專利名稱：覆巖離層注漿充填裝置及注漿充填系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減緩地表沉降的注漿裝置及系統(tǒng)，尤其是礦井覆巖離層注漿充填裝置及注漿充填系統(tǒng)，屬注漿充填設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地下煤層開采后，覆巖中的原巖應(yīng)力場遭到破壞，產(chǎn)生附加應(yīng)力，為達(dá)到新的應(yīng)力平衡，主應(yīng)力急劇變化、轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致覆巖產(chǎn)生移動(dòng)、變形、斷裂、乃至垮落，引起地表下沉，地表下沉將造成農(nóng)田毀壞、建筑物破壞，對生態(tài)環(huán)境造成危害。為此，人們常采用下述防范方法一是在地面采用被動(dòng)修護(hù)或提高建筑物的抗變形能力、或搬遷建筑物，此控制方式效果有限；二是采煤時(shí)留置安全保護(hù)煤柱或采用“條帶法”開采，以作支撐，此方法滯留煤量多，降低了回采率；三是采煤后及時(shí)用水力、風(fēng)力對采空區(qū)進(jìn)行充填，此方法充填密實(shí)度差，只能解決薄煤層的開采問題；四是大面積協(xié)調(diào)逐次開采，使采區(qū)地表均勻下沉并始終保持地面水平，此方法對煤層賦存條件要求嚴(yán)格，技術(shù)及管理難度大，難以普遍推廣；再有就是目前正在推廣的覆巖離層注漿充填法。
通過工程觀測和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，覆巖在移動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)離層帶，即在覆巖移動(dòng)動(dòng)態(tài)過程中的一定時(shí)期內(nèi)，在導(dǎo)水裂隙帶之上，存在著由多個(gè)離層構(gòu)成的、可用于注漿的離層帶。
采用在覆巖內(nèi)部離層帶注漿技術(shù)來減緩地表沉降的工程控制方法是控制地表沉陷的一種有效的方法，首先由地面向覆巖內(nèi)打鉆孔，由鉆孔向離層空間注漿，從而抑制離層空間上方巖體繼續(xù)破壞。
覆巖離層注漿減緩地表沉降技術(shù)是近年來逐漸被推廣應(yīng)用的新的保護(hù)礦區(qū)地表安全的技術(shù)措施。
目前覆巖離層注漿充填技術(shù)的不足之處是注漿層位少、不能連續(xù)注漿、注漿效率低、一般注采比(注采比為注入物占開采空間的百分比)小于7％，使該項(xiàng)技術(shù)不能很好地滿足減沉的需要，同時(shí)還因成本高難以推廣和普及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種注漿效率高、成本低的覆巖離層注漿充填裝置及注漿充填系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種覆巖離層注漿充填裝置，包括注漿管，改進(jìn)為，在注漿管外部套裝護(hù)壁管，注漿管與護(hù)壁管之間留有空腔，護(hù)壁管下部排布有注漿孔。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述注漿管下部也排布有注漿孔。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述護(hù)壁管由上至下依次為松散層固井段、基巖護(hù)壁段、注漿護(hù)壁段，其中基巖護(hù)壁段與注漿護(hù)壁段的直相同，松散層固井段的直徑大于基巖護(hù)壁段的直徑，所述護(hù)壁管下部的排布孔位于注漿護(hù)壁段上。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述基巖護(hù)壁段的上緣高于松散層固井段的下緣。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述松散層固井段的直徑為190～250毫米；基巖護(hù)壁段和注漿護(hù)壁段的直徑為150～180毫米；注漿管直徑為70～120毫米。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述松散層固井段的直徑為219毫米，基巖護(hù)壁段和注漿護(hù)壁段的直徑為168毫米；注漿管的直徑為108毫米。
