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申请/专利权人：中煤科工西安研究院(集团)有限公司

摘要：本发明公开了一种饱水砂层下薄基岩区域井下定向根管钻进可控注浆顶板超前改造防溃砂工艺，采用井下长距离定向水平钻孔代替地面垂直孔，消除了地面施工带来的征地、破坏地面生态环境与建筑物的影响；单次超前治理距离超过500m，极大地提高施工效率；本方法还设计了一种阀式注浆管利用双动力头钻机进行跟管钻进，解决了在风化基岩及上覆饱水砂层撤钻后难以成孔的难题；注浆时，阀式注浆管又转为注浆外管，实现了分段、多次、高压劈裂、低压慢注等注浆工艺；注浆结束后，留存于地层中的钢制阀式注浆管能够起到管棚作用，提高了顶板强度，实现了“一管多用”，提升注浆效果，减少工程量，适于工业上大规模使用与推广。

主权项：1.一种饱水砂层下薄基岩区域井下定向跟管钻进可控注浆顶板超前改造防溃砂工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搜集相关地质资料，确定待改造区的采煤工作面顶板完整基岩层、风化基岩层、隔水层与砂层的厚度和分布层位；绘制采煤工作面顶板注浆改造地质剖面图，并建立对应的受注风化基岩地层浆液扩散控制模型；步骤2，设计钻场的数量以及每个钻场的位置；在每个钻场内设计对应的定向钻孔成孔层，并确定定向钻孔成孔层的水平轨迹；所述的步骤2中具体包括以下子步骤：步骤21，在采煤工作面两顺槽的两侧相对位置，均在靠近回撤通道处开挖硐室并布置钻场；步骤22，判断采煤工作面的延展长度；若采煤工作面延展长度小于500m，则在每个顺槽处只设置一个钻场；若采煤工作面延展长度大于500m，取大于后续采煤工作面延展长度除以500所得值的最小整数，在每个顺槽处沿着采煤工作面长度方向依次设置多个钻场；步骤23，将定向钻孔轨迹设计在冒落带上部的强风化基岩层内，令每个定向钻孔成孔层的水平轨迹高于冒落带上部5～10m；步骤3，在每个定向钻孔成孔层内设计多个待钻进定向钻孔，并设计每个待钻进定向钻孔的轨迹；所述的步骤3具体包括以下步骤：步骤31，在每个定向钻成孔层内，沿工作面两顺槽各设计至少一个待钻进定向钻孔；步骤32，根据地质报告确定每个待钻进定向钻孔在定向钻成孔层至全风化层顶界的最小距离l；根据不同水灰比浆液的性质对浆液扩散半径的影响，结合注浆压力与浆液在风化岩地层中的扩散规律，确定浆液在定向钻成孔层内左右横向扩散半径r；步骤33，令所有待钻进定向钻孔在定向钻成孔层内的横向间距l'遵循l'2r；采煤工作面的每个钻场的待钻进定向钻孔的数量不少于n，n＝W2r+1，n向上取整数；采煤工作面内所有待钻进定向钻孔数量为N，N＝L500*n，N向上取整数；步骤34，设计每个待钻进定向钻孔的轨迹，令每个待钻进定向钻孔向上倾斜延伸，直至进入强风化基岩层后沿水平方向延伸；步骤4，在地质套管的管壁上开设多个出浆孔，在每个出浆孔处对应安装一个规格匹配的逆止阀，形成阀式注浆管；步骤5，选择一个待钻进定向钻孔，采用双动力头定向钻机进行钻进作业；令双动力头定向钻机的一个动力头带动钻具按照设计好的轨迹进行钻进，形成一个定向钻孔后撤出钻具，另一个动力头带动阀式注浆管，在钻进作业的过程中同步实现阀式注浆管的安装；形成一个定向钻孔，完成一次钻进作业；选择一个还未进行钻进作业的待钻进定向钻孔，按照步骤5中上述步骤进行工作，直至完成所有的钻进作业；步骤6，选择一个定向钻孔，采用注浆管下至定向钻孔孔底，灌入套壳料，待套壳料从孔口返出时停止灌入；选择其他未灌入套壳料的定向钻孔，按照步骤6中方法灌入套壳料，直至所有定向钻孔都已灌入套壳料；步骤7，选择一个已灌入套壳料的定向钻孔进行注浆；当浆液达到设计要求的注浆量时回撤注浆装置，进行下一段注浆；以此类推，进行多段注浆直至完成第一次水平段全段注浆；在第一次水平段全段注浆的浆液初凝与终凝之间，使用带有两个封隔器的注浆装置下至孔底，由孔底向孔口进行下一次注浆，直至达到注浆结束标准；选择其他已灌入套壳料的钻孔，按照步骤7中的上述方法进行注浆，直至所有定向钻孔均完成注浆；所述的步骤7包括以下子步骤：步骤70，随机选择一个定向钻孔；步骤71，采用下式估算该定向钻孔的注浆量Q注：Q注＝1+A×V×n×η，其中，A表示浆液损耗系数；V表示注浆范围体积，V＝πr2×L；r表示扩散半径；L表示注浆段长度；n表示平均孔隙率；η表示注浆充填系数；步骤72，确定注浆材料的多级水灰比，并制造对应的注浆材料；步骤73，选择最低的一级的水灰比，利用定向钻机将封隔器送入该定向钻孔，令两个封隔器之间的距离为10m；步骤74，使用转换阀实现对应封隔器的膨胀和收缩，在阀式注浆管内形成独立的注浆段，对该定向钻孔进行注浆；步骤75，注浆操作过程中，实时判断注浆孔口的压力表读数；若注浆孔口压力表显示压力小于0.3Mpa时，采用水灰比不大于1:1的浆液进行低压慢注；流量控制在300Lmin，且每注浆20min，间歇10min；返回步骤74，直至完成第一次注浆后进入步骤76；若注浆孔口压力表显示压力大于0.3Mpa且小于1Mpa，返回步骤74，直至完成第一次注浆后进入步骤76；若注浆孔口压力表显示压力大于1Mpa，采用水灰比不小于1.5:1的浆液，加大注浆泵档位进行高压劈裂注浆，直至压力小于1Mpa后，再次判断注浆孔口压力表显示的压力值；步骤76，由孔底向孔口通过封隔器、阀式注浆管实现分段注浆；当全孔水平注浆段第一次注浆结束后，在浆液初凝之后和终凝之前，由孔底向孔口依次开始下一次注浆操作，直至达到注浆量要求后停止注浆，完成一个钻孔的注浆；步骤77，选择一个未进行注浆的定向钻孔，重复步骤71-76，直至所有定向钻孔均完成注浆改造；步骤8，对所有定向钻孔采用水泥浆进行封孔。

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