CN119004578B - 一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采矿工程中煤岩体高压注浆加固堵水领域，具体涉及一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法，包括确定极限注浆压力及固井套管级数，确定各级固井套管的直径参数及与其配套的固井钻孔施工尺寸；依据固井结构所能承受的极限注浆压力以及固井结构的固井套管级数和直径确定各级固井套管的长度；安装固井结构与注浆管，进行多级固管反渗透高压注浆。本发明基于对多级固管反渗透高压注浆的受力分析，给出了确定固井套管长度与固井套管级数的方法，避免在破碎煤岩体或软弱煤岩体内高压注浆时注浆压力过大造成固井套管喷出问题，避免固井套管长度选择不足造成浆液外漏的问题，避免固井套管长度选择过大造成材料浪费的问题。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程中煤岩体高压注浆加固堵水领域，具体涉及一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法。
背景技术
注浆也称灌浆，是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照一定的浓度，用注浆设备或浆液自重对之施加压力，使浆液通过钻孔注入到层段中的一种施工技术。其实质是使浆液在受注层中渗透、充填、扩散，经过一定时间后使其凝固和硬化，从而达到对受注层加固和抗渗防水的目的。注浆方法按用途可分为加固注浆、堵水注浆、充填注浆，本发明主要用于加固注浆和堵水注浆领域。
矿井注浆堵水是将水泥浆液或化学浆液通过钻孔压入井下岩层的空隙、裂隙中，经过一定时间后凝固和硬化，从而使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，是矿井防治水害的重要手段之一。
矿井注浆加固是一种针对易破碎松软煤岩体的加固技术，它是向煤岩体内加注固化材料浆液，通过浆液充填并固结松软煤岩体中的裂隙面来提高注浆段周围煤体的强度增加煤岩体黏结性、抗压性及塑性，达到加固煤岩体、增加端面距的稳定性和延长稳定时间、提高煤岩体的整体强度、减少片帮冒顶的发生几率的目的。
过去矿井注浆加固、堵水多采用化学浆液，因为化学浆液的扩散性好、凝固时间短并且能够快速升压，所以不需要较高的注浆压力就能达到注浆目的；由于化学浆液的污染性和积热性，化学浆的使用受到限制，水泥基料浆得到广泛应用，为达到良好的注浆加固效果，往往采用高压注浆方式。
现有的矿井高压注浆技术通常采用单级固井套管对煤岩体进行注浆堵水与加固，但是在破碎、软弱煤岩体中，由于煤岩体的强度低、黏聚力低、承载能力差，如果注浆压力过高就会增加由于高压注浆所造成煤岩体被破坏和固井套管喷出以及浆液外漏的几率。所以发明一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法，通过使用多级固井固管，将固井浆液注入固井套管与固井钻孔之间的孔隙，增加固井套管周围煤岩体抵抗破坏的能力，并通过反渗透高压注浆实现加固或堵水具有重要意义。
但是现有技术中并未对多级固井套管如何选定几级固井套管以及如何确定固井套管尺寸给予建议，这使得本领域技术人员选取时更多依靠经验，若固井套管长度选择不足易造成煤岩体破坏、固井套管喷出以及浆液外漏的问题，若固井套管长度选择过大易造成材料浪费问题。
发明内容
为了解决或缓解高压注浆造成的煤岩体破坏、固井套管喷出以及浆液外漏的问题，同时解决多级固井套管高压注浆时固井套管级数以及长度选择缺乏依据的问题，本发明提出一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法，采用多级固井套管高压注浆，并基于力学分析给出了固井套管级数以及长度选择的方法，具体包括如下步骤：