上述覆巖離層注漿充填裝置，所述松散層固井段的長度為190～250米，基巖護(hù)壁段的長度為150～200米，注漿護(hù)壁段的長度為80～150米，注漿管的長度大于等于400米。
一種覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，包括注漿系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)上述的覆巖離層注漿充填裝置，覆巖離層注漿充填裝置設(shè)于需填充的覆巖處的鉆孔中，并通過輸漿管與所述注漿系統(tǒng)連接，所述鉆孔穿透覆巖離層帶內(nèi)的多個(gè)離層。
上述覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，所述覆巖離層注漿充填裝置中的注漿管內(nèi)腔及注漿管與護(hù)壁管之間的空腔分別與輸漿管連接。
上述覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，所述覆巖離層注漿充填裝置中的松散層固井段，其外壁與所述鉆孔的孔壁之間填充混凝土。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
1.覆巖離層注漿充填裝置采用在注漿管外套裝護(hù)壁管并在護(hù)壁管下部排布注漿孔的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，護(hù)壁管和注漿管之間的空腔形成新的注漿通道，通道內(nèi)灰漿通過護(hù)壁管下部的注漿孔分層注出，形成多個(gè)注漿點(diǎn)和注漿層，解決了單一注漿管無法實(shí)現(xiàn)分層注漿的問題；2.覆巖離層注漿充填裝置中的注漿管下部也排布注漿孔，可全方位源源不斷地向護(hù)壁管與注漿管之間的空腔補(bǔ)充灰漿，使多個(gè)注漿孔連續(xù)均勻地分層輸出灰漿；3.覆巖離層注漿充填裝置中的護(hù)壁管對應(yīng)覆巖層體構(gòu)造分為松散層固井段、基巖護(hù)壁段、注漿護(hù)壁段，方便了護(hù)壁管根據(jù)具體場所覆巖層體的不同構(gòu)造層厚分段設(shè)計(jì)直徑、長度；4.覆巖離層注漿充填系統(tǒng)中，注漿充填裝置所在的鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層并通過輸漿管與注漿系統(tǒng)連接，形成多個(gè)充填裝置同時(shí)多點(diǎn)、多層作業(yè)的全斷面注漿方式，并使注漿充填形成規(guī)模化、規(guī)范化施工，可通過規(guī)模化、規(guī)范化施工確保注漿量，大幅度提高注漿效率，并顯著降低成本；5.覆巖離層注漿充填系統(tǒng)中，注漿管內(nèi)腔、注漿管與護(hù)壁管之間的空腔分別與輸漿管連接時(shí)，可使注漿管內(nèi)、外的漿液供給更加充分均勻，進(jìn)一步提高注漿量和注漿效率；6.覆巖離層注漿充填系統(tǒng)中，松散層固井段外壁與鉆孔孔壁之間填充混凝土后，可防止松散層固井段與質(zhì)地較疏松的松散層之間出現(xiàn)松動(dòng)間隙，避免漿液上溢，并提高整個(gè)護(hù)壁管在覆巖離層帶鉆孔中安置的牢靠度；本發(fā)明適宜作為減緩地表沉降的注漿裝置及系統(tǒng)安裝使用，尤其適宜作為礦井覆巖離層注漿充填裝置及系統(tǒng)使用。


圖1為覆巖離層注漿充填裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為覆巖離層注漿充填裝置設(shè)置于礦井覆巖中的應(yīng)用狀態(tài)參考圖；圖3為覆巖離層注漿充填系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中構(gòu)件標(biāo)號分別為1-松散層固井段，2-注漿管，3-基巖護(hù)壁段，4-注漿護(hù)壁段，5-注漿孔，A1、A2、A3、A4、A5-離層，H1-松散層層厚，H2-基巖層層厚，H3-覆巖離層層厚，h-基巖護(hù)壁段上緣與松散層固井段下緣的高度差，A1、A2、A3、A4、A5-離層1、離層2、離層3、離層4、離層5，H-灰坑，B-中壓泵，J-攪拌筒，XJ-蓄漿攪拌池，Z-振動(dòng)篩，k-溢流口，G-刮板機(jī)，P-皮帶機(jī)，W-穩(wěn)壓裝置，X-電廠輸漿管路，K1、K2、K3、K4、K5-1號孔、2號孔、3號孔、4號孔、5號孔。
