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专利名称：近距离煤层群采空区堵漏钻探方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310985055.1

专利申请（专利权）人：内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司老公营子煤矿,中煤科工开采研究院有限公司
权利人地址：内蒙古自治区赤峰市元宝山区平庄镇哈河街中段

专利发明（设计）人：李国志,高超,吕廷民,尹希文,王立兵,王富成,邓伟男,张凯,李吉军,侯敬民,李伟,田国灿,曲国文,王强,吴君飞

专利摘要：本发明提供一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，基于松动圈理论确定钻孔的孔壁围岩扰动影响范围；通过浆液喷射试验，确定钻孔中浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量，使得浆液的喷射范围达到孔壁围岩扰动影响范围；根据试验结果配置浆液并调整注浆泵压力，在钻头上装设特制喷射嘴直径的喷射嘴；在使用钻头钻进的过程中，通过可调整注浆压力的注浆泵控制浆液通过喷射嘴喷射至采空区及破碎岩体内，形成稳定空间后，实现高压注浆喷射法过采空区的工艺。本发明通过在钻头上部装置喷射嘴，以高压喷射的方式实现了边进行钻探作业边等候浆液和钻孔周侧的岩块凝固形成胶结体，节省了过采空区的地质钻探时间和成本。

主权利要求：
1.一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，包括：
基于松动圈理论确定钻孔的孔壁围岩扰动影响范围；
通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，所述注浆泵压力大于预设阈值；
根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整；
在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射。
2.根据权利要求1所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量包括：在所述钻孔所在的地质环境下进行浆液喷射试验，确定不同喷射嘴直径、不同浆液浓度和不同浆液粒度下，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围所需的注浆泵压力和浆液消耗量。
3.根据权利要求2所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择一组数据，每组数据包括喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量；
根据选择的所述一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；
在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择另一组数据；
根据选择的所述另一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；
其中，所述一组数据中的注浆泵压力大于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述一组数据中的浆液浓度小于所述另一组数据中的浆液浓度，所述一组数据中的浆液粒度小于所述另一组数据中的浆液粒度。
4.根据权利要求3所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长；
在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长。
5.根据权利要求1?4任一所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：监测所述钻孔内膨润土浆液的液面变化幅度；
在所述液面变化幅度小于预设阈值的情况下，获知喷射的所述浆液的粘阻力等于所述钻孔内膨润土浆液的压力，喷射的所述浆液保持在原喷射位置，控制所述钻头对所述钻孔继续钻进；
在所述液面变化幅度大于或等于所述预设阈值的情况下，对所述钻孔的当前钻探位置之上预设范围内的钻进段进行再次浆液喷射，直到所述液面变化幅度小于所述预设阈值。
6.根据权利要求1?4任一所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：在所述钻孔通过当前采空区后，向所述钻孔内补充膨润土浆液，以保护所述钻孔的孔壁稳定性。
7.根据权利要求1?4任一所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：在所述钻孔通过当前采空区进入所述当前采空区的下一个采空区时，在所述钻孔中对所述当前采空区进行相同工艺的再次浆液喷射。
