一种穿越自燃着火区的采空区治理施工方法与流程

1.本发明属于竖井技术领域，具体涉及一种穿越自燃着火区的采空区治理施工方法。


背景技术：

2.在多层采空区处治施工中，时常会遇到煤层自燃等情况发生。在此种施工条件下仅采用常规钻孔施工方法无法进行自燃区下部采空区处理，自燃区高温对地下岩层及钻进机械产生不可预估的破坏。在这种情况下，穿越自燃区采空区治理问题日益突出。例如，在某些隧道工程中，采空区规模庞大，涉及到多层采空区治理施工。在所处地界煤炭资源丰富的地方，施工区域内采空区情况较为复杂，部分已开采煤层煤矸石混杂煤在接触空气后，在内部温度达到一定条件后，会发生自燃，进而导致周边岩层高温岩性发生变化，强度下降，导致周边岩性变化较大，施工困难加大。
3.若是采用传统的采空区治理施工方法，当钻进至自燃着火区时，钻杆及连接把手处受高温影响发生变性甚至脆性断裂问题；同时由于高温导致岩层岩性较差，钻进过程中发生卡钻、夹钻情况，导致钻杆无法正常钻进，严重影响工期，增加成本。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种穿越自燃着火区的采空区治理施工方法，以至少解决目前传统施工方法施工困难加大、成本较高等问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种穿越自燃着火区的采空区治理施工方法，所述施工方法包括：
8.步骤1，清理场地，搭设钻机平台，安装钻机；
9.步骤2，开孔钻进至基岩，并安装孔口管；
10.步骤3，缩小钻孔直径，从孔口管中继续向下钻进，在靠近钻头的钻杆上设置有温度传感器，所述温度传感器用于监测钻孔内温度；
11.步骤4，当温度传感器监测孔内温度小于50℃时，钻孔未穿过自燃着火区，继续钻进至需治理采空区，完成钻孔；
12.步骤5，当温度传感器监测孔内温度大于等于50℃时，钻孔钻进至着火区，在钻孔孔口处设置进水管，通过进水管向钻孔内注水，以给着火区及钻杆降温。
13.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，在步骤2中，开孔钻至少钻入完整基岩6m，在孔口位置设置气体参数报警仪，所述气体参数报警仪用于监视孔口位置的有害气体情况；
14.在开孔中安装孔口管，所述孔口管的直径小于开孔的直径，在孔口管的下端设置法兰托盘，在开孔内径与孔口管之间注浆，以将所述孔口管固定在开孔中。
15.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，温度传感器设置在距钻头向上0.5m的
钻杆上，所述温度传感器为无线温度传感器，在井口位置设置有接收器，所述接收器用于接收温度传感器测得的孔内温度数据。
16.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，在步骤5中，当钻孔钻进至着火区时，通过是否发生夹钻、塌孔现象，来判断着火区的自燃严重情况；
17.若着火区未发生夹钻、塌孔现象，说明着火区自燃不严重，此时通过进水管向钻孔内注水，进行物理降温。
18.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，若着火区发生夹钻、塌孔现象，将钻头、钻杆从钻孔中取出，然后向钻孔中注入浆液，浆液淹没自燃着火区后停止注浆；待浆液凝固后，钻机重新下钻杆钻进至需治理采空区域；
19.通过控制浆液的配比，以控制注浆的流动时间，并控制注浆的扩散面积，在以钻孔为中心直径2～3m范围内。
20.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，浆液由注浆系统进行制备，所述注浆系统包括上游搅拌池与下游搅拌池，上游搅拌池的放浆管连通下游搅拌池的输浆管，用于将上游搅拌池中的浆液输送入下游搅拌池中。
