本發(fā)明涉及鉆探施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鉆探施工過采空區(qū)的方法。

背景技術(shù)：

鉆探施工是探測地下資源傳統(tǒng)常用的方法。隨著煤炭資源的開發(fā)利用，地質(zhì)鉆孔鉆探逐步從淺部向深部發(fā)展。在鉆探過程中遇到采空區(qū)、巷道、老窯、斷層破碎帶等問題越來越多。使得鉆孔施工作業(yè)的難度增大。如果處理不當(dāng)，鉆孔沖洗液嚴(yán)重漏失，還會導(dǎo)致鉆孔掉塊卡鉆、孔壁坍塌、甚至埋鉆、鉆孔報(bào)廢等嚴(yán)重后果。

為防治不良后果的發(fā)生，維持鉆孔穩(wěn)定，在淺層可以下二層套管。但如果孔深較大，采用全孔二層套管成本太高，存在作業(yè)工期較長，影響工程進(jìn)度。

有鑒于此，提供一種能夠節(jié)約成本、方便施工的鉆探施工過采空區(qū)的方法成為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠節(jié)約成本、方便施工的鉆探施工過采空區(qū)的方法。

本發(fā)明技術(shù)方案提供一種鉆探施工過采空區(qū)的方法，包括如下步驟：

s01：充分收集鉆孔地區(qū)的地質(zhì)資料，了解地層和采空區(qū)的情況，制定鉆孔的施工方案；

s02：采用鉆桿帶動鉆頭向下開孔鉆進(jìn)；

s03：當(dāng)鉆頭穿透采空區(qū)后，停止鉆進(jìn)，并提升鉆頭及鉆桿；

s04：取下鉆頭，將采空區(qū)套管連接在鉆桿上；

通過鉆桿將采空區(qū)套管下移至采空區(qū)的位置，并使采空區(qū)套管的上端位于采空區(qū)的上方，采空區(qū)套管的下端位于采空區(qū)下方；

s05：反轉(zhuǎn)鉆桿，將鉆桿與采空區(qū)套管分離，并提升鉆桿；

s06：向鉆孔內(nèi)澆筑水泥漿，直至水泥漿沒過采空區(qū)套管的上端；

s07：靜置一段時(shí)間，直到水泥漿凝固形成水泥層；

s08：再通過鉆桿帶動鉆頭向下鉆進(jìn)直至穿透水泥層；

s09：對水泥層中的鉆孔進(jìn)行清洗；

s010：繼續(xù)鉆進(jìn)直至鉆頭鉆進(jìn)至煤層底板。

進(jìn)一步地，在所述步驟s02中還包括鉆透位于采空區(qū)上方的松散層的步驟，包括：

s021：當(dāng)鉆頭穿透松散層后，停止鉆進(jìn)，并提升鉆頭及鉆桿，取下鉆頭，將松散層套管連接在鉆桿上；

s022：通過鉆桿將松散層套管下移至松散層的位置，并使松散層套管的上端位于松散層的上方，松散層套管的下端位于松散層下方；

s023：反轉(zhuǎn)鉆桿，將鉆桿與松散層套管分離，并提升鉆桿；

s024：在鉆桿上重新安裝鉆頭，并帶動鉆頭穿過松散層套管繼續(xù)向下鉆進(jìn)。

進(jìn)一步地，在所述步驟s01中預(yù)估采空區(qū)的厚度為h；

在所述步驟s03中還包括：

s031：在鉆進(jìn)過程中使用沖洗液來清洗鉆孔；

s032：估算并設(shè)定沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量閾值；

s033：觀測沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量；

s034：當(dāng)沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量明顯大于消耗量閾值時(shí)，并記錄巖層的位置；

s035：采用泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)，快速向下鉆進(jìn)h+h的距離之后，停止鉆進(jìn)，其中h＞0。

進(jìn)一步地，在所述步驟s034中還包括：

當(dāng)沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量明顯大于消耗量閾值時(shí)，判斷消耗量增加的原因；

如是因出現(xiàn)采動裂隙導(dǎo)致消耗量增加，對采動裂隙堵漏；

如是因處于采空區(qū)而導(dǎo)致消耗量增加，則泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)，快速穿過采空區(qū)。

