一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法与流程

1.本发明涉及一种钻孔的设计方法，特别是一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法。

背景技术：

2.在煤矿离层等注浆充填(地面减沉、保水采煤(上部覆岩水)、防冲击地压、地基增强、固废处理、煤层底板水防突等)工程(以下简称注浆工程)的施工中，注浆工期一般较长，少则3、4个月，多则1年以上；注浆量大，少则10万多吨，多则100多万吨或更多的充填料，目前充填料主要是矸石和粉煤灰。
3.离层注浆根据工作面注浆位置的不同，有局部工作面的开放式注浆和全部工作面的封闭式注浆，该设计适用于局部工作面开放式离层注浆首排钻孔或受地面构筑物限制而设计的定向钻孔。
4.注浆充填过程是一个矿井下采煤，煤层上覆岩层运移，在主(或亚)关键层(以下简称关键层)下，由下往上呈跳跃式产生离层，通过地面建立的钻孔注浆通道将浆液充填到设计的离层空间，支撑目标关键层，采煤与注浆两者相对同步距进行、动态配合，达到一个动态的空间平衡置换，阻止目标关键层随着煤层开采，顺采煤方向上发生阶段性“砌体梁”式破坏，进而达到地面减沉、保水采煤(上部覆岩水)、防冲击地压、地基增强、固废处理、煤层底板水防突等工程目的。
5.离层的形成滞后于采煤的掘进，相对同步距、延时、同方向进行；离层注浆是按设计的注采比进行，与采掘空间是一个动态空间平衡置换的过程。
6.上覆岩层时刻在运移，而注浆的通道是钻孔的套管，套管固孔后则无法运移，若首排注浆钻孔设计不合理，离层形成后若不能及时注浆，易造成注浆孔套管被挤扁变形、拉断、剪切断等严重事故，进而导致上覆地层扒裂、注浆跑浆，工程失败的结果。
7.注浆工程根据采区工作面的采宽、煤层采高、注浆面长度、浆液扩散半径等因素一般顺采煤掘进方向进行多排注浆孔设计，而首排注浆孔能否在第一时间发现离层、及时注浆且钻孔通道自始至终保持完好至设计的注浆压力及注浆量，关系到工程的成败；现首排注浆孔的设计采用直孔ah、he、ef三开设计，如图1所示，一开ah段钻入完整基岩2～5m，下入套管固孔；二开he段钻入目标关键层，ae段下入套管固孔，作为注浆通道；三开ef段，裸孔，为注浆层位。该设计的缺点是目标关键层首注点f的整个钻孔段af，均在表土层移动面gi、岩层移动面ik的安全范围以外，处在覆岩地层的运移区，存在套管被挤扁变形、拉断、剪切断等的严重安全隐患。