21.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，所述上游搅拌池与下游搅拌池均包括电机、减速器、转动轴与搅拌齿；电机的输出轴与减速器的输入轴连接，电机与减速器设置在搅拌池的中轴线上；
22.所述转动轴与减速器的输出轴连接，所述转动轴伸入到搅拌池中，所述转动轴处于搅拌池的中轴线上；搅拌齿连接在转动轴上，搅拌齿沿转动轴的径向延伸。
23.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，所述上游搅拌池设置有至少两个，多个所述上游搅拌池均与下游搅拌池连接；
24.上游搅拌池的底部的高度大于等于所述下游搅拌池顶部的高度；
25.所述上游搅拌池与所述下游搅拌池的池底均为倾斜坡面，所述倾斜坡面向着出浆方向逐渐向下倾斜。
26.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，上游搅拌池的放浆管与下游搅拌池的输浆管之间设置有沉淀池，浆液中的不均匀物质在重力作用下落在沉淀池底。
27.如上所述的采空区治理施工方法，优选地，所述注浆系统还包括注浆泵，所述注浆泵包括吸浆管，吸浆管的端部具有吸浆口；
28.所述吸浆管伸入到所述下游搅拌池中，吸浆管设置在下游搅拌池中靠近倾斜坡面坡底的一侧，所述吸浆管上设置有振动机，所述振动机用于带动吸浆管上下振动。
29.有益效果：本发明的穿越自燃着火区的采空区治理方法，对自燃区孔内及钻杆进行物理降温，或在钻进至自燃区对其进行注浆处理，以达到降温及封堵自燃区域的目的，实现了钻机设备保护、人员安全保障、降本增效、缩短工期。
附图说明
30.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
31.图1为本发明实施例中穿越自燃着火区的采空区治理施工方法的流程示意图；
32.图2为本发明实施例中注浆系统的俯视图；
33.图3为本发明实施例中注浆系统的主视图。
34.图中：1、上游搅拌池；2、下游搅拌池；3、沉淀池；4、电机；5、搅拌齿；6、注浆泵；7、吸浆管；8、振动机。
具体实施方式
35.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
37.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.根据本发明的具体实施例，如图1-3所示，本发明提供一种穿越自燃着火区的采空区治理施工方法，施工方法包括：
39.步骤1，清理场地，搭设钻机平台，安装钻机；架立钻机时，需确保钻机钻杆竖直。
40.步骤2，开孔钻进至基岩，并安装孔口管。
41.在本实施例中，施工设备采用能成孔深至少100m以上型号的回转式工程地质钻机，清水循环钻进，不允许用冲击式钻进，以防自燃区或采空区岩层发生塌落。钻进时采用导向钻头，确保成孔质量。基岩面6m以下采取清水钻进，回水池岩粉按设计要求及时清理干净。
42.开孔孔径φ130mm钻进，钻进至完整基岩入岩6m，安装孔口管。在孔口放置四参数检测报警仪，监控有害气体是否存在，保证钻机施工人员安全。
43.气体参数报警仪用于监视孔口位置的有害气体情况；采用在孔口安装多参数气体检测报警仪的方法，能有效监控钻进过程中孔内溢出气体情况，通过对有害气体成分的分析，可由及时判断与自燃区域位置管理，能够及时预警，有效避免了发生设备破坏及卡钻夹钻等情况。
44.在开孔中安装孔口管，孔口管的直径小于开孔的直径，在孔口管的下端设置法兰托盘，在开孔内径与孔口管之间注浆，以将孔口管固定在开孔中。孔口管安装、浇筑：1.准备φ114mm孔口管；2.加工法兰托盘，法兰托盘外径φ120mm；3.在管子前端300mm处焊接法兰托盘；4.将带法兰托盘的注浆管下入到孔内变径处；5.先填入在孔口管与开孔之间少量砾石，以堵塞大的缝隙，然后放入少量粘土，防止浆液大量渗漏；6.灌入水灰比为1:2的加水玻璃的水泥浆，浆液在孔内的高度不小于6m，水泥浆液中加入水泥重量的2％的水玻璃，φ114mm钢管要高出地面0.5m，并在管口安装堵头，以避免砂石进入到空口管中；7.待水泥终凝后，进行下一步施工。