8.根据权利要求1?4任一所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述喷射嘴可拆卸式固定连接在所述钻头上部。
9.根据权利要求1?4任一所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，在所述通过调整后的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之前，还包括：使用软塞对所述喷射嘴进行堵塞；
在所述注浆泵压力的作用下，所述软塞被挤压出所述喷射嘴。
10.根据权利要求9所述的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，其特征在于，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：在所述钻孔通过当前采空区后，将所述喷射嘴及所述钻头从所述钻孔提出；
对所述喷射嘴再次进行预堵塞后，将所述钻头放入所述钻孔，并对所述钻孔继续进行钻进。 说明书 : 近距离煤层群采空区堵漏钻探方法技术领域[0001] 本发明涉及采空区治理技术领域，尤其涉及一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法。背景技术[0002] 地下煤矿开采后，上部岩层逐渐弯曲变形，当达到其强度极限时，将破断垮落进入采空区，在竖向划分为岩块不规则排列的垮落带、孔隙裂隙发育的裂缝带、以弯曲下沉为主的弯曲下沉带，即称之为“三带”。在煤矿采空区勘察、移动变形监测以及下部非稳定性空间注浆治理过程中，需要对“三带”进行地质钻探。[0003] 目前最常见的技术手段主要有两类：一类对采空区内破碎岩块进行水泥注浆凝固，使之改造形成一层较为完整的岩体，后续在浆液?岩块凝固体中钻进；另一类是在破碎岩体中进行钢性套管保护孔壁，防止孔壁表面的破碎岩块掉落的卡钻现象，继而实现破碎岩体套管保护条件下的钻探技术。[0004] 对于第一类注浆法过采空区钻探技术，需要在采空区内大范围注浆加固，并等待浆液凝固后钻探，需要注浆的面积大，等待注浆的时间长，导致此种技术地质钻探的成本高且用时长。[0005] 对于第二类跟管钻进技术，需要预先设计套管级数，若套管级数设计不够，则该工艺不能钻探至设计层位、导致采空区钻探孔无效，此种技术需要的工艺较为复杂，且钻探过程用时长。[0006] 因此，对采空区“三带”的地质钻探技术仍是需要解决的技术问题。发明内容[0007] 本发明提供一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，用以解决现有技术中对采空区“三带”进行地质钻探的施工成本高，用时长的缺陷，实现一种简单易行、可操作性高且能实现多煤层采空区与不同孔隙赋存的采空区安全钻探技术。[0008] 本发明提供一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，包括：[0009] 基于松动圈理论确定钻孔的孔壁围岩扰动影响范围；[0010] 通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，所述注浆泵压力大于预设阈值；[0011] 根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整；[0012] 在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射。[0013] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量包括：[0014] 在所述钻孔所在的地质环境下进行浆液喷射试验，确定不同喷射嘴直径、不同浆液浓度和不同浆液粒度下，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围所需的注浆泵压力和浆液消耗量。[0015] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：[0016] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择一组数据，每组数据包括喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量；[0017] 根据选择的所述一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；[0018] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择另一组数据；[0019] 根据选择的所述另一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；[0020] 其中，所述一组数据中的注浆泵压力大于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述一组数据中的浆液浓度小于所述另一组数据中的浆液浓度，所述一组数据中的浆液粒度小于所述另一组数据中的浆液粒度。