步骤一：确定煤岩体高压注浆所需的注浆压力P 0，取一定的安全系数，确定高压注浆钻孔的固井结构所能承受的极限注浆压力P；当3MPa≤P≤5MPa，采用两级固井结构，当P＞5MPa，采用三级固井结构；
步骤二：确定各级固井套管的直径参数及与其配套的固井钻孔施工尺寸；
步骤三：依据固井结构所能承受的极限注浆压力P以及固井结构的固井套管级数和直径确定各级固井套管的长度，使其满足：
式中，R 1为最外级固井套管所对应的固井钻孔半径；R i为最内级固井套管所对应的固井钻孔半径；L 1为最外级固井套管及其所对应的固井钻孔长度；L i为最内级固井套管及其所对应的固井钻孔长度；C为固井结构处煤岩体的粘聚力，φ为固井结构处煤岩体内摩擦角；
步骤四：安装固井结构与注浆管，进行多级固管反渗透高压注浆。
优选的，步骤一中，所述安全系数为1.2~1.5。
优选的，步骤二中，当采用两级固井结构时，最外级固井套管的直径为153mm，对应固井钻孔直径为180mm，最内级固井套管的直径为94mm，对应固井钻孔直径为133mm。
优选的，步骤二中，当采用三级固井结构时，最外级固井套管的直径为180mm，对应固井钻孔直径为210mm，中级固井套管的直径为133mm，对应固井钻孔直径为160mm，最内级固井套管的直径为89mm，对应固井钻孔直径为120mm。
优选的，步骤三中，当采用三级固井套管时，中级固井套管所对应的固井钻孔长度不超过最内级固井套管的固井钻孔底角和最外级固井套管的固井钻孔底角的连线。
优选的，步骤四具体包括：a.施工最外级固井钻孔并在其中心位置安装最外级固井套管，注入固井浆液固定最外级固井套管；
b.若采用三级固井结构执行本步骤，若采用两级固井结构跳过本步骤执行步骤c，施工中级固井钻孔并在其中心位置安装中级固井套管，注入固井浆液固定中级固井套管；
c.施工最内级固井钻孔并在其中心位置安装最内级固井套管，注入固井浆液固定最内级固井套管；
d.施工高压注浆钻孔，安装封孔法兰盘，在封孔法兰盘中心安装注浆管，注浆管管底距离高压注浆钻孔孔底一定距离；打开阀门，进行反渗透高压注浆。
本发明的有益技术效果为：1.本发明根据不同的注浆压力选定固井套管级数，采用多级固井套管高压注浆，在固井套管与固井钻孔之间注入固井浆液对固井套管进行加固；之后将注浆管伸入高压注浆钻孔中，并在注浆管管底与高压注浆钻孔孔底留有一定距离，使浆液回流并充满高压注浆钻孔后均匀扩散进煤岩体裂隙中实现加固与堵水。
2.本发明基于对多级固管反渗透高压注浆的受力分析，给出了确定固井套管长度与固井套管级数的方法，避免固井套管长度选择不足造成煤岩体破坏、固井套管喷出以及高压注浆时浆液外漏的问题，避免固井套管长度选择过大造成材料浪费的问题。
附图说明
图1是本发明多级固管反渗透高压注浆浆液流动示意图；
图2是本发明多级固管反渗透高压注浆受力分析示意图；
图3是本发明多级固管反渗透高压注浆固井套管对应的固井钻孔尺寸示意图；
图中，1、最外级固井套管；2、最内级固井套管；3、注浆管；4、阀门；5、高压注浆钻孔；6、封孔法兰盘；7、剪切破坏面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细的说明。