45.步骤3，缩小钻孔直径，从孔口管中继续向下钻进。
46.在本实施例中，采用φ89mm钻头继续钻进，控制钻进方向，对钻机进行基座加固，在钻进过程中应定期检查机器的松动情况，及时调整固定。在钻孔施工中应尽量保持钻孔垂直度，采用测斜仪定时检测垂直度，每50m测斜一次，在终孔前测量一次孔斜，要求终孔孔斜≤1
°
，确保成孔后孔壁稳定，孔内通畅。
47.在靠近钻头的钻杆上设置有温度传感器，温度传感器用于监测钻孔内温度；温度传感器设置在距钻头向上0.5m的钻杆上，温度传感器为无线温度传感器，在井口位置设置有接收器，接收器用于接收温度传感器测得的孔内温度数据。钻头上部安装温度感应探头，能够及时有效的掌握孔内温度变化，准确判断与自燃区域位置关系，提高了施工的准确性和安全性，保证了施工过程中人员的人身安全，降低风险。
48.步骤4，当温度传感器监测孔内温度小于50℃时，钻孔未穿过自燃着火区，继续钻进至需治理采空区，完成钻孔。
49.步骤5，当温度传感器监测孔内温度大于等于50℃时，钻孔钻进至着火区，在钻孔孔口处设置进水管，通过进水管向钻孔内注水，以给着火区及钻杆降温。防止高温导致钻杆或部件损坏。
50.当钻机钻进至自燃区时，会出现以下现象：1.多参数气体监测仪报警co浓度超标、co2浓度超标；2.孔口产生大量热气(白烟)；3.温度传感器报警；4.铁质钻杆由于高温导致外层脱落，发烫、变红；5.钻杆连接接手处由于高温发生变形。
51.在步骤5中，当钻孔钻进至着火区时，通过是否发生夹钻、塌孔现象，来判断着火区的自燃严重情况；若着火区未发生夹钻、塌孔现象，说明着火区自燃不严重，此时通过进水管向钻孔内注水，进行物理降温，达到给火区及钻杆降温的目的，防止因高温导致的钻杆及部件损坏。
52.若着火区发生夹钻、塌孔现象，将钻头、钻杆从钻孔中取出，然后向钻孔中注入浆液，浆液淹没自燃着火区后停止注浆；待浆液凝固后，钻机重新下钻杆钻进至需治理采空区域。
53.在本实施例中，采用水固比1:1.2，固相比水泥：粉煤灰＝3:7的浆液进行注浆处理，使用内窥镜设备伸入到钻孔中，实时观测钻孔的注浆的情况；内窥镜处于自燃区上方20m处，直至浆液面没过自燃区，在监控内可看到清晰浆液面位置，停止注浆，待浆液终凝后钻机重新下杆钻进至需治理区域。
54.注浆材料由水、水泥、粘性土、粉煤灰、速凝剂组成。水泥其中强度等级不低于32.5级，普通硅酸盐水泥；粘性土塑性指数不小于10，含砂量不大于3％；水玻璃模数2.4～3.4；浓度50
°
be'以上。
55.施工前，按设计的注浆浆液配合比进行试验，确定浆液的密度、黏度、结石率、初凝和终凝时间以及结石体无侧限抗压强度等各项参数，为施工做好充分准备。施工中注浆过程中，浆液从孔口流入到孔底后进行扩散。
56.注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1:1.0～1:1.3。水泥占固相的30％，粉煤灰或粘土占固相的70％。着火区需注浆处理时，根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中加入的速凝剂，使注入浆液尽快凝固，控制扩散范围在直径2～3m内，防止浆液大量流失。具体速凝剂的加入量，根据使用的速凝剂品种进行试验配比确定。
57.以速凝剂选用水玻璃为例进行试验，在0.5％～5％之间选取多个数值作为水玻璃
的掺加量进行试验，具体得到的试验结果如下表：
[0058][0059][0060]
其中，在浆液中加入水泥重量3％的水玻璃能够将浆液范围控制在2～3m之间，在本实施例中，选择在浆液中加入水泥重量3％的水玻璃。
[0061]
当采空区空洞和裂隙发育、地下水流速大于200m/h时，先灌注砂、砾石、石屑或矿渣等集料后注浆。
[0062]