[0021] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：[0022] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长；[0023] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长。[0024] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0025] 监测所述钻孔内膨润土浆液的液面变化幅度；[0026] 在所述液面变化幅度小于预设阈值的情况下，获知喷射的所述浆液的粘阻力等于所述钻孔内膨润土浆液的压力，喷射的所述浆液保持在原喷射位置，控制所述钻头对所述钻孔继续钻进；[0027] 在所述液面变化幅度大于或等于所述预设阈值的情况下，对所述钻孔的当前钻探位置之上预设范围内的钻进段进行再次浆液喷射，直到所述液面变化幅度小于所述预设阈值。[0028] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0029] 在所述钻孔通过当前采空区后，向所述钻孔内补充所述膨润土浆液，以保护所述钻孔的孔壁稳定性。[0030] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0031] 在所述钻孔通过当前采空区进入所述当前采空区的下一个采空区时，在所述钻孔中对所述当前采空区进行再次浆液喷射。[0032] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述喷射嘴可拆卸式固定连接在所述钻头上。[0033] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，在所述通过调整后的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之前，还包括：[0034] 使用软塞对所述喷射嘴进行堵塞；[0035] 在所述注浆泵压力的作用下，所述软塞被挤压出所述喷射嘴。[0036] 根据本发明提供的一种近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0037] 在所述钻孔通过当前采空区后，将所述喷射嘴及所述钻头从所述钻孔提出；[0038] 对所述喷射嘴再次进行预堵塞后，将所述钻头放入所述钻孔，并对所述钻孔继续进行钻进。[0039] 本发明提供的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，通过在钻头上装置喷射嘴，在钻进钻孔的同时实现对钻孔孔壁喷射注浆，并通过浆液喷射试验预先确定合适的喷嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、浆液消耗量和注浆泵压力，使得喷射注浆的范围大于钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，在钻孔的同时实现对钻孔孔壁周围松动围岩的加固，缩短了对采空区地质钻探的施工周期，并通过确定合适的钻孔的孔壁围岩扰动影响范围降低了地质钻探时注浆的成本。附图说明[0040] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0041] 图1是本发明提供的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法的流程示意图之一；[0042] 图2是本发明提供的近距离煤层群采空区堵漏钻方法中主要用于展示钻头和喷射嘴的结构示意图。具体实施方式[0043] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0044] 首先对以下内容进行介绍：[0045] 由于“三带”具有其自身特性，在煤矿采空区勘察、移动变形监测以及下部非稳定性空间注浆治理过程中，需要考虑技术可行、经济有效的过单层采空钻探工艺，甚至过近距离多层采空区的钻探工艺，对“三带”进行地质钻探，进而为解决不同地质采矿条件赋存的采空区勘察、覆岩移动变形监测孔施工、下部非稳定空间注浆治理问题提供技术支撑。[0046] 目前常见的两种技术手段为注浆法过采空区钻探技术和跟管钻进技术，后续部分学者基于该两类也技术进行了部分扩展及改进。[0047] 其中，注浆法过采空区钻探技术可实现垮落带及裂缝带范围内较大面积破碎岩土体的完整性加固，并在水泥凝固后，在浆液?岩块凝固完整岩层内继续钻进，实现单层采空区、远距离多煤层采空区的钻进。然而对于空间较大、残留空间较大的房柱式采空区或者较厚煤层采空区钻探工艺适用性较差。为此众学者提出了高浓度浆液形成锥形体可实现单层厚煤层采空区或相互不影响的多层采空区钻探施工。但常规注浆法过采空区钻探技术及衍生出的高浓度浆液台柱式过采空区钻探技术对于近距离煤层采空区的施工成本将大幅增加且工期将大幅延长。[0048] 跟管钻进技术适用于表土层及破碎岩体钻进，但不适用于存在较大的连通性采煤空间致使浆液漏失的地层条件，否则在孔内无循环浆液条件下，将不能安全钻探施工。套管?