仰斜钻孔预疏放疏降方法达到降压排水安全开采的目的，工作面回采前集中向顶板充水含水层施工探(疏)放水钻孔，预先疏降(干)覆岩含水层中的地下水，以降低回采过程中顶板涌水强度，为了保障顶板疏放水效果，一般煤矿生产企业根据井下掘进条件，施工较多数量的探放水钻孔。
3.根据《煤矿防治水细则》要求，在预计水压大于0.1mpa的地点探水时，预先固结套管，并安装闸阀。为防止矿井在井下探放水作业时，因探放水孔涌水量突然增大，止水套管安装不牢无法及时止水而导致淹井、伤人事故，在井下施工仰斜放水钻孔时，需将止水套管牢固固结在钻孔中。
4.现有仰斜钻孔套管固结方法是在钻孔中下入套管后，利用速凝剂(树脂或化学试剂)封闭套管口的外圈，并插入导气孔，然后从套管内部注入水泥浆。当导气管溢出水泥浆后，将导气管封闭，然后再升压注浆，注浆完毕后关闭注浆阀门，进入待凝阶段；这种仰斜钻孔止水套管固管方式无法完全排气、无法升压注浆，管内形成的有效固结长度低，在孔内存在高压水时，易形成固管不牢靠，危险性大。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，本发明提供一种仰斜钻孔双层套管及其注浆固管方法，解决现有技术存在的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种仰斜钻孔双层套管，包括外管，所述外管中空，两端开口，外管的一端设有第一盖板，所述仰斜钻孔双层套管还包括内管，内管套设于外管内，设定外管直径为：d1，内管直径为d2，d2＜d1，内管与外管之间形成环状空间，设定外管轴向长度为s1，内管轴向长度为s2，
[0008][0009]
式中：s1–
外管轴向长度；s2–
内管轴向长度；d1–
外管直径；d2–
内管直径；
[0010]
内管靠近第一盖板的一端套设第二盖板，所述第一盖板与第二盖板连接，外管的管壁上设置注浆孔，第一盖板与第二盖板中空，能够使水从中排出。
[0011]
所述第一盖板与第二盖板之间设置密封垫片。
[0012]
所述注浆孔与所述第一盖板之间的环状空间内填充密封材料。
[0013]
根据力的平衡原理可知：
[0014][0015][0016]
由公式(1)和(2)得：
[0017][0018]
式中：s1–
外管轴向长度；s2–
内管轴向长度；d1–
外管直径；d2–
内管直径；p
–
水头压力；f
–
内管和外管与注浆液之间的单位面积摩阻力。
[0019]
该方法采用上述任一权利要求所述的仰斜钻孔双层套管，所述方法的具体步骤包括：
[0020]
步骤一，在工作面巷道、老空水、钻孔水、断裂构造水、岩溶水、陷落柱等井下探放水设计位置施工孔径为d的仰斜钻孔，其中d＞d1；
[0021]
步骤二，在步骤一的仰斜钻孔中安装外管，外管伸出仰斜钻孔设置，并在外管与仰斜钻孔孔口之间的环状间隙出填筑封闭材料，形成第一环状封堵，并在外管靠近孔口的一侧安装第一盖板；
[0022]
步骤三，将第二盖板设于内管的端部，将内管由外向内推入外管中，并在第一盖板与第二盖板50mm～100mm处停止，连接第一盖板与第二盖板，并在其间设置密封垫片，在注浆孔与第一盖板之间的环状空间内填充密封材料，形成第二环状封堵，注浆孔处连接注浆管；
[0023]
步骤四，将密度为ρ
2浆
的浆液通过外管上的注浆孔注入内管与外管之间的空隙，密度为ρ
2浆
的浆由注浆孔孔口向仰斜钻孔高处的孔底流动，浆液在沿内管之间的轴向长度为s
2浆
，设定ρ
2浆
＞ρ
水
＞ρ
气
，驱动内管与外管之间空隙中的水向上运动，水沿内管的轴向长度为s
2水
，水又驱动内管与外管之间空隙中的气体向上运动，气体沿内管的轴向长度为s
2气
，根据宾汉姆流体渗流微分方程可知：
[0024][0025]
式中：下标1代表浆液渗流区域，下标2代表孔内水渗流区域，下标3代表孔内气体流动区域；p0为内管与外管之间注浆管管口处的注浆压力；s
2浆
为浆液在内管与外管之间的轴向长度，s
2水
为水在内管与外管之间的轴向长度；p
s2浆+水
