本发明涉及钻探施工技术领域，尤其涉及一种钻探施工过采空区的方法。
背景技术：
钻探施工是探测地下资源传统常用的方法。随着煤炭资源的开发利用，地质钻孔钻探逐步从浅部向深部发展。在钻探过程中遇到采空区、巷道、老窑、断层破碎带等问题越来越多。使得钻孔施工作业的难度增大。如果处理不当，钻孔冲洗液严重漏失，还会导致钻孔掉块卡钻、孔壁坍塌、甚至埋钻、钻孔报废等严重后果。
为防治不良后果的发生，维持钻孔稳定，在浅层可以下二层套管。但如果孔深较大，采用全孔二层套管成本太高，存在作业工期较长，影响工程进度。
有鉴于此，提供一种能够节约成本、方便施工的钻探施工过采空区的方法成为必要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够节约成本、方便施工的钻探施工过采空区的方法。
本发明技术方案提供一种钻探施工过采空区的方法，包括如下步骤：
s01：充分收集钻孔地区的地质资料，了解地层和采空区的情况，制定钻孔的施工方案；
s02：采用钻杆带动钻头向下开孔钻进；
s03：当钻头穿透采空区后，停止钻进，并提升钻头及钻杆；
s04：取下钻头，将采空区套管连接在钻杆上；
通过钻杆将采空区套管下移至采空区的位置，并使采空区套管的上端位于采空区的上方，采空区套管的下端位于采空区下方；
s05：反转钻杆，将钻杆与采空区套管分离，并提升钻杆；
s06：向钻孔内浇筑水泥浆，直至水泥浆没过采空区套管的上端；
s07：静置一段时间，直到水泥浆凝固形成水泥层；
s08：再通过钻杆带动钻头向下钻进直至穿透水泥层；
s09：对水泥层中的钻孔进行清洗；
s010：继续钻进直至钻头钻进至煤层底板。
进一步地，在所述步骤s02中还包括钻透位于采空区上方的松散层的步骤，包括：
s021：当钻头穿透松散层后，停止钻进，并提升钻头及钻杆，取下钻头，将松散层套管连接在钻杆上；
s022：通过钻杆将松散层套管下移至松散层的位置，并使松散层套管的上端位于松散层的上方，松散层套管的下端位于松散层下方；
s023：反转钻杆，将钻杆与松散层套管分离，并提升钻杆；
s024：在钻杆上重新安装钻头，并带动钻头穿过松散层套管继续向下钻进。
进一步地，在所述步骤s01中预估采空区的厚度为h；
在所述步骤s03中还包括：
s031：在钻进过程中使用冲洗液来清洗钻孔；
s032：估算并设定冲洗液在单位时间内的消耗量阈值；
s033：观测冲洗液在单位时间内的消耗量；
s034：当冲洗液在单位时间内的消耗量明显大于消耗量阈值时，并记录岩层的位置；
s035：采用泥浆继续钻进，快速向下钻进h+h的距离之后，停止钻进，其中h＞0。
进一步地，在所述步骤s034中还包括：
当冲洗液在单位时间内的消耗量明显大于消耗量阈值时，判断消耗量增加的原因；
如是因出现采动裂隙导致消耗量增加，对采动裂隙堵漏；
如是因处于采空区而导致消耗量增加，则泥浆继续钻进，快速穿过采空区。
进一步地，当对采动裂隙堵漏后，冲洗液的消耗量保持大于消耗量阈值，则判断钻头已经钻进采空区。
进一步地，在所述步骤s035中还包括：
通过设置在钻机上的钻孔电视观测钻头的钻进进度；
当钻孔出现明显的空洞时，再继续往下钻进；
在钻头钻取的岩芯比较完整时，判断钻头穿过采空区，停止钻进。
进一步地，在所述步骤s09中还包括：
用清水冲洗水泥层中的钻孔，直至回水清澈。
进一步地，在所述步骤s04中还包括：
s041：将两段采空区套管通过反向丝扣连接；
s042：在两段采空区套管的外壁上焊接连接钢条；
s043：将上段的采空区套管与钻杆通过正向丝扣连接。
进一步地，在所述步骤s041中还包括：在两段采空区套管的反向丝扣上分别涂覆密封脂。