固管钻探技术需要钻孔钻进一定深度后，安装套管，并于壁外采用水泥浆液锚固，待浆液凝固后，即可实现破碎岩体的继续钻进，并能避免套管之上的浆液漏失现象。然而该技术对于多层采空区需要对应的套管级数进行孔壁的保护，同时对于厚煤层、尤其特厚煤层开采的一层采空区，也需要多级套管保护方能穿过该较厚煤层采空区，工艺较为复杂，施工周期较长。甚至该工艺往往因为套管级数设计不够(一般套管级数等于采空区数目加一)，而导致采空区钻探孔的无效。[0049] 因此，仍然需要一种成本较低、作业时间较短的采空区地质钻探方法。[0050] 下面结合图1?图2描述本发明的近距离煤层群采空区堵漏钻探方法，包括：[0051] 步骤101，基于松动圈理论确定钻孔的孔壁围岩扰动影响范围；[0052] 在对煤层群采空区进行堵漏钻探前，还需要结合矿井各煤层的采掘工程平面图、井上下对照图及各煤层工作面的采煤工艺进行地面采空区勘察孔设计并编写钻探实施方案。[0053] 其中，采煤工艺包括房柱式开采、巷式开采、炮采、长壁式综采和长壁式综放等工艺。实施方案主要包括采空区勘察孔平面位置设计、孔深、孔径、护壁和过不同采煤工艺条件的采空区裂缝带与垮落带的钻探工艺等。[0054] 松动圈理论即在钻探过程中，由于钻孔周围岩体受到应力变化，围岩受力状态由三向变成了近似两向，导致围岩应力重新分布和局部应力集中，造成岩石强度大幅度下降，直至围岩中出现了一个松弛破碎带。[0055] 钻探实施方案编写完成后，基于松动圈理论，计算钻孔孔壁围岩的扰动影响区域。[0056] 具体地，结合地质钻探的螺旋钻探工艺条件下的实际扰动情况，确定距离钻孔中心一定范围外的岩石(含岩块)将不受地质钻探扰动的影响，此范围内的区域即为钻孔孔壁围岩的扰动影响区域。[0057] 通过注浆方式对钻孔的孔壁围岩扰动影响范围内的岩层进行加固，使其凝结为整体，即可有效避免地质钻探时由于钻孔孔壁松动发生掉钻、卡钻等现象。[0058] 需要注意的是，注浆至岩层孔隙、裂隙的范围应大于理论计算的钻孔孔壁围岩的扰动影响区域。[0059] 可选地，将钻孔孔壁围岩的扰动影响区域半径以钻孔半径倍数的方式表示，并在钻孔孔壁围岩的扰动影响区域的半径与钻孔半径间的比值不为整数时，向上取整，以保证对岩层注浆治理的范围大于钻孔孔壁围岩的扰动影响区域。[0060] 例如，在某一煤矿地质采矿条件下，根据理论计算结果可知，钻孔孔壁围岩对孔壁表面岩石的作用力随着距离钻孔中心的距离增大而逐渐减弱，并逐渐趋向于原岩应力；在地质钻探过程中，往往认为钻孔半径的4倍距离以外不受钻孔施工扰动以外，即该距离以外的岩体对孔壁无作用力。[0061] 其中，确定一定范围的半径R等于五倍钻孔半径a。[0062] 步骤102，通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，所述注浆泵压力大于预设阈值；[0063] 在地面实验室进行高压浆液喷射试验。[0064] 可选地，浆液喷射试验时，采用不同直径的喷射嘴、不同浓度的浆液、不同粒度的浆液和不同压力的注浆泵，以控制变量的方式试验不同喷射嘴直径、不同浆液浓度、不同浆液粒度和不同注浆泵压力下的浆液喷射范围和浆液消耗量。[0065] 记录并确定浆液的喷射范围达到钻孔的孔壁围岩扰动影响范围时，对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量。[0066] 其中，注浆泵压力需要大于预设阈值，预设阈值由经验确定，以实现高压喷射的效果。[0067] 步骤103，根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行压力调整；[0068] 根据确定的浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量，采用对应粒度的材料配置对应浓度和体积的浆液。[0069] 根据确定的喷射嘴直径在钻具的钻头上装设喷射嘴，本实施例对喷射嘴的装设方式不做限制。[0070] 根据确定的注浆泵压力对注浆泵进行相应调整。[0071] 步骤104，在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射。[0072] 在使用装设有喷射嘴的钻头对钻进钻孔的过程中，将注浆泵压力调整为确定的压力，使用对应配置的浆液通过喷射嘴对钻孔孔壁进行喷射注浆，此时喷射注浆的范围大于钻孔的孔壁围岩扰动影响范围。[0073] 本发明通过在钻头上部装置喷射嘴，在钻进钻孔的同时实现对钻孔孔壁喷射注浆，并通过浆液喷射试验预先确定合适的喷嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、浆液消耗量和注浆泵压力，使得喷射注浆的范围大于钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，在钻孔的同时实现对钻孔孔壁周围松动围岩的加固，缩短了对采空区地质钻探的施工周期，并通过确定合适的钻孔的孔壁围岩扰动影响范围降低了地质钻探时注浆的成本。