为内管与外管之间轴向长度s
2浆
+s2水
处的孔内水压力；p
s2
为内管轴向长度s2任意处的气体压力，s为浆液锋面位置与仰斜钻孔孔口之间的距离，随着浆液的抬升而变化，0≤s≤s2，考虑到浆液的结石收缩，最终固结后需满足
[0026]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0027]
(ⅰ)本发明的仰斜钻孔双层套管及其注浆固管方法，固结工艺简单，可靠性高，浆液从套管外侧底部向上流动，可以完全排出套管外侧环状间隙内的空气与积水，增加有效固结长度，从而保证了固管效果，通过设置双层套管，当仰斜钻孔的孔口直径较大时，能够减小管壁与岩壁之间的间隙，增强装置与岩壁的结合强度。
[0028]
(ⅱ)本发明利用外循环法固管后，即使因浆液沉淀，在套管顶端形成注浆盲区，也可以通过内管内部注入浆液进行二次补浆加固，增加有效固结长度，加强本发明的固管牢固度。
[0029]
(ⅲ)本发明的浆液从注浆孔孔口底部沿内管外壁向上部孔底运动时，孔口封闭材料只需要承受浆液的自重，而不需要承受孔底浆液冲击力、水压力等额外的注浆压力。
[0030]
(ⅳ)本发明的仰斜钻孔双层套管及其注浆固管方法，在注浆固管前，通过设置第二环状封堵，仰斜钻孔孔底涌水在外管与内管内的环状空间形成静水状态，同时套管下口开放，孔底涌水可以从套管内泄出。外循环注浆时，控制注浆量与注浆速度，利用浆液比重，可让浆液从下至上，缓慢充满整个外管与内管外侧环状空间，当孔内有少量出水时，外循环法注浆过程中浆液由孔口向孔底方向上返，将孔内积水和出水由孔底排至内管内部，固管效果不受积水和出水影响。
附图说明
[0031]
图1是本发明的仰斜钻孔双层套管及固管示意图；
[0032]
图中各个标号的含义为：
[0033]
1-外管，2-第一盖板，3-内管，4-第二盖板，5-注浆孔，6-第一环状封堵，7-第二环状封堵，8-密封垫片，9-岩壁，10-连接螺栓。
[0034]
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0035]
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，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0036]
本文中所提及到的方向性术语，如“径向”、“轴向”均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致，图中箭头方向表示浆液、水与气体的流动方向。
[0037]
实施例1：
[0038]
一种仰斜钻孔双层套管，包括外管1，所述外管1中空，两端开口，外管1的一端设有第一盖板2，所述仰斜钻孔双层套管还包括内管3，内管3套设于外管1内，设定外管1直径为d1，内管3直径为d2，d2＜d1，内管3与外管1之间形成环状空间，设定外管1轴向长度为s1，内管3轴向长度为s2，当套管与浆液结石体的抗滑力不小于水压作用在套管的推力时，套管才能安全稳固，不发生套管失效的问题，根据力的平衡原理可知：
[0039][0040][0041]
由公式1和2可知，
[0042][0043]
式中：s1–
外管轴向长度；s2–
内管轴向长度；d1–
外管直径；d2–
内管直径；p
–
水头压力；f
–
套管与注浆材料之间的单位面积摩阻力；
[0044]
水头压力p为2mpa，外管直径d1为0.13m，内管直径d2为0.094m，套管与注浆材料之间的单位面积摩阻力f为6
×
103n/m2。
[0045]
根据公式1计算得
[0046]
根据公式2计算得
[0047]
内管3靠近第一盖板2的一端套设第二盖板4，所述第一盖板2与第二盖板4连接，外管1的管壁上设置注浆孔5，第一盖板2与第二盖板4中空，能够使水从中排出。
[0048]
本实施例中，s2符合上述等式，能够保证套管固定在仰斜钻孔中，不会在水压力的冲击下脱落。
[0049]