进一步地，在所述步骤s06中：水泥浆没过采空区套管的上端1-3m。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的钻探施工过采空区的方法，采用采空区套管对采空区区域的钻孔孔壁进行保护，然后再在采空区套管中浇筑水泥层，再在水泥层中钻孔，然后继续钻进，避免了全孔套管护壁，既能节约管材、又能达到保护孔壁的目的，同时可有效节约工期。
附图说明
图1为本发明实施例中钻孔、松散层套管、采空区套管的布置示意图；
图2为本发明实施例中采空区套管与钻杆的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
结合图1-2所示，本发明一实施例提供的一种钻探施工过采空区的方法，包括如下步骤：
s01：充分收集钻孔地区的地质资料，了解地层和采空区的情况，制定钻孔的施工方案。
s02：采用钻杆6带动钻头向下开孔钻进。
s03：当钻头穿透采空区3后，停止钻进，并提升钻头及钻杆6。
s04：取下钻头，将采空区套管4连接在钻杆6上。
通过钻杆6将采空区套管4下移至采空区3的位置，并使采空区套管4的上端位于采空区3的上方，采空区套管4的下端位于采空区3下方。
s05：反转钻杆6，将钻杆6与采空区套管4分离，并提升钻杆6。
s06：向钻孔1内浇筑水泥浆，直至水泥浆没过采空区套管4的上端。
s07：静置一段时间，直到水泥浆凝固形成水泥层。
s08：再通过钻杆6带动钻头向下钻进直至穿透水泥层。
s09：对水泥层中的钻孔进行清洗。
s010：继续钻进直至钻头钻进至煤层底板。
本发明提供的钻探施工过采空区的方法，同样适用于巷道、老窑、断层破碎带。
在施工时，先采用直径较大的钻头，向下钻进形成钻孔1，钻孔1应该穿透采空区3。
然后向钻孔1对应采空区3的位置下采空区套管4(飞管)，采空区套管4的长度应当大于采空区3紧挨着钻孔1处的厚度。将采空区套管4下到位之后，使的采空区套管4的上端位于采空区3的上方，采空区套管4的下端位于采空区3下方。
然后，通过设备向钻孔1内浇筑水泥浆，直至水泥浆没过采空区套管4的上端。再静置一段时间待水泥浆凝固成型，形成水泥层。水泥层可以将采空区套管4固定在钻孔内。
再通过直径小于采空区套管4的直径的钻头向下钻进，并钻头水泥层。在水泥层中形成的钻孔进行清洗，以免对后续钻孔及观测造成影响。
然后再采用钻头继续钻进，在采空区3的下方形成钻孔2，钻头钻进至煤层底板后停止钻进，完成钻探施工过采空区的作业。
在步骤s01中需要预计并确定钻孔的终孔深度、终孔孔径，确定钻孔的开孔孔径及松散层套管的管径及长度。
预估需要穿越的采空区的位置、空洞状况、长度以及其它砾岩岩层段或破碎岩层的层位及位置、预采取的护壁措施，初步确定过采空区的采空区套管4的长度及孔径。
每个阶段可以采用合适的钻头钻进。
由此，本发明提供的钻探施工过采空区的方法，采用采空区套管对采空区区域的钻孔孔壁进行保护，然后再在采空区套管中浇筑水泥层，再在水泥层中钻孔，然后继续钻进，避免了全孔套管护壁，既能节约管材、又能达到保护孔壁的目的，同时可有效节约工期。
在其中一个实施例中，在所述步骤s02中还包括钻透位于采空区上方的松散层的步骤，包括：
s021：当钻头穿透松散层后，停止钻进，并提升钻头及钻杆6，取下钻头，将松散层套管5连接在钻杆6上。
s022：通过钻杆6将松散层套管5下移至松散层的位置，并使松散层套管5的上端位于松散层的上方，松散层套管5的下端位于松散层下方。
s023：反转钻杆6，将钻杆6与松散层套管5分离，并提升钻杆6。
s024：在钻杆6上重新安装钻头，并带动钻头穿过松散层套管5继续向下钻进。
通过下松散层套管5，可以对钻孔1对应松散层的位置进行保护，避免因松散层塌落影响钻孔作业。
在其中一个实施例中，在所述步骤s01中预估采空区的厚度为h。
在所述步骤s03中还包括：
s031：在钻进过程中使用冲洗液来清洗钻孔。
s032：估算并设定冲洗液在单位时间内的消耗量阈值。
s033：观测冲洗液在单位时间内的消耗量。