[0074] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述通过浆液喷射试验，确定在所述钻孔中进行浆液喷射对应的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量包括：[0075] 在所述钻孔所在的地质环境下进行浆液喷射试验，确定不同喷射嘴直径、不同浆液浓度和不同浆液粒度下，使得浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围所需的注浆泵压力和浆液消耗量。[0076] 地质环境包括地质钻孔的岩层条件、待穿过煤层群的采煤工艺、待穿过煤层开采时间、地质钻孔内的浆液浓度及钻孔内液面位置等。[0077] 具体地，地质采矿条件不同，岩层的孔隙发育程度不同。例如，垮落带的孔隙发育程度大于裂缝带的孔隙发育程度；硬质岩层的孔隙发育程度大于软弱岩层孔隙发育程度。[0078] 待穿过煤层群的采煤工艺不同，岩层的孔隙发育程度也不同。[0079] 待穿过煤层开采时间越长，岩层的压实程度越高，孔隙发育程度越低。[0080] 钻孔内液面位置快速下降，则反映出钻探过程中突然揭露较大孔隙裂隙发育区导致孔内浆液的突然漏失，此处为孔隙发育或为空区空洞。[0081] 由于地质环境不同的位置，钻孔周侧岩层的孔隙发育程度也不同，因此保障浆液的喷射范围达到所述钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的条件下，所需的喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量也不同。[0082] 因此，在浆液喷射试验时，模拟不同的地质环境，并确定不同地质环境、不同喷射嘴直径、不同浆液浓度和不同浆液粒度下，达到钻孔的孔壁围岩扰动影响范围所需的注浆泵压力和浆液消耗量。[0083] 具体地，浆液喷射试验时，通过控制变量进行正交试验的方式，在不同水泥浆液浓度及粒度条件下，记录有效喷嘴直径、泥浆泵压力、浆液消耗量等数值，确定不同喷嘴直径、不同水泥浆液浓度及不同粒度条件下对应的泥浆泵压力及浆液消耗体积。[0084] 其中，记录的不同喷嘴直径包括1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4，单位为毫米。[0085] 记录的不同水泥的水灰比包括水灰比0.5:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.4:1、1.5:1。[0086] 记录的不同粒度条件为水泥的型号和类别。[0087] 本发明通过在浆液喷射试验时，模拟钻探揭示的不同地质环境，进而在保障浆液喷射范围达到钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的条件下，通过合理选取喷射嘴直径、浆液浓度和浆液粒度，确定合适的注浆泵压力和浆液消耗量，有效控制注浆加固钻孔周侧围岩时的浆液消耗量，进一步降低注浆治理的成本，进而降低地质钻探成本。[0088] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述根据所述浆液浓度、浆液粒度和浆液消耗量配置所述浆液，制作具有所述喷射嘴直径的喷射嘴装设在钻头上，并根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：[0089] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择一组有效数据，每组数据包括喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量；[0090] 在钻孔钻进至裂缝带时，需要对处于裂缝带范围内钻孔周侧孔隙发育的围岩进行喷射注浆。[0091] 从浆液喷射试验得到的多组数据中选择一组有效数据，每组数据包括喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量。选择的一组数据需要为满足浆液喷射范围达到裂缝带范围内钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的有效数据。[0092] 其中，选择数据时，在喷射距离为最佳喷射距离情况下，确定合适的浆液浓度、浆液粒度和喷射嘴直径。需要注意的是，浆液粒度小于喷嘴出口直径的1/4。[0093] 根据选择的所述一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；[0094] 根据选取的数据确定喷射注浆时的喷射嘴直径、注浆泵压力和浆液配置的材料、浓度，配置对应浆液消耗量体积的浆液。[0095] 根据选取的喷射嘴直径，制作加工对应直径的喷射嘴，并在钻头上部装设所选直径的喷射嘴，本实施例对喷射嘴的数量和装设方式不做限定。[0096] 在一种可行的实施例中，喷射嘴的装设位置如图2所示，在某一地层情况的采空区钻探过程中，喷射嘴装设于钻头的上部，喷射嘴的直径为2.2毫米，在其他类似地层的采空区中，喷嘴直径也可选择1.8毫米、2.2毫米、2.6毫米或3.0毫米。[0097] 其中，钻头为特别定制的加长合金钻头，喷射嘴于合金钻头上部沿其轴向间隔设置2排，每排绕合金钻头周向间隔设置有3个，同时，两排喷射嘴按照“梅花形”交错布设，使浆液能更加均匀的从钻孔上的喷射嘴中喷出。