具體實(shí)施例方式
覆巖離層注漿充填裝置較佳的具體實(shí)施方式
如圖1所示，除包括注漿管2外還包括套裝的護(hù)壁管，注漿管及護(hù)壁管下部管壁上的注漿孔5沿管壁軸向間隔排布，灰漿通過注漿孔5充填到礦井覆巖離層中。
覆巖離層注漿減沉技術(shù)，即在采煤區(qū)的相應(yīng)地表，向煤層上覆巖層打鉆孔，使注漿鉆孔穿透多個(gè)離層帶，然后用柱塞式泥漿泵將粉煤灰或其它的填充材料壓人各離層傳遞帶的空隙中，實(shí)現(xiàn)高壓密實(shí)充填，減緩與阻截各離層傳遞帶以上巖層的繼續(xù)下沉。
如圖2、1所示，煤層上覆巖層大體分為三層自上而下分別為松散層、基巖層、覆巖離層；護(hù)壁管也由上而下對應(yīng)分為松散層固井段1、基巖護(hù)壁段3、注漿護(hù)壁段4，護(hù)壁管下部管壁上的注漿孔5位于注漿護(hù)壁段4上，基巖護(hù)壁段3與注漿護(hù)壁段4直徑相同，兩段連接為一體，松散層固井段1的直徑大于基巖護(hù)壁段3的直徑，基巖護(hù)壁段3的上緣高于松散層固井段下緣，二者最好為分體設(shè)置。
參閱圖1、2。松散層固井段1的直徑最好為190～250毫米，可以為195、208、219、225、238、250毫米等優(yōu)選直徑；基巖護(hù)壁段3和注漿護(hù)壁段4的直徑最好為150～180毫米，可以為159、168、175、180毫米等優(yōu)選直徑；注漿管2的直徑為70～120毫米，可以為108毫米等優(yōu)選直徑。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，松散層固井段1、基巖護(hù)壁段3、注漿護(hù)壁段4的直徑分別為219毫米、168毫米、108毫米。
如圖2所示，覆巖離層注漿充填裝置在使用時(shí)，首先要由地面向覆巖內(nèi)打鉆孔，然后將注漿充填裝置敷設(shè)于鉆孔中，再通過注漿充填裝置向覆巖離層中注漿。鉆孔直徑要大于護(hù)壁管直徑，其中，松散層固井段1與孔壁之間采用混凝土固井，基巖護(hù)壁段3和注漿護(hù)壁段4與孔壁之間則不必填充固井劑。
仍參閱圖2。松散層固井段1、基巖護(hù)壁段3、注漿護(hù)壁段4的長度根據(jù)松散層層厚H1，基巖層層厚H2，覆巖離層層厚H3來確定，一般可分別為190～250米、150～200米、80～150米；注漿管2的長度為上述三段長度之和，一般大于等于400米，直插到孔底。
下面以一個(gè)具體實(shí)施例說明覆巖離層注漿充填裝置應(yīng)用中鉆孔敷設(shè)的施工方法及各管段長度的確定，以及護(hù)壁管直徑與鉆孔直徑的優(yōu)選尺寸松散層固井段1根據(jù)“岳一2號”鉆孔柱狀，確定松散層厚H1為180m，基巖風(fēng)化帶厚20～30m，由此確定松散層固井段1的長度為220m。采用φ219×8mm的普通無縫鋼管，通過絲扣連接，鉆孔孔徑按φ244mm，管壁與孔壁直徑填充混凝土固井。
基巖護(hù)壁段3與注漿護(hù)壁段4松散層設(shè)管固井完成后，按鉆孔直徑φ190和設(shè)計(jì)孔深，鉆進(jìn)至孔底。測得基巖層層厚H2為177m，覆巖離層層厚H3為114m。因此孔深為220m+177m+114m＝511m。
然后下護(hù)壁管，采用φ168×8mm普通無縫鋼管，絲扣聯(lián)接，鋼管直接放在鉆孔孔底上，而且不進(jìn)行水泥固井。
基巖護(hù)壁段3鋼管的上緣一般要高于松散層固井段1的底邊，高度差為h。其總長度為孔深減去松散層固井段長度再加上h，h一般為3至7m，最好為5m，即基巖護(hù)壁段3鋼管的上緣高出松散層固井段底邊5m。基巖護(hù)壁段3與注漿護(hù)壁段4的總長度為511m-220m+5m＝296m。
其中注漿鉆孔最下部為注漿段，注漿護(hù)壁段4的長度為114m，該段護(hù)壁鋼管的管壁上布置注漿孔，基巖護(hù)壁段3的管壁上則不需開孔。
注漿管2使用φ108×7mm鋼管，箍聯(lián)接，最下部的10m的管壁上開注漿孔，直接放到鉆孔孔底。
鉆孔施工中的主要技術(shù)要求包括在松散層中無巖芯鉆進(jìn)，泥漿護(hù)壁，不做水文地質(zhì)觀測；在松散層固井段，采用525#水泥固井；基巖段，清水鉆進(jìn)，按《水文地質(zhì)鉆探規(guī)定》進(jìn)行簡易水文地質(zhì)觀測，重點(diǎn)觀測水位變化、沖洗液消耗量、涌水或漏水段位置及其大小；盡量保持鉆孔鉛垂方向，減少偏斜；做好地層巖芯鑒別與編錄工作，提交鉆孔地質(zhì)柱狀圖。
