CN101021162A - 覆岩离层注浆充填装置及注浆充填系统 - Google Patents
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Abstract
一种覆岩离层注浆充填装置及应用该装置的注浆填充系统，属注浆充填设施技术领域，用于解决现有覆岩离层注浆充填技术注浆层位少、不能连续注浆、注浆效率低的问题。构成中包括注浆管，注浆管外部套装护壁管，护壁管及注浆管下部排布注浆孔，护壁管包括松散层固井段、基岩护壁段、注浆护壁段，应用中可以使注浆充填装置同时穿透多个离层同时注浆，可根据覆岩层构造层分段设计护壁管直径、长度；以该注浆充填装置及注浆系统构成的应用系统，可形成多点、多层同时作业的全断面注浆方式，使注浆充填形成规模化、规范化施工，确保注浆量，大幅度提高注浆效率并显著降低成本，适宜作为减缓地表沉降、尤其是矿井覆岩离层注浆充填装置及系统使用。
Description
技术领域
本发明涉及减缓地表沉降的注浆装置及系统，尤其是矿井覆岩离层注浆充填装置及注浆充填系统，属注浆充填设施技术领域。
背景技术
地下煤层开采后，覆岩中的原岩应力场遭到破坏，产生附加应力，为达到新的应力平衡，主应力急剧变化、转移，导致覆岩产生移动、变形、断裂、乃至垮落，引起地表下沉，地表下沉将造成农田毁坏、建筑物破坏，对生态环境造成危害。为此，人们常采用下述防范方法：一是在地面采用被动修护或提高建筑物的抗变形能力、或搬迁建筑物，此控制方式效果有限；二是采煤时留置安全保护煤柱或采用“条带法”开采，以作支撑，此方法滞留煤量多，降低了回采率；三是采煤后及时用水力、风力对采空区进行充填，此方法充填密实度差，只能解决薄煤层的开采问题；四是大面积协调逐次开采，使采区地表均匀下沉并始终保持地面水平，此方法对煤层赋存条件要求严格，技术及管理难度大，难以普遍推广；再有就是目前正在推广的覆岩离层注浆充填法。
通过工程观测和实验研究发现，覆岩在移动过程中会出现离层带，即在覆岩移动动态过程中的一定时期内，在导水裂隙带之上，存在着由多个离层构成的、可用于注浆的离层带。
采用在覆岩内部离层带注浆技术来减缓地表沉降的工程控制方法是控制地表沉陷的一种有效的方法，首先由地面向覆岩内打钻孔，由钻孔向离层空间注浆，从而抑制离层空间上方岩体继续破坏。
覆岩离层注浆减缓地表沉降技术是近年来逐渐被推广应用的新的保护矿区地表安全的技术措施。
目前覆岩离层注浆充填技术的不足之处是注浆层位少、不能连续注浆、注浆效率低、一般注采比(注采比为注入物占开采空间的百分比)小于7％，使该项技术不能很好地满足减沉的需要，同时还因成本高难以推广和普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种注浆效率高、成本低的覆岩离层注浆充填装置及注浆充填系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种覆岩离层注浆充填装置，包括注浆管，改进为，在注浆管外部套装护壁管，注浆管与护壁管之间留有空腔，护壁管下部排布有注浆孔。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述注浆管下部也排布有注浆孔。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述护壁管由上至下依次为松散层固井段、基岩护壁段、注浆护壁段，其中：基岩护壁段与注浆护壁段的直相同，松散层固井段的直径大于基岩护壁段的直径，所述护壁管下部的排布孔位于注浆护壁段上。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述基岩护壁段的上缘高于松散层固井段的下缘。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述松散层固井段的直径为190～250毫米；基岩护壁段和注浆护壁段的直径为150～180毫米；注浆管直径为70～120毫米。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述松散层固井段的直径为219毫米，基岩护壁段和注浆护壁段的直径为168毫米；注浆管的直径为108毫米。