[0098] 浆液和喷射嘴设置完成后，对水泥砂浆过筛，调整泥浆泵压力和流量，清除喷嘴内的预防堵塞物，以实现喷射嘴的自由喷射，在裂缝带钻进时实现使深距离松散扰动岩层(块)的凝固效果。[0099] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，从所述浆液喷射试验得到的多组数据中选择另一组数据；[0100] 在钻孔钻进至垮落带时，需要对处于垮落带范围内的钻孔周侧围岩进行喷射注浆。由于垮落带和裂缝带的孔隙发育程度不同，因此在相同的钻孔的孔壁围岩扰动影响范围下，需要选择的数据也不同。[0101] 从浆液喷射试验得到的多组数据中选择另一组数据，每组数据包括喷射嘴直径、浆液浓度、浆液粒度、注浆泵压力和浆液消耗量，使钻进至垮落带时，浆液喷射的范围仍能达到钻孔的孔壁围岩扰动影响范围。[0102] 选择的另一组数据也需要为满足浆液喷射范围达到垮落带范围内钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的有效数据。[0103] 根据选择的所述另一组数据配置所述浆液、在所述钻头上装设喷射嘴和调整所述注浆泵的注浆泵压力；[0104] 根据选取的数据确定喷射注浆时的喷射嘴直径、注浆泵压力和浆液配置的材料、浓度，配置对应浆液消耗量体积的浆液。[0105] 根据选取的喷射嘴直径，制作加工对应直径的喷射嘴，并在钻头上部装设所选直径的喷射嘴。[0106] 可选地，当选取的两组数据中，喷射嘴的直径相同时，喷射嘴可以通过焊接等方式，固定连通于钻头上；当选取的两组数据中，喷射嘴的直径不同时，可以选择焊接有不同直径喷射嘴的钻头，也可将喷射嘴可拆式固接于钻头上，在由裂缝带钻进至垮落带后，更换垮落带对应直径的喷射嘴。[0107] 其中，所述一组数据中的注浆泵压力大于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述一组数据中的浆液浓度小于所述另一组数据中的浆液浓度，所述一组数据中的浆液粒度小于所述另一组数据中的浆液粒度。[0108] 具体地，由于裂缝带的孔隙发育程度小于垮落带的孔隙发育程度，因此，为了使钻进于垮落带时喷射的浆液能够达到钻孔的孔壁围岩扰动影响范围，对应于垮落带的另一组数据中的浆液浓度大于对应于裂缝带的一组数据中的浆液浓度。[0109] 对应于垮落带的另一组数据中的浆液粒度大于对应于裂缝带的一组数据中的浆液粒度。[0110] 对应于垮落带的另一组数据中的注浆泵压力小于对应于裂缝带的一组数据中的注浆泵压力。[0111] 对垮落带和裂缝带可以分别选择多组数据进行注浆，对垮落带注浆使用的各级注浆泵压力均小于裂缝带注浆使用的各级注浆泵压力。垮落带和裂缝带一般采用递减式的三级注浆压力。[0112] 浆液和喷射嘴设置完成后，依然对水泥砂浆过筛，调整泥浆泵压力和流量，清除喷嘴内的预防堵塞物，以实现喷射嘴的自由喷射，在垮落带钻进时实现使深距离松散扰动岩层(块)的凝固效果。[0113] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述根据所述注浆泵压力对注浆泵进行调整，包括：[0114] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长；[0115] 在钻孔的当前钻探位置为当前采空区的裂缝带的情况下，多级压力?分次喷射的喷射工艺。[0116] 其中，注浆泵压力一般不小于20MPa。在地层环境不同时，也可灵活调整注浆泵压力。[0117] 具体的，在对裂缝带进行钻孔喷射时，在当前钻探位置进行多次浆液喷射，浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于选取的一组数据中的注浆泵压力，多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长。[0118] 例如，在某一地层条件下，选取水固比为为0.6:1～1:1的水泥砂浆，同时为便于边喷射边进行裂缝带内的钻探作业，于浆液内增加适量的水玻璃，减少浆液的凝固时间。[0119] 在第一次浆液喷射时，第一级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为9MPa、裂缝带的喷射时间不少于15s。[0120] 在第二次浆液喷射时，第二级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为6MPa、裂缝带的喷射时间不少于20s。[0121] 在第三次浆液喷射时，第三级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为3MPa、裂缝带的喷射时间不少于30s。[0122] 在所述钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，在所述当前钻探位置进行多次浆液喷射，所述多次浆液喷射中首次浆液喷射使用的注浆泵压力大于或等于所述另一组数据中的注浆泵压力，所述多次浆液喷射使用的注浆泵压力逐渐降低，喷射时间逐渐变长。