注漿管與護(hù)壁管都敷設(shè)完畢后就可以連接供漿系統(tǒng)，并對礦井覆巖離層進(jìn)行注漿充填了。
參閱圖3。本發(fā)明的覆巖離層注漿充填系統(tǒng)的具體實(shí)施方式
是，包括現(xiàn)注漿系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)上述的覆巖離層注漿充填裝置，覆巖離層注漿充填裝置設(shè)于需填充的覆巖處的鉆孔中，并通過輸漿管與所述注漿系統(tǒng)連接，鉆孔穿透覆巖離層帶內(nèi)的多個(gè)離層。
如圖3所示，包括K1～K5既1號孔至5號孔共五個(gè)鉆孔，根據(jù)需要也可以設(shè)多個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔內(nèi)設(shè)置一個(gè)礦井覆巖離層注漿充填裝置，該裝置中的注漿管內(nèi)腔、注漿管與護(hù)壁管之間的空腔分別與輸漿管連接，注漿系統(tǒng)包括供漿系統(tǒng)和加壓泵站，灰漿為粉煤灰稀漿，灰漿粒度小于等于3毫米。
下面以圖3所示的具體實(shí)施例具體描述一下注漿裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，注漿系統(tǒng)主要由三部分組成供漿系統(tǒng)、加壓泵站、輸漿管。
其中，供漿系統(tǒng)的主要工藝流程有
皮帶機(jī)P從灰坑H中將粉煤灰運(yùn)出，裝入攪拌桶J；由火電廠通過管路X輸送來的粉煤灰稀漿，先注入分流桶F，而后部分漿液注入攪拌桶，多余灰漿流入灰坑；在攪拌桶中按注漿要求容重調(diào)和好灰漿，再經(jīng)過振動(dòng)篩Z去除大顆粒，而后流入泵站廠房內(nèi)的蓄漿攪拌池XJ，調(diào)和好的灰漿粒度小于等于3mm。
加壓泵站主要包括中壓泵或高壓泵B、蓄漿攪拌池XJ及穩(wěn)壓裝置W等組成。圖3所示的泵站內(nèi)現(xiàn)配備有中壓泵B共7臺(tái)TBW-1200/7B中壓泵4臺(tái)，壓力7MPa，排漿量72m3/h。TBW-850/50中壓泵3臺(tái)，壓力5MPa，排漿量51m3/h。
輸漿管輸漿管共有3條φ114×7.37管路2條，φ140×7.72管路1條。
其中，中壓泵或高壓泵及輸灰管的配置，可以根據(jù)需要增加或減少。如果綜放面需要的注漿量和注漿強(qiáng)度(單位時(shí)間注漿量)較大，為了有效保障綜放面以及其它面總注漿量，有效解決相鄰兩孔同時(shí)注漿時(shí)輸漿管路能力不足問題，可以再鋪設(shè)一條φ114×7.37的管路。還可以更換穩(wěn)壓效果更好的穩(wěn)壓裝置，減弱輸漿管路的脈沖振動(dòng)。
另外，加壓泵站安裝有漿液流量、壓力和容重監(jiān)測儀表等儀器。
輸漿管與每一個(gè)覆巖離層注漿充填裝置的連接都為兩路連接。其中，一路與注漿管內(nèi)腔連接，一路與注漿管和護(hù)壁管之間的空腔連接。使注漿管內(nèi)外同時(shí)注漿，這樣整個(gè)鉆孔全斷面注漿，有利于提高注漿量。
如圖2所示，本發(fā)明的礦井覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，采用多層位注漿。通過一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，圖中有A1～A5共五個(gè)離層，設(shè)計(jì)成可以同時(shí)向多個(gè)離層注漿的鉆孔結(jié)構(gòu)。
注漿過程中采用連續(xù)注漿的方式。一方面是注漿工藝上，不再定期停泵沖洗管路與鉆孔，另一方面是通過提高電源、注漿泵、管路和供漿系統(tǒng)的可靠性和采用多層位注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿施工的長期連續(xù)運(yùn)行。