上述覆岩离层注浆充填装置，所述松散层固井段的长度为190～250米，基岩护壁段的长度为150～200米，注浆护壁段的长度为80～150米，注浆管的长度大于等于400米。
一种覆岩离层注浆充填系统，包括注浆系统，还包括至少一个上述的覆岩离层注浆充填装置，覆岩离层注浆充填装置设于需填充的覆岩处的钻孔中，并通过输浆管与所述注浆系统连接，所述钻孔穿透覆岩离层带内的多个离层。
上述覆岩离层注浆充填系统，所述覆岩离层注浆充填装置中的注浆管内腔及注浆管与护壁管之间的空腔分别与输浆管连接。
上述覆岩离层注浆充填系统，所述覆岩离层注浆充填装置中的松散层固井段，其外壁与所述钻孔的孔壁之间填充混凝土。
本发明具有以下特点：
1.覆岩离层注浆充填装置采用在注浆管外套装护壁管并在护壁管下部排布注浆孔的创新设计，护壁管和注浆管之间的空腔形成新的注浆通道，通道内灰浆通过护壁管下部的注浆孔分层注出，形成多个注浆点和注浆层，解决了单一注浆管无法实现分层注浆的问题；
2.覆岩离层注浆充填装置中的注浆管下部也排布注浆孔，可全方位源源不断地向护壁管与注浆管之间的空腔补充灰浆，使多个注浆孔连续均匀地分层输出灰浆；
3.覆岩离层注浆充填装置中的护壁管对应覆岩层体构造分为松散层固井段、基岩护壁段、注浆护壁段，方便了护壁管根据具体场所覆岩层体的不同构造层厚分段设计直径、长度；
4.覆岩离层注浆充填系统中，注浆充填装置所在的钻孔穿透离层带内的多个离层并通过输浆管与注浆系统连接，形成多个充填装置同时多点、多层作业的全断面注浆方式，并使注浆充填形成规模化、规范化施工，可通过规模化、规范化施工确保注浆量，大幅度提高注浆效率，并显著降低成本；
5.覆岩离层注浆充填系统中，注浆管内腔、注浆管与护壁管之间的空腔分别与输浆管连接时，可使注浆管内、外的浆液供给更加充分均匀，进一步提高注浆量和注浆效率；
6.覆岩离层注浆充填系统中，松散层固井段外壁与钻孔孔壁之间填充混凝土后，可防止松散层固井段与质地较疏松的松散层之间出现松动间隙，避免浆液上溢，并提高整个护壁管在覆岩离层带钻孔中安置的牢靠度；
本发明适宜作为减缓地表沉降的注浆装置及系统安装使用，尤其适宜作为矿井覆岩离层注浆充填装置及系统使用。
附图说明
图1为覆岩离层注浆充填装置实施例结构示意图；
图2为覆岩离层注浆充填装置设置于矿井覆岩中的应用状态参考图；
图3为覆岩离层注浆充填系统实施例结构示意图。
附图中构件标号分别为：1-松散层固井段，2-注浆管，3-基岩护壁段，4-注浆护壁段，5-注浆孔，A1、A2、A3、A4、A5-离层，H1-松散层层厚，H2-基岩层层厚，H3-覆岩离层层厚，h-基岩护壁段上缘与松散层固井段下缘的高度差，A1、A2、A3、A4、A5-离层1、离层2、离层3、离层4、离层5，H-灰坑，B-中压泵，J-搅拌筒，XJ-蓄浆搅拌池，Z-振动筛，k-溢流口，G-刮板机，P-皮带机，W-稳压装置，X-电厂输浆管路，K1、K2、K3、K4、K5-1号孔、2号孔、3号孔、4号孔、5号孔。
具体实施方式
覆岩离层注浆充填装置较佳的具体实施方式如图1所示，除包括注浆管2外还包括套装的护壁管，注浆管及护壁管下部管壁上的注浆孔5沿管壁轴向间隔排布，灰浆通过注浆孔5充填到矿井覆岩离层中。
覆岩离层注浆减沉技术，即在采煤区的相应地表，向煤层上覆岩层打钻孔，使注浆钻孔穿透多个离层带，然后用柱塞式泥浆泵将粉煤灰或其它的填充材料压人各离层传递带的空隙中，实现高压密实充填，减缓与阻截各离层传递带以上岩层的继续下沉。
如图2、1所示，煤层上覆岩层大体分为三层：自上而下分别为松散层、基岩层、覆岩离层；护壁管也由上而下对应分为松散层固井段1、基岩护壁段3、注浆护壁段4，护壁管下部管壁上的注浆孔5位于注浆护壁段4上，基岩护壁段3与注浆护壁段4直径相同，两段连接为一体，松散层固井段1的直径大于基岩护壁段3的直径，基岩护壁段3的上缘高于松散层固井段下缘，二者最好为分体设置。