[0123] 在钻孔的当前钻探位置为当前采空区的垮落带的情况下，也采用多级压力?分次喷射的喷射工艺，其实现方式与钻探位置处于裂缝带时相同，仅在注浆泵压力的数值和喷射时间的数值上有所改变，因此不再赘述。[0124] 在一种可行的实施方式中，在某一地层条件下，选取水固比为1:1～1:1.5的水泥砂浆，并于浆液内加入适量的水玻璃，以减少浆液的凝固时间。[0125] 在第一次浆液喷射时，第一级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为4MPa、垮落带内的喷射时间不少于20s。[0126] 在第二次浆液喷射时，第二级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为3MPa、垮落带内的喷射时间不少于30s。[0127] 在第三次浆液喷射时，第三级喷射嘴出口处的水泥浆液压力为2MPa、垮落带内的喷射时间不少于40s。[0128] 本发明通过在裂缝带和垮落带使用多级?分次注浆的喷射工艺，通过调整注浆泵的压力来调整高压喷射浆液的速度，实现对裂缝带和垮落带内孔隙裂隙的多级压力的分次喷射，进而在孔内浆液自身的压力作用下，边进行钻探作业，边等候浆液和岩石凝固成整体，防止孔内浆液漏失同时实现连续作业。[0129] 同时，本发明通过在孔隙裂隙发育情况不同的钻探位置调整注浆压力、注浆时间和浆液浓度等注浆参数，通过对注浆参数的调整控制浆液在不同的地质环境下均能达到浆液的喷射距离大于钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的效果，从而实现稳定钻孔周围破碎岩体的目的。[0130] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0131] 监测所述钻孔内膨润土浆液的液面变化幅度；[0132] 钻孔钻进时，需要向钻孔内注入膨润土浆液保护孔壁，维持孔内三向应力状态，使孔壁孔隙裂隙内喷射的浆液粘阻力、孔内膨润土浆液压力和岩体内孔隙水压力相等；或在岩层内无水位时，满足孔隙裂隙内喷射的浆液粘阻力等于孔内膨润土浆液压力。[0133] 在此基础上，高压喷射的浆液凝固形成浆液?破碎岩块胶结体，共同支撑孔壁及钻孔的孔壁围岩扰动影响范围内岩体的稳定性。[0134] 钻孔内膨润土浆液液面的高度变化反应了钻孔周围岩层孔隙发育情况，钻孔内液面位置快速下降，则反映出钻探过程中突然揭露较大孔隙裂隙发育区导致孔内浆液的突然漏失。[0135] 也就是说，钻探进入孔隙较发育或空区空洞处。[0136] 因此，在钻孔钻进的过程中，观察并记录钻孔内浆液的液面变化情况，以确定钻孔周围岩层的孔隙发育情况。[0137] 本实施例对液面高度的观测方式不做限定。[0138] 在所述液面变化幅度小于预设阈值的情况下，获知喷射的所述浆液的粘阻力等于所述钻孔内膨润土浆液的压力，喷射的所述浆液保持在原喷射位置，控制所述钻头对所述钻孔继续钻进；[0139] 预设阈值由经验确定。[0140] 当液面变化幅度小于预设阈值时，表示钻孔周围岩层的孔隙较少，钻孔内裂隙的治理效果较好，可以继续钻进。[0141] 同时，当岩层内无水位时，也需要观察确定喷射的浆液的粘阻力等于钻孔内膨润土浆液的压力，此时孔内处于应力平衡状态，喷射的浆液能够保持在原位置，可以继续向下钻进。若喷射的浆液的粘阻力不等于钻孔内膨润土浆液的压力，喷射的浆液无法保持在原位置，说明钻孔周围仍有裂隙未完全填补，则需要继续对孔内进行喷射注浆，直至喷射的浆液能够保持在原位置。[0142] 可选地，当岩层内有水位时，需要观察确定喷射的浆液的粘阻力、钻孔内膨润土浆液的压力和岩体内孔隙水压力均相等，此时喷射的浆液能够保持在原位置，可以继续向下钻进。[0143] 可选地，当钻孔的当前钻进位置处于垮落带时，可在深距离水泥浆液凝固体抗扰动的情况下继续钻进。[0144] 在所述液面变化幅度大于或等于所述预设阈值的情况下，对所述钻孔的当前钻探位置之上预设范围内的钻进段进行再次浆液喷射，直到所述液面变化幅度小于所述预设阈值。[0145] 当液面变化幅度大于预设阈值时，表示钻孔周围岩层突然进入孔隙较大的区域，继续下钻有孔壁坍塌、掉钻或卡钻的风险，因此需要在当前位置之上的预设范围内的钻进段再次使用水泥砂浆进行浆液喷射，对当前位置上方的钻孔周围岩层进行二次加固，直至液面变化幅度小于预设阈值。[0146] 其中，预设范围由经验确定。[0147] 在一种可行的实施方式中，预设范围可以是钻孔内新钻进段的破碎带。[0148] 本发明通过观察钻孔内的液面变化幅度，确定钻孔时钻孔周围岩层的孔隙发育情况，在液面变化幅度小于预设阈值时继续钻进，减少地质钻探的工期；在在液面变化幅度大于预设阈值时，对上方预设范围内的钻进段再次进行浆液喷射，实现二次加固，以免孔隙率较大的岩层对地质钻探产生影响。[0149] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0150] 在所述钻孔通过当前采空区后，向所述钻孔内补充所述膨润土浆液，以保护所述钻孔的孔壁稳定性。[0151] 在钻进通过当前的采空区后，通过钻杆以低压向钻孔内补充膨润土浆液，向钻孔内补充喷射注浆前自孔壁裂缝处流失的膨润土浆液，持续对孔壁形成保护，维持孔内三向应力状态，即维持孔壁稳定性，为后续继续钻进奠定基础。