[发明专利]一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺

说明书

技术领域

本发明涉及矿山机械领域，特别涉及一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺。

背景技术

千米深井水平巷道围岩改性地面预注浆技术，是指利用高精度的钻孔轨迹控制技术，通过深井水平注浆钻孔对井下水平巷道不稳定、破碎围岩进行地面预注浆改性，以增强巷道围岩完整性，改善围岩力学性态，提高相关煤矿巷道及硐室的围岩体整体稳定性，降低巷道的支护难度，确保井下施工活动的安全。

地面预注浆施工工艺特殊，钻探与注浆工序交替配合作业，其特点：(1)注浆钻孔使用及维护时间长(几个月甚至十几个月)；(2)孔径要求规则均匀(确保止浆塞顺利上下及止浆)；(3)钻孔内分段止浆且钻具及止浆塞在孔内静置时间长(几小时甚至几十小时)；(4)钻孔造斜段及水平段孔壁是岩石裸孔，不能安置套管；(5)钻孔目标靶域小，定向精度高。

深井煤系地层岩性复杂，常为粉砂岩、细砂岩、泥岩、煤层混层分布，地质条件复杂，断层、破碎带等软弱复杂地层给注浆钻孔尤其是千米深水平定向注浆钻孔的施工带来极大困难。深井注浆孔钻进施工中，容易出现钻孔泥浆漏失、涌水、涌砂，孔壁膨胀缩径、孔壁表面剥落，掉块、崩解等各种复杂情况，并且因复杂地质条件导致的粘附卡钻、沉砂卡钻，缩颈卡钻、井塌卡钻等孔内事故时有发生，以上钻孔事故轻则延误工期、增加费用，重则注浆孔报废，严重影响工程进度及安全。

千米深井水平巷道围岩改性地面预注浆钻孔施工相较一般煤矿深井注浆孔施工，对钻具组合有更高要求，例如：(1)造斜段长、井斜变化大、定向时间长、精度要求高等特点，到水平定向段时，岩粉上返阻力大、起下钻难度大，卡钻、塌孔、岩屑床等事故发生频率高，事故处理难度大、成功率低；(2)L型水平注浆孔由于注浆加固的目标区域(巷道和巷道宽度及高度在几米范围)较小，并且要考虑浆液扩散半径、加固范围的因素，设计的钻孔靶域误差要求较高，要求钻孔准确进入靶域，而且钻孔方位与靶域轴线一致。同时由于钻孔中还要经常上下止浆塞进行注浆，轨迹设计需要更顺滑，钻孔过程控制难度较高；(3)注浆钻孔内钻具受力复杂，钻孔轨迹顶角大，曲率大，钻杆在孔内受到较大的摩阻，致使起下钻困难，下套管困难、钻头加压困难；弯曲应力较大，在钻杆旋转条件下的应力应变将加剧钻具的疲劳破坏。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种千米深L型地面预注浆钻孔用钻具组合及钻孔工艺，不仅满足千米深井筒水平巷道围岩改性地面预注浆钻孔施工要求，解决了钻孔至水平定向段时岩粉上返阻力大、起下钻难度大以及卡钻、塌孔等问题，而且降低了钻杆旋转条件下的应力应变对钻具的疲劳破坏。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种千米深L型地面预注浆钻孔工艺，包括直孔段钻进、造斜段钻进和水平段钻进，造斜段钻进包括井斜角大于45°的造斜段钻进和井斜角小于45°的造斜段钻进；造斜段钻进过程中，在造斜率满足设计要求的前提下，每钻进1个单根钻杆长度后更换钻具组合并复合钻进2m；每钻进2～3个立柱钻杆或纯钻进超过24h，短起下钻10～15立柱钻杆；在钻孔曲率大于或等于6°/30m的复杂井段，每钻进50～100m，短起3～10立柱钻杆；井斜角大于45°后，起钻时，前5～10立柱钻杆采用动力头起钻，下钻时，最后5～10立柱钻杆采用动力头下钻；钻压为15～35kN，螺杆钻具钻速为180～200r/min，泵量：615L/min。

上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，开孔时，钻机低压慢转，大排量循环泥浆；钻压：0.3～0.5t，螺杆钻具钻速：30～40r/min，泵量：990L/min。

上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，正常钻进时，钻压小于或等于加重钻具重量的2/3，且每钻进4～5m进行一次扫孔；钻压为1.5～3.5t；表土、风化岩段，钻速为70～80r/min；硬岩段，钻速为50～60r/min泵量：990L/min。

上述千米深L型地面预注浆钻孔工艺，直孔段钻进过程中，正常钻进时，每钻进9m，扫孔次数大于或等于2次。