参阅图1、2。松散层固井段1的直径最好为190～250毫米，可以为195、208、219、225、238、250毫米等优选直径；基岩护壁段3和注浆护壁段4的直径最好为150～180毫米，可以为159、168、175、180毫米等优选直径；注浆管2的直径为70～120毫米，可以为108毫米等优选直径。一个优选的实施例中，松散层固井段1、基岩护壁段3、注浆护壁段4的直径分别为219毫米、168毫米、108毫米。
如图2所示，覆岩离层注浆充填装置在使用时，首先要由地面向覆岩内打钻孔，然后将注浆充填装置敷设于钻孔中，再通过注浆充填装置向覆岩离层中注浆。钻孔直径要大于护壁管直径，其中，松散层固井段1与孔壁之间采用混凝土固井，基岩护壁段3和注浆护壁段4与孔壁之间则不必填充固井剂。
仍参阅图2。松散层固井段1、基岩护壁段3、注浆护壁段4的长度根据松散层层厚H1，基岩层层厚H2，覆岩离层层厚H3来确定，一般可分别为190～250米、150～200米、80～150米；注浆管2的长度为上述三段长度之和，一般大于等于400米，直插到孔底。
下面以一个具体实施例说明覆岩离层注浆充填装置应用中钻孔敷设的施工方法及各管段长度的确定，以及护壁管直径与钻孔直径的优选尺寸：
松散层固井段1：根据“岳一2号”钻孔柱状，确定松散层厚H1为180m，基岩风化带厚20～30m，由此确定松散层固井段1的长度为220m。采用φ219×8mm的普通无缝钢管，通过丝扣连接，钻孔孔径按φ244mm，管壁与孔壁直径填充混凝土固井。
基岩护壁段3与注浆护壁段4：松散层设管固井完成后，按钻孔直径φ190和设计孔深，钻进至孔底。测得基岩层层厚H2为177m，覆岩离层层厚H3为114m。因此孔深为220m+177m+114m＝511m。
然后下护壁管，采用φ168×8mm普通无缝钢管，丝扣联接，钢管直接放在钻孔孔底上，而且不进行水泥固井。
基岩护壁段3钢管的上缘一般要高于松散层固井段1的底边，高度差为h。其总长度为：孔深减去松散层固井段长度再加上h，h一般为3至7m，最好为5m，即基岩护壁段3钢管的上缘高出松散层固井段底边5m。基岩护壁段3与注浆护壁段4的总长度为511m-220m+5m＝296m。
其中注浆钻孔最下部为注浆段，注浆护壁段4的长度为114m，该段护壁钢管的管壁上布置注浆孔，基岩护壁段3的管壁上则不需开孔。
注浆管2：使用φ108×7mm钢管，箍联接，最下部的10m的管壁上开注浆孔，直接放到钻孔孔底。
钻孔施工中的主要技术要求包括：
在松散层中无岩芯钻进，泥浆护壁，不做水文地质观测；
在松散层固井段，采用525#水泥固井；
基岩段，清水钻进，按《水文地质钻探规定》进行简易水文地质观测，重点观测水位变化、冲洗液消耗量、涌水或漏水段位置及其大小；
尽量保持钻孔铅垂方向，减少偏斜；
做好地层岩芯鉴别与编录工作，提交钻孔地质柱状图。
注浆管与护壁管都敷设完毕后就可以连接供浆系统，并对矿井覆岩离层进行注浆充填了。
参阅图3。本发明的覆岩离层注浆充填系统的具体实施方式是，包括现注浆系统，还包括至少一个上述的覆岩离层注浆充填装置，覆岩离层注浆充填装置设于需填充的覆岩处的钻孔中，并通过输浆管与所述注浆系统连接，钻孔穿透覆岩离层带内的多个离层。
如图3所示，包括K1～K5既1号孔至5号孔共五个钻孔，根据需要也可以设多个钻孔，每个钻孔内设置一个矿井覆岩离层注浆充填装置，该装置中的注浆管内腔、注浆管与护壁管之间的空腔分别与输浆管连接，注浆系统包括供浆系统和加压泵站，灰浆为粉煤灰稀浆，灰浆粒度小于等于3毫米。
下面以图3所示的具体实施例具体描述一下注浆装置的具体结构和工作原理，注浆系统主要由三部分组成：供浆系统、加压泵站、输浆管。
其中，供浆系统的主要工艺流程有：
皮带机P从灰坑H中将粉煤灰运出，装入搅拌桶J；
由火电厂通过管路X输送来的粉煤灰稀浆，先注入分流桶F，而后部分浆液注入搅拌桶，多余灰浆流入灰坑；
在搅拌桶中按注浆要求容重调和好灰浆，再经过振动筛Z去除大颗粒，而后流入泵站厂房内的蓄浆搅拌池XJ，调和好的灰浆粒度小于等于3mm。
加压泵站主要包括：中压泵或高压泵B、蓄浆搅拌池XJ及稳压装置W等组成。图3所示的泵站内现配备有中压泵B共7台：TBW-1200/7B中压泵4台，压力7MPa，排浆量72m3/h。TBW-850/50中压泵3台，压力5MPa，排浆量51m3/h。