本实施例的仰斜钻孔双层套管，通过设置双层套管，当仰斜钻孔的孔口直径较大时，能够减小管壁与岩壁之间的间隙，增强装置与岩壁9的结合强度。
[0050]
作为本实施例的一种优选方案，所述第一盖板2与第二盖板4之间设置密封垫片8。
[0051]
其中，设置密封垫片的目的，是为了防止钻孔产生的水从第一盖板2与第二盖板4之间流出，仰斜钻孔孔底涌水在外管1与内管3内的环状空间形成静水状态。
[0052]
所述注浆孔5与所述第一盖板2之间的环状空间内填充密封材料，增强密封效果。
[0053]
实施例2：
[0054]
塔然高勒煤矿3-1煤层顶板5m以上为砾岩含水层，该含水层下部约15m左右不含水，出水位置距离煤层顶板约20m，水压高达3.5mpa，探放水钻孔施工时，为了防止在孔口管固结前含水层出水，必须采用三级孔径(指从开孔到终孔过程中有3个孔径，分别由大到小)两级套管的结构，主要是为了抵御近煤层含水层高压水的威胁，套管施工质量的好坏将直接影响探放水工程的成败和矿井的安全。
[0055]
一种仰斜钻孔双层套管注浆固管方法，该方法实施例1所述的仰斜钻孔双层套管，所述方法的具体步骤包括：
[0056]
步骤一，在工作面巷道、老空水、钻孔水、断裂构造水、岩溶水、陷落柱等井下探放水设计位置施工孔径d为170mm的仰斜钻孔；外管直径d1为0.13m，内管直径d2为0.094m，套管与注浆材料之间的单位面积摩阻力f为8
×
103n/m2。
[0057]
根据公式1计算得取s1为15m；
[0058]
根据公式2计算得取s2为20m。
[0059]
步骤二，在步骤一的仰斜钻孔中安装外管1，外管1伸出仰斜钻孔设置，并在外管1与仰斜钻孔孔口之间的环状间隙出填筑封闭材料，形成第一环状封堵6，在实际应用过程中，第一环状封堵6出设置注浆管道，通过注浆管道向外管1与仰斜钻孔孔壁之间填充浆液，将外管1固定在仰斜钻孔上，并在外管1靠近孔口的一侧安装第一盖板2；
[0060]
步骤三，将第二盖板4设于内管3的端部，将内管3由外向内推入外管1中，并在第一盖板2与第二盖板4相距50mm～100mm处停止，避免第二盖板4冲击第一盖板2，在其间设置密封垫片8，采用连接螺栓连接第一盖板2与第二盖板4，在注浆孔5与第一盖板2之间的环状空间内填充密封材料，形成第二环状封堵7，注浆孔5处连接注浆管；
[0061]
步骤四，将密度为ρ
2浆
的浆液通过外管上的注浆孔注入内管与外套管之间的空隙，密度为ρ
2浆
的浆由注浆孔孔口向仰斜钻孔高处的孔底流动，浆液在内管与外管之间的轴向长度为s
2浆
，设定ρ
2浆
＞ρ
水
＞ρ
气
，驱动内管与外套管之间空隙中的水向上运动，水在内管与外管之间的轴向长度为s
2水
，水又驱动内管与外管之间空隙中的气体向上运动，气体在套管外部与孔壁之间的轴向长度为s
2气
，
[0062][0063]
式中：下标1代表浆液渗流区域，下标2代表孔内水渗流区域，下标3代表孔内气体流动区域；p0为内管与外管之间注浆管管口处的注浆压力；s
2浆
为浆液在内管与外管之间的轴向长度，s
2水
为在内管与外管之间的轴向长度；p
s2浆+水
为内管与外管之间轴向长度s
2浆
+s
2水
处的孔内水压力；p
s2
为内管轴向长度s2任意处的气体压力，s为浆液锋面位置与孔口之间的距离，随着浆液的抬升而变化，0≤s≤20，考虑到浆液的结石收缩，最终固结后需满足19.66≤s≤20。
[0064]
根据公式(4)，浆液从内管外侧的底部向上运动，由浆液锋面位置与孔口之间的距离s由最初的逐渐增大至20m，而孔内气体在内管与外管之间的轴向长度由s
2气
减小为0，最终在孔底由内管内部排出，同时，在孔内气体排出的过程中，孔内水在内管与外管之间的轴向长度始终为s
2水
，当气体全部排出，气体在内管与外管之间的轴向长度减小为0后，孔内水在内管与外管之间的轴向长度由s
2水
开始减少，最终在孔底由内管内部全部排出，并以内管内部排出浆液为结束标准，可以完全排出环状空间的空气与积水，浆液将内管3与外管1粘结为一体，使套管与孔壁9紧密固结。