s034：当冲洗液在单位时间内的消耗量明显大于消耗量阈值时，并记录岩层的位置。
s035：采用泥浆继续钻进，快速向下钻进h+h的距离之后，停止钻进，其中h＞0。
如果冲洗液在单位时间内的消耗量明显大于消耗量阈值时，说明钻孔中的清洗液泄露，有可能钻头已经处于采空区3中。此时记录岩层的位置。消耗量阈值可以根据需要提前估算。
又原先预估采空区的厚度为h，则从该泄露处岩层的位置继续向下钻进h，则可能已经穿透采空区3。为了保证能够穿透采空区3，再继续向下钻进h，以确保钻孔穿透采空区3。其中h和h可以根据需要估算和设定。
在其中一个实施例中，在所述步骤s034中还包括：
当冲洗液在单位时间内的消耗量明显大于消耗量阈值时，判断消耗量增加的原因。
如是因出现采动裂隙导致消耗量增加，对采动裂隙堵漏。
如是因处于采空区3内而导致消耗量增加，则采用泥浆继续钻进，快速穿过采空区3。
对采动裂隙堵漏可以采用泥浆钻进、水泥化学浆堵漏。
通过上述判断可以判定钻孔是否进入采空区3内，为施工提供了判断依据。
在其中一个实施例中，当对采动裂隙堵漏后，冲洗液的消耗量保持大于消耗量阈值，则判断钻头已经钻进采空区。
在其中一个实施例中，在所述步骤s035中还包括：
通过设置在钻机上的钻孔电视观测钻头的钻进进度。
当钻孔出现明显的空洞时，再继续往下钻进。
在钻头钻取的岩芯比较完整时，判断钻头穿过采空区3，停止钻进。
通过钻孔电视可以实时观测钻孔的钻进情况，方便实时了解钻进情况。
在其中一个实施例中，在所述步骤s09中还包括：用清水冲洗水泥层中的钻孔，直至回水清澈，以免对后续通过钻孔电视进行观测造成影响。
在其中一个实施例中，在所述步骤s04中还包括：
s041：将两段采空区套管4通过反向丝扣连接。
s042：在两段采空区套管4的外壁上焊接连接钢条7。
s043：将上段的采空区套管4与钻杆6通过正向丝扣连接。
反向丝扣为反向螺纹，正向丝扣为正向螺纹，将两段采空区套管4通过反向丝扣连接，将上段的采空区套管4与钻杆6通过正向丝扣连接，方便反向转动钻杆6时，将钻杆6与采空区套管4分离。
在两段采空区套管4的接口处的外壁上焊接四段长约30cm、宽约3～5cm的钢条7，避免下管过程中或在钻杆6与采空区套管4套管分离时，两段采空区套管4脱落。
在其中一个实施例中，在所述步骤s041中还包括：在两段采空区套管4的反向丝扣上分别涂覆密封脂，提高密封性能。密封脂为高压密封脂。
在其中一个实施例中，在所述步骤s06中：水泥浆没过采空区套管的上端1-3m，可以保证成型后的水泥层贯通采空区套管4。
由此，本发明提供的钻探施工过采空区的方法，通过开钻前对地质
采矿资料进行分析，考虑地层原生裂隙及采空区空腔，制定详细的施工实施方案及护壁预案；在钻探过程中，为防治钻孔坍塌、掉块卡钻等情况发生，通过冲洗液消耗量的变化、钻孔电视的观测判断采空区的位置、长度等工况，从而确定采空区套管4的长度；从采空区下部岩层的完整程度和终孔孔径确定出采空区套管4的直径，采空区套管4间连接采用反向丝扣连接，并在外部焊接钢条7，提高了连接的稳定性。采用钻杆6把采空区套管4从孔口下放到采空区进行护壁，然后采用水泥浆护管，待水泥凝固后，扫孔、洗孔，然后继续钻进，避免全钻孔采用套管护壁，既能节约管材、又能达到保护孔壁的目的，同时可有效节约工期。
实施例：
在某煤矿赋存有22煤和42煤两层采空区的地面打钻，探测下层煤42煤采空区形成过程中覆岩破坏垮落带及导水裂隙带的发育破坏高度。
42煤采深约420m，采厚6.6m，22煤埋深约350m，钻探过程中需要穿过22煤采空区，钻孔需要钻探到42煤底板。
采用本发明提供的钻探施工过采空区的方法进行施工：
1、充分收集该煤矿及工作面以前的地质采矿资料，了解到该工作面对应的22煤层的22105工作面开采时间为2014年，采厚为3m，42煤采厚6.6m，采深约420m～427m，根据地层情况编制了详细的钻孔施工实施方案。