進(jìn)一步地，當(dāng)對采動裂隙堵漏后，沖洗液的消耗量保持大于消耗量閾值，則判斷鉆頭已經(jīng)鉆進(jìn)采空區(qū)。

進(jìn)一步地，在所述步驟s035中還包括：

通過設(shè)置在鉆機(jī)上的鉆孔電視觀測鉆頭的鉆進(jìn)進(jìn)度；

當(dāng)鉆孔出現(xiàn)明顯的空洞時(shí)，再繼續(xù)往下鉆進(jìn)；

在鉆頭鉆取的巖芯比較完整時(shí)，判斷鉆頭穿過采空區(qū)，停止鉆進(jìn)。

進(jìn)一步地，在所述步驟s09中還包括：

用清水沖洗水泥層中的鉆孔，直至回水清澈。

進(jìn)一步地，在所述步驟s04中還包括：

s041：將兩段采空區(qū)套管通過反向絲扣連接；

s042：在兩段采空區(qū)套管的外壁上焊接連接鋼條；

s043：將上段的采空區(qū)套管與鉆桿通過正向絲扣連接。

進(jìn)一步地，在所述步驟s041中還包括：在兩段采空區(qū)套管的反向絲扣上分別涂覆密封脂。

進(jìn)一步地，在所述步驟s06中：水泥漿沒過采空區(qū)套管的上端1-3m。

采用上述技術(shù)方案，具有如下有益效果：

本發(fā)明提供的鉆探施工過采空區(qū)的方法，采用采空區(qū)套管對采空區(qū)區(qū)域的鉆孔孔壁進(jìn)行保護(hù)，然后再在采空區(qū)套管中澆筑水泥層，再在水泥層中鉆孔，然后繼續(xù)鉆進(jìn)，避免了全孔套管護(hù)壁，既能節(jié)約管材、又能達(dá)到保護(hù)孔壁的目的，同時(shí)可有效節(jié)約工期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中鉆孔、松散層套管、采空區(qū)套管的布置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中采空區(qū)套管與鉆桿的連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。其中相同的零部件用相同的附圖標(biāo)記表示。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“內(nèi)”和“外”分別指的是朝向或遠(yuǎn)離特定部件幾何中心的方向。

結(jié)合圖1-2所示，本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種鉆探施工過采空區(qū)的方法，包括如下步驟：

s01：充分收集鉆孔地區(qū)的地質(zhì)資料，了解地層和采空區(qū)的情況，制定鉆孔的施工方案。

s02：采用鉆桿6帶動鉆頭向下開孔鉆進(jìn)。

s03：當(dāng)鉆頭穿透采空區(qū)3后，停止鉆進(jìn)，并提升鉆頭及鉆桿6。

s04：取下鉆頭，將采空區(qū)套管4連接在鉆桿6上。

通過鉆桿6將采空區(qū)套管4下移至采空區(qū)3的位置，并使采空區(qū)套管4的上端位于采空區(qū)3的上方，采空區(qū)套管4的下端位于采空區(qū)3下方。

s05：反轉(zhuǎn)鉆桿6，將鉆桿6與采空區(qū)套管4分離，并提升鉆桿6。

s06：向鉆孔1內(nèi)澆筑水泥漿，直至水泥漿沒過采空區(qū)套管4的上端。

s07：靜置一段時(shí)間，直到水泥漿凝固形成水泥層。

s08：再通過鉆桿6帶動鉆頭向下鉆進(jìn)直至穿透水泥層。

s09：對水泥層中的鉆孔進(jìn)行清洗。

s010：繼續(xù)鉆進(jìn)直至鉆頭鉆進(jìn)至煤層底板。

本發(fā)明提供的鉆探施工過采空區(qū)的方法，同樣適用于巷道、老窯、斷層破碎帶。

在施工時(shí)，先采用直徑較大的鉆頭，向下鉆進(jìn)形成鉆孔1，鉆孔1應(yīng)該穿透采空區(qū)3。

然后向鉆孔1對應(yīng)采空區(qū)3的位置下采空區(qū)套管4(飛管)，采空區(qū)套管4的長度應(yīng)當(dāng)大于采空區(qū)3緊挨著鉆孔1處的厚度。將采空區(qū)套管4下到位之后，使的采空區(qū)套管4的上端位于采空區(qū)3的上方，采空區(qū)套管4的下端位于采空區(qū)3下方。

然后，通過設(shè)備向鉆孔1內(nèi)澆筑水泥漿，直至水泥漿沒過采空區(qū)套管4的上端。再靜置一段時(shí)間待水泥漿凝固成型，形成水泥層。水泥層可以將采空區(qū)套管4固定在鉆孔內(nèi)。