另外，采用注漿管內(nèi)外同時(shí)注漿的全斷面注漿方式，這樣整個(gè)鉆孔全斷面注漿，有利于提高注漿量。在連續(xù)注漿的條件下，漿液濃度可以提高到1.16-1.18g/cm3。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種覆巖離層注漿充填裝置，包括注漿管，其特征在于，在注漿管外部套裝護(hù)壁管，注漿管與護(hù)壁管之間留有空腔，護(hù)壁管下部排布有注漿孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述注漿管下部也排布有注漿孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述護(hù)壁管由上至下依次為松散層固井段、基巖護(hù)壁段、注漿護(hù)壁段，其中基巖護(hù)壁段與注漿護(hù)壁段的直相同，松散層固井段的直徑大于基巖護(hù)壁段的直徑，所述護(hù)壁管下部的排布孔位于注漿護(hù)壁段上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述基巖護(hù)壁段的上緣高于松散層固井段的下緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述松散層固井段的直徑為190～250毫米；基巖護(hù)壁段和注漿護(hù)壁段的直徑為150～180毫米；注漿管直徑為70～120毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述松散層固井段的直徑為219毫米，基巖護(hù)壁段和注漿護(hù)壁段的直徑為168毫米；注漿管的直徑為108毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的覆巖離層注漿充填裝置，其特征在于，所述松散層固井段的長度為190～250米，基巖護(hù)壁段的長度為150～200米，注漿護(hù)壁段的長度為80～150米，注漿管的長度大于等于400米。
8.一種覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，包括注漿系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的覆巖離層注漿充填裝置，覆巖離層注漿充填裝置設(shè)于需填充的覆巖處的鉆孔中，并通過輸漿管與所述注漿系統(tǒng)連接，所述鉆孔穿透覆巖離層帶內(nèi)的多個(gè)離層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，其特征在于，所述覆巖離層注漿充填裝置中的注漿管內(nèi)腔及注漿管與護(hù)壁管之間的空腔分別與輸漿管連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的覆巖離層注漿充填系統(tǒng)，其特征在于，所述覆巖離層注漿充填裝置中的松散層固井段，其外壁與所述鉆孔的孔壁之間填充混凝土。
全文摘要
一種覆巖離層注漿充填裝置及應(yīng)用該裝置的注漿填充系統(tǒng)，屬注漿充填設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域，用于解決現(xiàn)有覆巖離層注漿充填技術(shù)注漿層位少、不能連續(xù)注漿、注漿效率低的問題。構(gòu)成中包括注漿管，注漿管外部套裝護(hù)壁管，護(hù)壁管及注漿管下部排布注漿孔，護(hù)壁管包括松散層固井段、基巖護(hù)壁段、注漿護(hù)壁段，應(yīng)用中可以使注漿充填裝置同時(shí)穿透多個(gè)離層同時(shí)注漿，可根據(jù)覆巖層構(gòu)造層分段設(shè)計(jì)護(hù)壁管直徑、長度；以該注漿充填裝置及注漿系統(tǒng)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)，可形成多點(diǎn)、多層同時(shí)作業(yè)的全斷面注漿方式，使注漿充填形成規(guī)?；?、規(guī)范化施工，確保注漿量，大幅度提高注漿效率并顯著降低成本，適宜作為減緩地表沉降、尤其是礦井覆巖離層注漿充填裝置及系統(tǒng)使用。
文檔編號E21F15/10GK101021162SQ20071006161
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者鐘亞平, 高延法, 李復(fù), 殷作如, 李建民, 張瑞璽, 牛學(xué)良, 趙文濱, 康萬庫, 李振剛, 常永平, 董榮泉, 鄧智毅, 楊中東, 鄭慶學(xué), 鄭友剛, 王躍辰, 謝會(huì)儒, 張夢岐, 李文成, 王成柱, 李憲忠, 黃寶柱, 楊居友, 馬和平, 王素華, 張慶松 申請人:開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司