输浆管：
输浆管共有3条：φ114×7.37管路2条，φ140×7.72管路1条。
其中，中压泵或高压泵及输灰管的配置，可以根据需要增加或减少。如果综放面需要的注浆量和注浆强度(单位时间注浆量)较大，为了有效保障综放面以及其它面总注浆量，有效解决相邻两孔同时注浆时输浆管路能力不足问题，可以再铺设一条φ114×7.37的管路。还可以更换稳压效果更好的稳压装置，减弱输浆管路的脉冲振动。
另外，加压泵站安装有浆液流量、压力和容重监测仪表等仪器。
输浆管与每一个覆岩离层注浆充填装置的连接都为两路连接。其中，一路与注浆管内腔连接，一路与注浆管和护壁管之间的空腔连接。使注浆管内外同时注浆，这样整个钻孔全断面注浆，有利于提高注浆量。
如图2所示，本发明的矿井覆岩离层注浆充填系统，采用多层位注浆。通过一个注浆钻孔穿透离层带内的多个离层，图中有A1～A5共五个离层，设计成可以同时向多个离层注浆的钻孔结构。
注浆过程中采用连续注浆的方式。一方面是注浆工艺上，不再定期停泵冲洗管路与钻孔，另一方面是通过提高电源、注浆泵、管路和供浆系统的可靠性和采用多层位注浆技术，实现注浆施工的长期连续运行。
另外，采用注浆管内外同时注浆的全断面注浆方式，这样整个钻孔全断面注浆，有利于提高注浆量。在连续注浆的条件下，浆液浓度可以提高到1.16-1.18g/cm3。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种覆岩离层注浆充填装置，包括注浆管，其特征在于，在注浆管外部套装护壁管，注浆管与护壁管之间留有空腔，护壁管下部排布有注浆孔。
2.根据权利要求1所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述注浆管下部也排布有注浆孔。
3.根据权利要求2所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述护壁管由上至下依次为松散层固井段、基岩护壁段、注浆护壁段，其中：基岩护壁段与注浆护壁段的直相同，松散层固井段的直径大于基岩护壁段的直径，所述护壁管下部的排布孔位于注浆护壁段上。
4.根据权利要求3所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述基岩护壁段的上缘高于松散层固井段的下缘。
5.根据权利要求3或4所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述松散层固井段的直径为190～250毫米；基岩护壁段和注浆护壁段的直径为150～180毫米；注浆管直径为70～120毫米。
6.根据权利要求5所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述松散层固井段的直径为219毫米，基岩护壁段和注浆护壁段的直径为168毫米；注浆管的直径为108毫米。
7.根据权利要求3或4所述的覆岩离层注浆充填装置，其特征在于，所述松散层固井段的长度为190～250米，基岩护壁段的长度为150～200米，注浆护壁段的长度为80～150米，注浆管的长度大于等于400米。
8.一种覆岩离层注浆充填系统，包括注浆系统，其特征在于，还包括至少一个如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的覆岩离层注浆充填装置，覆岩离层注浆充填装置设于需填充的覆岩处的钻孔中，并通过输浆管与所述注浆系统连接，所述钻孔穿透覆岩离层带内的多个离层。
9.根据权利要求8所述的覆岩离层注浆充填系统，其特征在于，所述覆岩离层注浆充填装置中的注浆管内腔及注浆管与护壁管之间的空腔分别与输浆管连接。
10.根据权利要求8或9所述的覆岩离层注浆充填系统，其特征在于，所述覆岩离层注浆充填装置中的松散层固井段，其外壁与所述钻孔的孔壁之间填充混凝土。
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