[0152] 其中，当前采空区的上部为孔隙裂隙较小的裂缝带，下部为孔隙较大的垮落带和其他煤层采空区。[0153] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0154] 在所述钻孔通过当前采空区进入所述当前采空区的下一个采空区时，在所述钻孔中对所述当前采空区进行再次浆液喷射。[0155] 在钻孔通过当前采空区进入当前采空区的下一个采空区时，或在对于过近距离煤层采空区的地质钻探过程中，继续向下钻进容易引起上部已钻进钻孔孔壁的二次采动，导致上部已钻进钻孔孔壁再次产生裂缝，此时需要对钻孔中，当前采空区上部煤层裂缝带及垮落带再次，以相同的多级压力?分次喷射的喷射工艺进行高压喷射注浆，以对当前采空区的钻孔孔壁二次加强护壁。[0156] 在钻孔进入当前采空区的下一个采空区后，依然采用相同的多级压力?分次喷射的喷射工艺，再钻进至下一个采空区的裂缝带和垮落带时，一边钻进一边对钻孔周侧进行高压浆液喷射，使浆液充填至钻孔的孔壁围岩扰动影响范围的岩体，并在凝固后与岩体形成胶结体，增强钻孔孔壁的稳定性。[0157] 可选地，在通过当前采空区进入下一个采空区时，当上部采空区扰动影响较小时，可以先对下一个采空区内的裂缝带和垮落带进行钻进并喷射注浆，再对上一个采空区进行二次喷射注浆加固，自下而上完成近距离煤层采空区的地质钻探工程。[0158] 本发明通过在相邻采空区和近距离煤层群采空区采用边钻进边喷射注浆的方式，同时采用多级、分次喷射浆液的注浆工艺，进而在孔内浆液的自身压力作用下的边进行钻探作业，在钻进的同时等候浆液与钻孔的孔壁围岩扰动影响范围内的岩体凝固形成胶结体，达到钻探工程的连续作业，控制了采空区地质钻探工程的时间，具有较强的可行性和较好的可操作性。[0159] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述喷射嘴可拆卸式固定连接在所述钻头上。[0160] 在合金钻头的上部一定距离内开孔，并在孔壁加工内螺纹，在喷射嘴上加工与其适配的外螺纹，将喷射嘴通过螺纹连接的方式固定于钻头上，实现可拆式固接，便于在需要喷射嘴直径不同时，对同一钻头上部区域更换直径不同的喷射嘴。[0161] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，在所述通过调整后的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之前，还包括：[0162] 使用软塞对所述喷射嘴进行堵塞；[0163] 由于喷射嘴复合连通于钻头上部，在下钻时，钻杆内部的循环浆液和待高压喷射的水泥浆液可能堵塞喷射嘴；同时，也需要避免在下钻时喷射嘴被钻孔孔壁泥岩、砂质泥岩的粘结体及砂岩类的颗粒物堵塞，因此在下钻前，需要使用软塞对喷射嘴进行堵塞。[0164] 继续参照图2，可选地，软塞可以为压缩木塞、红酒软木塞或703软胶塞。其中，703软胶是一种质软且强度较高的有机硅质材料。[0165] 在一种可行的实施方式中，在某一地层条件下，喷射嘴的直径为2.2毫米，由于喷射嘴直径较。诜湃肴砣，现在喷射嘴内壁涂抹润滑油，再用703软胶塞放入喷射嘴内，对喷射嘴进行密封处理。[0166] 由于经过润滑油涂抹的喷嘴较光滑、703软胶还具有一定的强度，在正常压力的循环浆液作用下，喷射嘴保持密封状态。[0167] 在所述注浆泵压力的作用下，所述软塞被挤压出所述喷射嘴。[0168] 在注浆泵的作用下，钻头内浆液压力升高，703软胶塞在高压力的作用下将被挤压出喷射嘴并被破坏，使喷射嘴保持开放状态，进而通过喷射嘴高压喷射水泥浆液。[0169] 本发明通过在喷射嘴中嵌入软塞，使钻头在正常下钻时能不被钻杆内部循环浆液或带高压喷射的水泥浆液堵塞，同时保护下钻过程中喷射嘴不被泥岩堵塞；在钻头钻进至裂缝带和垮落带等需要喷射注浆的的区域时，喷射注浆的压力也能冲开软塞，保障喷射注浆的正常进行。[0170] 本发明近距离煤层群采空区堵漏钻探方法中，所述在使用所述钻头对所述钻孔进行钻进的过程中，通过可调整注浆压力的所述注浆泵控制所述浆液通过所述喷射嘴喷射之后，还包括：[0171] 在所述钻孔通过当前采空区后，将所述喷射嘴及所述钻头从所述钻孔提出；[0172] 在钻进通过当前采空区后，提升钻头及装设于钻头上的喷射嘴，采用水流高压冲洗钻头上的喷射嘴，使喷射嘴保持开放状态，以便后续喷射注浆。[0173] 对所述喷射嘴再次进行预堵塞后，将所述钻头放入所述钻孔，并对所述钻孔继续进行钻进。[0174] 再次选用软塞堵塞喷射嘴，然后将钻头放入钻孔，继续钻进，钻进至下一需要喷射注浆的位置时，再通过高压使浆液冲开软塞。[0175] 本发明通过在钻进通过一层采空区后提升钻头并更换软塞，使继续钻进至下一层采空区时钻头内部保持正常浆液循环；采用软塞封堵钻头成本较低且操作方便，具有较高的实用性。[0176] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：内蒙古

专利申请日期：2023-08-04

专利公开日期：2024-05-31

专利公告号：CN117052344B