浆液由注浆系统进行制备，注浆系统包括上游搅拌池1与下游搅拌池2，上游搅拌池1的放浆管连通下游搅拌池2的输浆管，用于将上游搅拌池1中的浆液输送入下游搅拌池2中。制浆分两级搅拌。一级搅拌池的搅拌时间不应少于5min，随后放入2级搅拌池。浆液进入二级搅拌池时必须用筛网过滤，停留时间不应超过4h。使得浆液至少经过两级搅拌，浆液被搅拌的更加均匀。
[0063]
上游搅拌池1与下游搅拌池2均包括电机4、减速器、转动轴与搅拌齿5；电机4的输出轴与减速器的输入轴连接，电机4与减速设置在搅拌池的中轴线上；转动轴与减速器的输出轴连接，转动轴伸入到搅拌池中，转动轴处于搅拌池的中轴线上；搅拌齿5连接在转动轴上，搅拌齿5沿转动轴的径向延伸。
[0064]
上游搅拌池1设置有至少两个，多个上游搅拌池1均与下游搅拌池2连接；上游搅拌池1的底部的高度大于等于下游搅拌池2顶部的高度；上游搅拌池1与下游搅拌池2的池底均为倾斜坡面，倾斜坡面向着出浆方向逐渐向下倾斜。
[0065]
上游搅拌池1的放浆管与下游搅拌池2的输浆管之间设置有沉淀池3，浆液中的不均匀物质在重力作用下落在沉淀池3底。
[0066]
沉淀池3用于沉淀浆液中不均匀的部分，没有搅拌均匀的大块浆液在经过沉淀池3时，由于重力作用会沉淀到沉淀池3的底部，搅拌均匀的浆液从沉淀池3上部流出，大块不均匀物质则留在沉淀池3底。
[0067]
注浆系统还包括注浆泵6，注浆泵6包括吸浆管7，吸浆管7的端部具有吸浆口；吸浆管7伸入到下游搅拌池2中，吸浆管7设置在下游搅拌池2中靠近倾斜坡面坡底的一侧，吸浆管7上设置有振动机8，振动机8用于带动吸浆管7上下振动。使得吸浆口不停的在上下摆动，从而避免注浆堵管。
[0068]
在本实施例中，每孔注浆前或必要的间歇期间采用清水洗孔，压水时间5-10分钟。冲洗压力宜为注浆压力的80％，本次采用0.8mpa进行压水，当漏水量大于100l/min时，可停止冲洗。另：在钻孔过程中岩层如以遇水易软化岩石为主时，注浆前可不进行空隙、裂隙的
压水重洗；孔内不返水和掉钻的钻孔可不进行压水冲洗。
[0069]
进行注浆时，1、注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，稀浆灌注量取单孔注浆量的20％；当注浆压力保持不变，单位吸浆量持续减少时，或当单位吸浆量不变而压力持续升高时，不改变水固比。
[0070]
对于采空区未塌陷，采空区高度大于1m的区域，采用套管止浆并扩大注浆孔孔径或下ф75mm注浆管，往孔内投入粒径小于5mm的粗集料，而后低压浓浆灌注并采取添加速凝剂、限流、限量、间歇注浆等措施，速凝剂掺量为水泥重量的3％～5％。
[0071]
注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。
[0072]
2.注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，采用间歇式注浆，或减小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。
[0073]
3.注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或矿渣带入孔内，或在浆液中加入水泥重量3％的速凝剂。
[0074]
综上所述，本发明提供的穿越自燃着火区的采空区治理方法的技术方案中，对自燃区孔内及钻杆进行物理降温，或在钻进至自燃区对其进行注浆处理，以达到降温及封堵自燃区域的目的，并实时监控孔内地质情况、温度、有害气体存在情况等，实现了钻机设备保护、人员安全保障、降本增效、缩短工期。
[0075]
可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本技术实施例对此并不进行限定。
[0076]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。