技术实现要素：

8.为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法，它解决了首排注浆钻孔套管被挤扁变形、拉断、剪切断等的严重安全隐患。
9.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：对钻孔孔身进行三开设计，包括：
10.一开ac段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。ab段处在表土层移动面gn运移区的不安全范围内，bk段处在表土层移动面gn运移区的安全范围内，kc段入完整基岩10～20m，ac段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪等强度足可抵抗表土层gba的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；
11.二开cm段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段e0的厚度，处在岩石移动角δ移动面ne的安全范围内，从m至孔口a，下入套管固孔，冗余安全设计，再次增加ac段抵抗表土层gba的运移破坏；
12.和三开mf段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底f超前e点水平距为l1，垂距为h3，可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段e0随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
13.本发明具有下列特点：1)、对钻孔的ac、cm段进行了安全设计，避免了套管的挤扁变形、剪切和拉伸等破坏，保证了注浆通道的畅通，为煤矿离层等注浆充填项目的成功奠定了前提条件；2)、对钻孔的mf段进行了超前距、垂距设计，离层发展到f点后既可被发现，立即注浆，抓住了注浆的最佳时机，阻止了目标关键层保护段随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，为煤矿离层等注浆充填项目的成功奠定了基础；3)、提出了超前距l1、垂距h3的设计取值依据是目标关键层的破断距，并提出了取值范围是目标关键层破断距的1/3～1倍，符合不同埋深关键层的破断距不同的特性；4)、提出了定向方位为平行于采区工作面走向，逆采掘方向；5)、提出了钻孔孔身钻穿完整基岩界面交点k与表土层移动面起算点n的距离为l5，≮3m；钻孔孔身钻穿目标关键层的交点m与基岩移动面起算点e的距离为l2，≮5m；便于施工且安全、经济合理。6)、可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段e0随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
15.图1为现有技术示意图；
16.图2为本发明示意主视图；
17.图3为本发明示意左视图；
18.图4为本发明实例主视图；
19.图5为本发明实例左视图。
具体实施方式
20.如图2、3所示，图中标识解释如下：
21.h1：第四系、第三系表土层的厚度；若无，该厚度为零，不进行设计。
22.h2：基岩界面至目标关键层的厚度。
23.h3：目标关键层至孔底f的垂直距离，为目标关键层破断距的1/3～1倍，在满足h5的前提下，取大值。
24.h4：注浆层位，为离层或裂隙。
25.h5：注浆层位与两带(垮落带、裂隙带)之间的安全保护距离，常取h7的5倍，根据地
层岩性可适当调整。
26.h6：两带(垮落带、裂隙带)的发育高度。
27.h7：煤层采高。
28.l1，超前距：mf段超目标关键层保护段e点的水平距，为目标关键层破断距的1/3～1倍，h3与l1的长度不一致时，取两者之一的大值。
29.l2：钻孔孔身钻穿目标关键层与岩石移动角δ移动面ne起算点e的距离，≮5m。
30.l3：钻孔孔身钻穿目标关键层后mf段的水平距。
31.l4：目标关键层岩石移动角δ计算岩层移动面ne内的安全距离。
32.l5：钻孔孔身钻穿第四系、第三系表土层，到达基岩界面，与表土层移动角起算n点后的距离，≮3m。
33.l6：第四系、第三系表土层n点移动角φ计算移动面gn内的安全距离。
34.a：为孔口，位于第四系、第三系表土层移动角φ移动面gn起算点n后，距离为l5，为c点垂直对应的a点；若无第四系、第三系表土层，则孔口置于基岩上，位于起算点n点后，距离为l5，为k点。
35.b：钻孔孔身与第四系、第三系表土层移动角φ移动面gn的交点。
36.k：钻孔孔身与基岩界面的交点。
37.c：一开孔底，完整基岩下10～20m。
38.d：造斜点，定向起始点。
39.m：二开孔底，钻孔孔身与目标关键层的交点。
40.f：为孔底，位于目标关键层岩石移动角δ移动面ne起算点e前，平行于采区走向，逆采掘方向，目标关键层下，水平距为l3，垂距为h3。
41.g：为地表受保护不被破坏安全范围的起算点；若无第四系、第三系表土层，则受保护不被破坏安全范围的起算点为n。
42.n：第四系、第三系表土层移动角φ计算移动面的起点
43.e：为目标关键层岩石不受移动角δ破坏安全范围的起算点，也是目标关键层保护段e0的起点。
44.本发明包括：
45.一开ac段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。ab段处在表土层移动面gn运移区的不安全范围内，bk段处在表土层移动面gn运移区的安全范围内，kc段入完整基岩10～20m，ac段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪等强度足可抵抗表土层gba的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；
46.二开cm段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段e0的厚度，处在岩石移动角δ移动面ne的安全范围内，从m至孔口a，下入套管固孔，冗余安全设计，再次增加ac段抵抗表土层gba的运移破坏；
47.和三开mf段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底f超前e点水平距为l1，垂距为h3，逆采掘方向且平行于工作面走向，
48.可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段eo随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
49.实施例
50.如图4、5所示，某矿3501采区工作面为保护地面构筑物的沉降破坏，首排离层注浆孔的钻孔设计如下：
51.一、采区地层概况
52.依据勘查孔资料，采区地层由老至新叙述如下：
53.(1)石炭系
54.上统太原组(c3t)，首采煤层5#煤，厚5.6m，埋深556m.
55.(2)二叠系
56.石盒子组(p2s)，亚关键层4层位为灰白中粒砂岩，厚10m，埋深365m；
57.(4)第四系(q)
58.层厚150m。
59.二、相关计算
60.已知：煤层采高5.4m，地层的不同岩层厚度、岩性、体积力、弹性模量、抗拉强度，结合本矿实测资料推算出：
61.1、两带高度为煤层采高的13倍，即70.2m；
62.2、安全保护距离为煤层采高的5倍，即27m；
63.3、取亚关键层4砂岩层为目标关键层，计算该层的破断距为30m；
64.4、按第四系表土层移动角取45
°
，岩石移动角取70
°
，画图，得到n点为150m，e点为78m；
65.5、设计注浆孔的孔位为n点后5m，垂直对应点a，孔身钻入完整基岩20m及钻穿目标关键层4为e点后5m；超前距为15m和垂距为30m；
66.6、注浆层位为365～459m，符合两带高度和安全保护距离；
67.7、孔底f点顶角为60
°
，方位平行且逆煤层采掘方向，孔深410m，钻孔孔身分段轨迹由定向工程师进行专项孔身轨迹设计。

技术特征：

1.一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法，其特征在于包括：一开ac段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。ab段处在表土层移动面gn运移区的不安全范围内，bk段处在表土层移动面gn运移区的安全范围内，kc段入完整基岩10～20m，距起算点n的距离为l5，≮3m，ac段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪等强度足可抵抗表土层gba的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；二开cm段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段eo的厚度，处在岩石移动角δ移动面ne的安全范围内，cm段入目标关键层保护段，距起算点e的距离为l2，≮5m，从m至孔口a，下入套管固孔，冗余安全设计，再次增加ac段抵抗表土层gba的运移破坏；和三开mf段：为定向段，裸孔，注浆层位，孔底f超前e点水平距为l1，取值范围为目标关键层破断距的1/3～1倍；垂距为h3，取值范围为目标关键层破断距的1/3～1倍；f点的定向方位为逆采掘方向且平行于工作面走向。

技术总结

本发明涉及一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法。包括：一开AC段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。AB段处在表土层移动面GN运移区的不安全范围内，BK段处在表土层移动面GN运移区的安全范围内，KC段入完整基岩10～20m，AC段下入套管固孔；二开CM段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段EO的厚度，处在岩石移动角δ移动面NE的安全范围内，从M至孔口A，下入套管固孔；和三开MF段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底F超前E点水平距为L1，垂距为h3，可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段EO随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏。式破坏。式破坏。