再通過直徑小于采空區(qū)套管4的直徑的鉆頭向下鉆進(jìn)，并鉆頭水泥層。在水泥層中形成的鉆孔進(jìn)行清洗，以免對后續(xù)鉆孔及觀測造成影響。

然后再采用鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，在采空區(qū)3的下方形成鉆孔2，鉆頭鉆進(jìn)至煤層底板后停止鉆進(jìn)，完成鉆探施工過采空區(qū)的作業(yè)。

在步驟s01中需要預(yù)計(jì)并確定鉆孔的終孔深度、終孔孔徑，確定鉆孔的開孔孔徑及松散層套管的管徑及長度。

預(yù)估需要穿越的采空區(qū)的位置、空洞狀況、長度以及其它礫巖巖層段或破碎巖層的層位及位置、預(yù)采取的護(hù)壁措施，初步確定過采空區(qū)的采空區(qū)套管4的長度及孔徑。

每個(gè)階段可以采用合適的鉆頭鉆進(jìn)。

由此，本發(fā)明提供的鉆探施工過采空區(qū)的方法，采用采空區(qū)套管對采空區(qū)區(qū)域的鉆孔孔壁進(jìn)行保護(hù)，然后再在采空區(qū)套管中澆筑水泥層，再在水泥層中鉆孔，然后繼續(xù)鉆進(jìn)，避免了全孔套管護(hù)壁，既能節(jié)約管材、又能達(dá)到保護(hù)孔壁的目的，同時(shí)可有效節(jié)約工期。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s02中還包括鉆透位于采空區(qū)上方的松散層的步驟，包括：

s021：當(dāng)鉆頭穿透松散層后，停止鉆進(jìn)，并提升鉆頭及鉆桿6，取下鉆頭，將松散層套管5連接在鉆桿6上。

s022：通過鉆桿6將松散層套管5下移至松散層的位置，并使松散層套管5的上端位于松散層的上方，松散層套管5的下端位于松散層下方。

s023：反轉(zhuǎn)鉆桿6，將鉆桿6與松散層套管5分離，并提升鉆桿6。

s024：在鉆桿6上重新安裝鉆頭，并帶動鉆頭穿過松散層套管5繼續(xù)向下鉆進(jìn)。

通過下松散層套管5，可以對鉆孔1對應(yīng)松散層的位置進(jìn)行保護(hù)，避免因松散層塌落影響鉆孔作業(yè)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s01中預(yù)估采空區(qū)的厚度為h。

在所述步驟s03中還包括：

s031：在鉆進(jìn)過程中使用沖洗液來清洗鉆孔。

s032：估算并設(shè)定沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量閾值。

s033：觀測沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量。

s034：當(dāng)沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量明顯大于消耗量閾值時(shí)，并記錄巖層的位置。

s035：采用泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)，快速向下鉆進(jìn)h+h的距離之后，停止鉆進(jìn)，其中h＞0。

如果沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量明顯大于消耗量閾值時(shí)，說明鉆孔中的清洗液泄露，有可能鉆頭已經(jīng)處于采空區(qū)3中。此時(shí)記錄巖層的位置。消耗量閾值可以根據(jù)需要提前估算。

又原先預(yù)估采空區(qū)的厚度為h，則從該泄露處巖層的位置繼續(xù)向下鉆進(jìn)h，則可能已經(jīng)穿透采空區(qū)3。為了保證能夠穿透采空區(qū)3，再繼續(xù)向下鉆進(jìn)h，以確保鉆孔穿透采空區(qū)3。其中h和h可以根據(jù)需要估算和設(shè)定。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s034中還包括：

當(dāng)沖洗液在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量明顯大于消耗量閾值時(shí)，判斷消耗量增加的原因。

如是因出現(xiàn)采動裂隙導(dǎo)致消耗量增加，對采動裂隙堵漏。

如是因處于采空區(qū)3內(nèi)而導(dǎo)致消耗量增加，則采用泥漿繼續(xù)鉆進(jìn)，快速穿過采空區(qū)3。

對采動裂隙堵漏可以采用泥漿鉆進(jìn)、水泥化學(xué)漿堵漏。

通過上述判斷可以判定鉆孔是否進(jìn)入采空區(qū)3內(nèi)，為施工提供了判斷依據(jù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)對采動裂隙堵漏后，沖洗液的消耗量保持大于消耗量閾值，則判斷鉆頭已經(jīng)鉆進(jìn)采空區(qū)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s035中還包括：