本发明提出的一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法，如图1-3所示，包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，根据煤岩体强度、裂隙发育情况，加固或堵水需求确定该煤岩体高压注浆所需的注浆压力P 0；为了保证高压注浆的安全性，避免出现固井套管喷出以及高压注浆时浆液外漏的问题，取一定的安全系数，确定高压注浆钻孔5的固井结构所能承受的极限注浆压力P，P=（1.2~1.5）P 0；依据固井结构所能承受的极限注浆压力P确定固井结构中固井套管的级数；当P＜3MPa，极限注浆压力较小，无需设置多级固井套管，设置一级固井结构即可，不在本发明讨论的范畴；当3MPa≤P≤5MPa，采用两级固井结构，当P＞5MPa，采用三级固井结构；
煤岩体高压注浆所需的注浆压力P 0越高，固井结构被破坏的可能性就越大，随着固井套管级数的增加固井结构抵抗破坏的能力增加，即固井结构所能承受的极限注浆压力P增加，高压注浆加固或堵水更加稳定。
步骤二：如图1、图3所示，确定固井套管的直径参数及与其配套的固井钻孔施工尺寸；当采用两级固井结构时，最外级固井套管（一级固井套管）1的直径为153mm，对应固井钻孔直径为180mm，最内级固井套管2（二级固井套管）的直径为94mm，对应固井钻孔直径为133mm；
当采用三级固井结构时，最外级固井套管（一级固井套管）1的直径为180mm，对应固井钻孔直径为210mm，中级固井套管（二级固井套管）的直径为133mm，对应固井钻孔直径为160mm，最内级固井套管2（三级固井套管）的直径为89mm，对应固井钻孔直径为120mm；
上述固井套管尺寸皆为标准尺寸，选材方便，无需加工特殊直径的固井套管；
步骤三：依据固井结构所能承受的极限注浆压力P以及固井结构的固井套管级数和直径确定各级固井套管的长度；
如图2所示，为多级固管反渗透高压注浆时固井结构受力图，取一定的安全系数，高压注浆时注浆压力取极限注浆压力P，固井结构承受包括垂直于高压注浆钻孔5孔壁即沿高压注浆钻孔5径向向外的力P 2，以及垂直于封孔法兰盘6即沿高压注浆钻孔5轴向向外的力P 1；P 1=P 2=P；
根据极限注浆压力P应不大于固井结构的最大承受能力，即固井结构处（主要指固井结构中经固井注浆加固后的煤岩体，固井注浆特指注浆固定固井套管的注浆，指在固井套管外壁与固井钻孔之间的注浆，固井注浆时固井浆液会对固井钻孔周围煤岩体形成加固，区别于反渗透高压注浆）承受的剪应力τ小于其抗剪强度τ 0，τ＜τ 0；
根据莫尔库伦强度准则可知固井结构处煤岩体的抗剪强度τ 0与正应力的关系为：
式中，σ为固井结构剪切破坏面7处煤岩体的正应力，C为固井结构处煤岩体的粘聚力，φ为固井结构处煤岩体内摩擦角；
如图2所示，固井结构发生剪切破坏的面为最内级固井套管2的固井钻孔底角和最外级固井套管1的固井钻孔底角的连线；α为剪切破坏面7和高压注浆钻孔5轴向的夹角；基于多级固管反渗透高压注浆时固井结构的受力图，可以得到
进而得出固井结构的抗剪强度计算公式为：
如图2所示，基于多级固管反渗透高压注浆时固井结构的受力图，固井结构中经固井注浆后的固井结构处煤岩体实际承受的剪应力为
如图2-3所示，cosα和sinα可由固井套管的长度和半径表示
由τ＜τ 0可得
式中，R 1为最外级固井套管1所对应的固井钻孔半径；R i为最内级固井套管2所对应的固井钻孔半径；L 1为最外级固井套管1及其所对应的固井钻孔长度；L i为最内级固井套管2及其所对应的固井钻孔长度；
需说明，图1-3中仅示意出最外级固井套管1以及最内级固井套管2，当采用两级固井套管时，固井结构即为图1-图3所示形式，当采用三级固井套管时，在最外级固井套管1以及最内级固井套管2之间还有一个中级固井套管，且该中级固井套管及其所对应的固井钻孔长度不超过剪切破坏面7处；
基于上述公式确定最外级固井套管1的长度L 1以及最内级固井套管2的长度L i，若采用三级固井套管时，选择中级固井套管的长度使其所对应的固井钻孔长度不超过剪切破坏面7处；
步骤四：安装固井结构与注浆管3，进行多级固管反渗透高压注浆；