2、根据42煤的采深，预计钻孔的终孔深度为430m，开孔孔径190mm，终孔孔径94mm。
预估需要穿越的采空区底部位置为距孔口350m，采空区套管4长度约18m，预估采空区套管4的孔径113mm。
3、按照施工方案，采用直径为的钻头开孔钻进。当穿透松散层后下长度为43.8m、直径为的松散层套管，进行护壁。
4、采用的钻头继续钻进。
钻进过程中采用清水作为冲洗液，并观测冲洗液液消耗量的变化，当钻进至距孔口259.7m时，冲洗液消耗量明显增大。分析原因后，认为是采动裂隙所致。对采动裂隙堵漏及采用泥浆钻进，往下段钻进时冲洗液消耗量保持较高的消耗状态。
当钻进至346m时，通过钻进过程掉钻现象、所取岩芯及钻孔电视观测，钻孔出现明显空洞。
再往下钻进至354m时，岩芯比较完整，判断已过22煤采空区。
再往下钻进2m后停止钻进。
5、为了后续钻进安全及42煤顶板覆岩观测的方便，决定按照预计采用采空区套管4穿过采空区破碎岩层段。
选择合适尺寸采空区套管4：根据钻孔深度、钻进过程中孔壁的完整程度、岩性及已有资料分析，预判42煤顶板至356m间范围内不会有需要飞管护壁的大型空洞岩层。因此，选择采空区套管4的孔径为长度为10m。
采空区套管4的制作及要求：壁厚不宜小于4mm，直径为108mm，在相邻的采空区套管4之间连接制作成反向倒扣或反向丝扣，上端采空区套管4与钻杆6连接处采用正向丝扣连接。
反向丝扣涂有高压密封脂，接管时要上满扣，再在相邻的两段采空区套管4的接口处外壁焊接4段长约30cm、宽约3～5cm的钢条7，避免下管过程中或钻杆与采空区套管分离时，两段采空区套管4脱落。
6、下采空区套管4：
从孔口通过钻杆6把准备好的采空区套管4下入到钻孔中。通过钻杆6把采空区套管4送入到钻孔底部。注意下管过程一定要到位，避免因孔壁不光滑，卡顿在孔内某一部位。
7、通过反向旋转钻6，使钻杆6与采空区套管4分离，提升钻杆6。
8、向钻孔内浇筑水泥浆，水泥浆高度要没过采空区套管4上部约1～3m的长度，静置到水泥凝固。
9、待钻孔内的水泥浆凝固后，下钻扫孔。钻头要比采空区套管4的孔径小，避免下部钻进时，采空区套管4跟随钻杆6活动下错。
10、用清水冲洗钻孔至回水清澈，以免对后续观测造成影响。
11、钻孔清洗后，用直径为的钻头钻进至42煤底板。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种钻探施工过采空区的方法，包括如下步骤：S01：收集地质资料；S02：开孔钻进；S03：当钻头穿透采空区后，停止钻进，并提升钻头及钻杆；S04：通过钻杆将采空区套管下移至采空区的位置；S05：反转钻杆，将钻杆与采空区套管分离，并提升钻杆；S06：向钻孔内浇筑水泥浆；S07：水泥浆凝固形成水泥层；S08：钻头穿透水泥层；S09：对钻孔进行清洗；S010：继续钻进直至煤层底板。本发明公开的钻探施工过采空区的方法，采用采空区套管对采空区区域的钻孔孔壁进行保护，避免了全孔套管护壁，既能节约管材、又能达到保护孔壁的目的，同时可有效节约工期。
技术研发人员：杨俊哲;贾林刚;贺安民;王振荣;宋立兵;吕情绪;康健;李鹏;赵立钦;吴作启;孙庆先
受保护的技术使用者：神华神东煤炭集团有限责任公司;煤炭科学技术研究院有限公司
技术研发日：2019.07.15
技术公布日：2019.10.11
声明：
“钻探施工过采空区的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：神华神东煤炭集团有限责任公司;煤炭科学技术研究院有限公司
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2024年08月01日 ~ 03日 