通過設(shè)置在鉆機(jī)上的鉆孔電視觀測鉆頭的鉆進(jìn)進(jìn)度。

當(dāng)鉆孔出現(xiàn)明顯的空洞時(shí)，再繼續(xù)往下鉆進(jìn)。

在鉆頭鉆取的巖芯比較完整時(shí)，判斷鉆頭穿過采空區(qū)3，停止鉆進(jìn)。

通過鉆孔電視可以實(shí)時(shí)觀測鉆孔的鉆進(jìn)情況，方便實(shí)時(shí)了解鉆進(jìn)情況。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s09中還包括：用清水沖洗水泥層中的鉆孔，直至回水清澈，以免對后續(xù)通過鉆孔電視進(jìn)行觀測造成影響。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s04中還包括：

s041：將兩段采空區(qū)套管4通過反向絲扣連接。

s042：在兩段采空區(qū)套管4的外壁上焊接連接鋼條7。

s043：將上段的采空區(qū)套管4與鉆桿6通過正向絲扣連接。

反向絲扣為反向螺紋，正向絲扣為正向螺紋，將兩段采空區(qū)套管4通過反向絲扣連接，將上段的采空區(qū)套管4與鉆桿6通過正向絲扣連接，方便反向轉(zhuǎn)動鉆桿6時(shí)，將鉆桿6與采空區(qū)套管4分離。

在兩段采空區(qū)套管4的接口處的外壁上焊接四段長約30cm、寬約3～5cm的鋼條7，避免下管過程中或在鉆桿6與采空區(qū)套管4套管分離時(shí)，兩段采空區(qū)套管4脫落。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s041中還包括：在兩段采空區(qū)套管4的反向絲扣上分別涂覆密封脂，提高密封性能。密封脂為高壓密封脂。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述步驟s06中：水泥漿沒過采空區(qū)套管的上端1-3m，可以保證成型后的水泥層貫通采空區(qū)套管4。

由此，本發(fā)明提供的鉆探施工過采空區(qū)的方法，通過開鉆前對地質(zhì)采礦資料進(jìn)行分析，考慮地層原生裂隙及采空區(qū)空腔，制定詳細(xì)的施工實(shí)施方案及護(hù)壁預(yù)案；在鉆探過程中，為防治鉆孔坍塌、掉塊卡鉆等情況發(fā)生，通過沖洗液消耗量的變化、鉆孔電視的觀測判斷采空區(qū)的位置、長度等工況，從而確定采空區(qū)套管4的長度；從采空區(qū)下部巖層的完整程度和終孔孔徑確定出采空區(qū)套管4的直徑，采空區(qū)套管4間連接采用反向絲扣連接，并在外部焊接鋼條7，提高了連接的穩(wěn)定性。采用鉆桿6把采空區(qū)套管4從孔口下放到采空區(qū)進(jìn)行護(hù)壁，然后采用水泥漿護(hù)管，待水泥凝固后，掃孔、洗孔，然后繼續(xù)鉆進(jìn)，避免全鉆孔采用套管護(hù)壁，既能節(jié)約管材、又能達(dá)到保護(hù)孔壁的目的，同時(shí)可有效節(jié)約工期。

實(shí)施例：

在某煤礦賦存有22煤和42煤兩層采空區(qū)的地面打鉆，探測下層煤42煤采空區(qū)形成過程中覆巖破壞垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育破壞高度。

42煤采深約420m，采厚6.6m，22煤埋深約350m，鉆探過程中需要穿過22煤采空區(qū)，鉆孔需要鉆探到42煤底板。

采用本發(fā)明提供的鉆探施工過采空區(qū)的方法進(jìn)行施工：

1、充分收集該煤礦及工作面以前的地質(zhì)采礦資料，了解到該工作面對應(yīng)的22煤層的22105工作面開采時(shí)間為2014年，采厚為3m，42煤采厚6.6m，采深約420m～427m，根據(jù)地層情況編制了詳細(xì)的鉆孔施工實(shí)施方案。

2、根據(jù)42煤的采深，預(yù)計(jì)鉆孔的終孔深度為430m，開孔孔徑190mm，終孔孔徑94mm。

預(yù)估需要穿越的采空區(qū)底部位置為距孔口350m，采空區(qū)套管4長度約18m，預(yù)估采空區(qū)套管4的孔徑113mm。

3、按照施工方案，采用直徑為的鉆頭開孔鉆進(jìn)。當(dāng)穿透松散層后下長度為43.8m、直徑為的松散層套管，進(jìn)行護(hù)壁。

4、采用的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)過程中采用清水作為沖洗液，并觀測沖洗液液消耗量的變化，當(dāng)鉆進(jìn)至距孔口259.7m時(shí)，沖洗液消耗量明顯增大。分析原因后，認(rèn)為是采動裂隙所致。對采動裂隙堵漏及采用泥漿鉆進(jìn)，往下段鉆進(jìn)時(shí)沖洗液消耗量保持較高的消耗狀態(tài)。