如图1-3所示，a.根据最外级固井套管1所对应的固井钻孔半径R 1和长度L 1在煤岩体中施工最外级固井钻孔；在最外级固井钻孔中心位置安装最外级固井套管1；在最外级固井套管1与最外级固井钻孔之间注入固井浆液固定最外级固井套管1；
b.若采用三级固井结构执行本步骤，若采用两级固井结构跳过步骤b执行步骤c，根据中级固井套管所对应的固井钻孔半径和长度在煤岩体中施工中级固井钻孔；在中级固井钻孔中心位置安装中级固井套管；在中级固井套管与中级固井钻孔之间注入固井浆液固定中级固井套管；
c.根据最内级固井套管2所对应的固井钻孔半径R i和长度L i在煤岩体中施工最内级固井钻孔；在最内级固井钻孔中心位置安装最内级固井套管2；在最内级固井套管2与最内级固井钻孔之间注入固井浆液固定最内级固井套管2；
d.施工高压注浆钻孔5至设计深度，高压注浆钻孔5、各级固井钻孔、各级固井套管共中心轴线；安装封孔法兰盘6，采用螺栓连接封孔法兰盘6与各级固井套管；在封孔法兰6中心安装注浆管3，注浆管3管底距离高压注浆钻孔5孔底一定距离；打开阀门4，进行反渗透高压注浆。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (5)
1.一种煤岩体钻孔多级固管反渗透高压注浆方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：确定煤岩体高压注浆所需的注浆压力P 0，取安全系数，确定高压注浆钻孔的固井结构所能承受的极限注浆压力P；当3MPa≤P≤5MPa，采用两级固井结构，当P＞5MPa，采用三级固井结构；
步骤二：确定各级固井套管的直径参数及与其配套的固井钻孔施工尺寸；
步骤三：依据固井结构所能承受的极限注浆压力P以及固井结构的固井套管级数和直径确定各级固井套管的长度，使其满足：
，
式中，R 1为最外级固井套管所对应的固井钻孔半径；R i为最内级固井套管所对应的固井钻孔半径；L 1为最外级固井套管及其所对应的固井钻孔长度；L i为最内级固井套管及其所对应的固井钻孔长度；C为固井结构处煤岩体的粘聚力，φ为固井结构处煤岩体内摩擦角；
步骤四：a.施工最外级固井钻孔并在其中心位置安装最外级固井套管，注入固井浆液固定最外级固井套管；
b.若采用三级固井结构执行本步骤，若采用两级固井结构跳过本步骤执行步骤c，施工中级固井钻孔并在其中心位置安装中级固井套管，注入固井浆液固定中级固井套管；
c.施工最内级固井钻孔并在其中心位置安装最内级固井套管，注入固井浆液固定最内级固井套管；
d.施工高压注浆钻孔，安装封孔法兰盘，在封孔法兰盘中心安装注浆管，注浆管管底与高压注浆钻孔孔底留设间距；打开阀门，进行反渗透高压注浆。
2.根据权利要求1所述的多级固管反渗透高压注浆方法，其特征在于，步骤一中，所述安全系数为1.2~1.5。
3.根据权利要求1所述的多级固管反渗透高压注浆方法，其特征在于，步骤二中，当采用两级固井结构时，最外级固井套管的直径为153mm，对应固井钻孔直径为180mm，最内级固井套管的直径为94mm，对应固井钻孔直径为133mm。
4.根据权利要求1或3所述的多级固管反渗透高压注浆方法，其特征在于，步骤二中，当采用三级固井结构时，最外级固井套管的直径为180mm，对应固井钻孔直径为210mm，中级固井套管的直径为133mm，对应固井钻孔直径为160mm，最内级固井套管的直径为89mm，对应固井钻孔直径为120mm。
5.根据权利要求1所述的多级固管反渗透高压注浆方法，其特征在于，步骤三中，当采用三级固井套管时，中级固井套管所对应的固井钻孔长度不超过最内级固井套管的固井钻孔底角和最外级固井套管的固井钻孔底角的连线。
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