技术特征：

1.一种仰斜钻孔双层套管，包括外管(1)，所述外管(1)中空，两端开口，外管(1)的一端设有第一盖板(2)，其特征在于，所述仰斜钻孔双层套管还包括内管(3)，内管(3)套设于外管(1)内，设定外管(1)直径为：d1，内管(3)直径为d2，d2＜d1，内管(3)与外管(1)之间形成环状空间，设定外管(1)轴向长度为s1，内管(3)轴向长度为s2，式中：s1–
外管轴向长度；s2–
内管轴向长度；d1–
外管直径；d2–
内管直径；内管(3)靠近第一盖板(2)的一端套设第二盖板(4)，所述第一盖板(2)与第二盖板(4)连接，外管(1)的管壁上设置注浆孔(5)，第一盖板(2)与第二盖板(4)中空，能够使水从中排出。2.如权利要求1所述的仰斜钻孔双层套管，其特征在于，所述第一盖板(2)与第二盖板(4)之间设置密封垫片(8)。3.如权利要求2所述的仰斜钻孔双层套管，其特征在于，所述注浆孔(5)与所述第一盖板(2)之间的环状空间内填充密封材料。4.如权利要求1所述的仰斜钻孔双层套管，其特征在于，根据力的平衡原理可知：层套管，其特征在于，根据力的平衡原理可知：由公式(1)和(2)得：式中：s1–
外管轴向长度；s2–
内管轴向长度；d1–
外管直径；d2–
内管直径；p
–
水头压力；f
–
内管和外管与注浆液之间的单位面积摩阻力。5.一种仰斜钻孔双层套管注浆固管方法，其特征在于，该方法采用上述任一权利要求所述的仰斜钻孔双层套管，所述方法的具体步骤包括：步骤一，在工作面巷道、老空水、钻孔水、断裂构造水、岩溶水、陷落柱等井下探放水设计位置施工孔径为d的仰斜钻孔，其中d＞d1；步骤二，在步骤一的仰斜钻孔中安装外管(1)，外管(1)伸出仰斜钻孔设置，并在外管(1)与仰斜钻孔孔口之间的环状间隙出填筑封闭材料，形成第一环状封堵(6)，并在外管(1)靠近孔口的一侧安装第一盖板(2)；步骤三，将第二盖板(4)设于内管(3)的端部，将内管(3)由外向内推入外管(1)中，并在第一盖板(2)与第二盖板(4)50mm～100mm处停止，连接第一盖板(2)与第二盖板(4)，并在其间设置密封垫片，在注浆孔(5)与第一盖板(2)之间的环状空间内填充密封材料，形成第二环状封堵(7)，注浆孔(5)处连接注浆管；步骤四，将密度为ρ
2浆
的浆液通过外管(1)上的注浆孔(5)注入内管(3)与外管(1)之间的空隙，密度为ρ
2浆
的浆由注浆孔(5)孔口向仰斜钻孔高处的孔底流动，浆液在沿内管(2)之间
的轴向长度为s
2浆
，设定ρ
2浆
＞ρ
水
＞ρ
气
，驱动内管(3)与外管(1)之间空隙中的水向上运动，水沿内管(3)的轴向长度为s
2水
，水又驱动内管(3)与外管(1)之间空隙中的气体向上运动，气体沿内管的轴向长度为s
2气
，根据宾汉姆流体渗流微分方程可知：式中：下标1代表浆液渗流区域，下标2代表孔内水渗流区域，下标3代表孔内气体流动区域；p0为内管与外管之间注浆管管口处的注浆压力；s
2浆
为浆液在内管与外管之间的轴向长度，s
2水
为水在内管与外管之间的轴向长度；p
s2浆+水
为内管与外管之间轴向长度s
2浆
+s
2水
处的孔内水压力；p
s2
为内管轴向长度s2任意处的气体压力，s为浆液锋面位置与仰斜钻孔孔口之间的距离，随着浆液的抬升而变化，0≤s≤s2，考虑到浆液的结石收缩，最终固结后需满足

技术总结

本发明提供了一种仰斜钻孔双层套管，包括外管，所述外管中空，两端开口，外管的一端设有第一盖板，所述仰斜钻孔双层套管还包括内管，内管套设于外管内，设定外管直径为：d1，内管直径为d2，d2＜d1，内管与外管之间形成环状空间，设定外管轴向长度为S1，内管轴向长度为S2，式中：S1–

技术研发人员：

王明星 张雁 孙浩 牛光亮 郭英杰 王海 王中举 田增林 顾彦军 朱宏军 张琦 高胜

受保护的技术使用者：

中煤科工集团西安研究院有限公司

技术研发日：

2022.07.20

技术公布日：

2022/11/1