當(dāng)鉆進(jìn)至346m時(shí)，通過鉆進(jìn)過程掉鉆現(xiàn)象、所取巖芯及鉆孔電視觀測，鉆孔出現(xiàn)明顯空洞。

再往下鉆進(jìn)至354m時(shí)，巖芯比較完整，判斷已過22煤采空區(qū)。

再往下鉆進(jìn)2m后停止鉆進(jìn)。

5、為了后續(xù)鉆進(jìn)安全及42煤頂板覆巖觀測的方便，決定按照預(yù)計(jì)采用采空區(qū)套管4穿過采空區(qū)破碎巖層段。

選擇合適尺寸采空區(qū)套管4：根據(jù)鉆孔深度、鉆進(jìn)過程中孔壁的完整程度、巖性及已有資料分析，預(yù)判42煤頂板至356m間范圍內(nèi)不會有需要飛管護(hù)壁的大型空洞巖層。因此，選擇采空區(qū)套管4的孔徑為長度為10m。

采空區(qū)套管4的制作及要求：壁厚不宜小于4mm，直徑為108mm，在相鄰的采空區(qū)套管4之間連接制作成反向倒扣或反向絲扣，上端采空區(qū)套管4與鉆桿6連接處采用正向絲扣連接。

反向絲扣涂有高壓密封脂，接管時(shí)要上滿扣，再在相鄰的兩段采空區(qū)套管4的接口處外壁焊接4段長約30cm、寬約3～5cm的鋼條7，避免下管過程中或鉆桿與采空區(qū)套管分離時(shí)，兩段采空區(qū)套管4脫落。

6、下采空區(qū)套管4：

從孔口通過鉆桿6把準(zhǔn)備好的采空區(qū)套管4下入到鉆孔中。通過鉆桿6把采空區(qū)套管4送入到鉆孔底部。注意下管過程一定要到位，避免因孔壁不光滑，卡頓在孔內(nèi)某一部位。

7、通過反向旋轉(zhuǎn)鉆6，使鉆桿6與采空區(qū)套管4分離，提升鉆桿6。

8、向鉆孔內(nèi)澆筑水泥漿，水泥漿高度要沒過采空區(qū)套管4上部約1～3m的長度，靜置到水泥凝固。

9、待鉆孔內(nèi)的水泥漿凝固后，下鉆掃孔。鉆頭要比采空區(qū)套管4的孔徑小，避免下部鉆進(jìn)時(shí)，采空區(qū)套管4跟隨鉆桿6活動下錯(cuò)。

10、用清水沖洗鉆孔至回水清澈，以免對后續(xù)觀測造成影響。

11、鉆孔清洗后，用直徑為的鉆頭鉆進(jìn)至42煤底板。

根據(jù)需要，可以將上述各技術(shù)方案進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到最佳技術(shù)效果。

以上所述的僅是本發(fā)明的原理和較佳的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上，還可以做出若干其它變型，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種鉆探施工過采空區(qū)的方法，包括如下步驟：S01：收集地質(zhì)資料；S02：開孔鉆進(jìn)；S03：當(dāng)鉆頭穿透采空區(qū)后，停止鉆進(jìn)，并提升鉆頭及鉆桿；S04：通過鉆桿將采空區(qū)套管下移至采空區(qū)的位置；S05：反轉(zhuǎn)鉆桿，將鉆桿與采空區(qū)套管分離，并提升鉆桿；S06：向鉆孔內(nèi)澆筑水泥漿；S07：水泥漿凝固形成水泥層；S08：鉆頭穿透水泥層；S09：對鉆孔進(jìn)行清洗；S010：繼續(xù)鉆進(jìn)直至煤層底板。本發(fā)明公開的鉆探施工過采空區(qū)的方法，采用采空區(qū)套管對采空區(qū)區(qū)域的鉆孔孔壁進(jìn)行保護(hù)，避免了全孔套管護(hù)壁，既能節(jié)約管材、又能達(dá)到保護(hù)孔壁的目的，同時(shí)可有效節(jié)約工期。

技術(shù)研發(fā)人員：楊俊哲;賈林剛;賀安民;王振榮;宋立兵;呂情緒;康健;李鵬;趙立欽;吳作啟;孫慶先

受保護(hù)的技術(shù)使用者：神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司;煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2019.07.15

技術(shù)公布日：2019.10.11