在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注浆工艺及注浆装置技术领域
本发明涉及煤矿井筒突水涌砂治理的技术领域，尤其涉及一种在
深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注浆工艺及注浆装置。
背景技术
煤矿井筒(立井或斜井)在穿越深厚饱水砂层时，为了提高井筒
掘进效率并防止水砂涌入井筒掘进作业面，冻结法是较为常用的地层
处理方法之一。利用冻结法将井筒穿越的地层一定范围内的饱水砂层
进行冻结，将可流动的水和松散的砂固化为一个类结石体，然后在该
类结石体中进行井筒掘进作业，由此井筒掘进作业面会保持一个相对
稳定的少水环境。在完成井筒砂层段施工并进入基岩后，会停止地层
冻结，饱水砂层将逐渐解冻。冻结壁的逐渐消失，将沟通井筒与冻结
壁外围的饱水砂层间的水力联系，井筒由少水冻结环境转入饱水环
境。
理想的井筒结构为一个对周围地层高度封闭的隔水受压构造，一
般由多层钢筋混凝土浇筑而成，但由于井筒实际的施工工艺原因，会
在井筒全长产生较多的施工缝隙和接茬。另外，由于施工质量或工序
问题，也可能在井筒上出现薄弱部位。在砂层仍处于冻结状态时，较
厚的冻结壁能够承受较大的水压力，将井筒包围在一个压力均衡的空
间中。但当冻结地层解冻后，井筒直接承受较大的地层水压力，井筒
接茬部位由于密封性较差，可能发生渗水灾害，而井筒较薄弱的部位
可能受压破坏，发生渗水、突水、溃砂等灾害，现已有多个矿井发生
过多次影响工作面作业或淹井灾害。针对上述灾害，若仅有渗水或突
水的情况下，可通过高强度排水，同时在井筒中对井筒壁进行相应处
理，可达到治理渗水或突水的目的。但若在出水过程中伴随溃砂，高
强度排水将会对大范围的砂层形成扰动，导致砂层液化，大量砂涌入
井筒中。井筒周围的饱和砂大量涌入井筒，掏空了井筒周围地层，会
改变井筒的局部受力状态，对井筒结构的稳定性和完整性造成威胁。
当前对于冻结法施工井筒涌水溃砂灾害的预防治理仍然是一个
技术难题，当井筒已经被淹没，且井筒壁多个部位发生涌砂，如何成
功将井筒周围的砂层固结，阻止砂层向井筒内溃涌是治理技术的关
键。在利用注浆固砂的技术中，由地面钻孔向深厚饱水砂层中注浆时，
采用常规的注浆装置和工艺，往往在较大的水力压力下，浆液会回流
入注浆管，并带入泥砂堵塞注浆管，导致二次注浆不能实施。另外，
由于浆液离析原因，在孔底或注浆管底容易堆积较稠浆液，使注浆孔
和注浆管的有效层段缩短，注浆效果不佳。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，
综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种在深厚饱
水砂层中防倒吸防沉淀的注浆工艺及注浆装置，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在在于提供一种在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀
的注浆工艺及注浆装置，其工序简单，操作便利，将利用地面钻孔准
确地对深厚的饱水解冻砂层进行注浆，可以实现可选注浆压力，且在
停止注浆后浆液不会倒吸入注浆管。另外，也可有效防止注浆管管底
沉浆，堵塞有效注浆层段或者注浆管上的出浆孔，并且注浆结束后对
注浆管进行清水清洗，可重复利用注浆孔和注浆管，实现对地层的间
歇多次注浆。
为解决上述问题，本发明公开了一种在深厚饱水砂层中防倒吸防
沉淀的注浆装置，包括注浆外管和注浆芯管，其特征在于：
所述注浆外管的一端封闭，另一端开口并套接于所述注浆芯管，
所述注浆芯管的中部通过一螺纹套管套入所述注浆外管，
所述注浆外管的周缘开凿有多组出浆孔，在同一径向的一组出浆
孔布置有两个或四个，且在轴向上多组出浆孔等距间隔或不等距间
隔，在注浆外管上设有多个橡胶套，各橡胶套分别覆盖于一组出浆孔，
且各橡胶套的下端与注浆外管紧密绑扎或粘结，上端依靠弹性贴靠于
注浆外管。
其中：所述注浆芯管的另一端套接有另一螺纹套管。
其中：所述注浆外管上的各组出浆孔在轴向上的间距为500mm，
各组出浆孔等距间隔设置为4个。
其中：所述注浆外管上的出浆孔孔径为8mm。
还公开了一种在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注浆工艺，至少
包含如下步骤：
A)制作注浆装置，在地面利用较细的注浆芯管插入较粗注浆外
管一定长度，注浆外管与注浆芯管利用螺纹套管固定，注浆外管的底
端封闭，在注浆外管的轴向上等距或不等距开凿多组出浆孔，在注浆
外管上用橡胶套将出浆孔覆盖，橡胶套下端与注浆外管紧密绑扎或粘
结；
B)形成注浆孔，在地面向砂层中钻取注浆孔，注浆孔无需设置
孔口管，注浆孔的终孔位置应超出注浆目标层底界一定长度，以便容
纳孔壁落砂；
C)向注浆孔中下设注浆装置，向孔中下设注浆装置，注浆装置
底端下入注浆目标层底界深度；
D)注浆孔中固定注浆装置，在注浆装置下设完成后，通过注浆
芯管向注浆孔中注入套壳料，待套壳料由注浆芯管与注浆孔之间的间
隙返出，携带的砂量较少作为结束标准，结束注套壳料后，向注浆芯
管中注入清水冲洗注浆芯管；
E)压力注浆，待套壳料终凝后，通过注浆芯管向注浆目标地层
中压力注浆；
F)清水洗管，当单个注浆孔吃浆量较大时，停止注浆，并向注
浆芯管中注入清水冲洗注浆管路；
G)二次注浆，待第一次注浆浆液达到初凝后进行二次注浆，即
再此进行步骤E和步骤F。
通过上述结构可知，本发明的在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的
注浆工艺及注浆装置具有如下效果：
1、利用地面制作的注浆装置下入注浆钻孔中，并利用套壳料对
注浆装置进行固定，然后对目标地层进行注浆，能有效防止在深厚饱
水砂层中注浆浆液倒吸的问题，可实现对单一钻孔多次注浆。
2、利用注浆芯管套接注浆外管的方式，浆液在注浆装置中形成
无死角流动，有效避免浆液在注浆管中的离析沉淀。
3、操作方便，注浆效率高，且注浆过程可控，对砂层固化效果
好。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注浆装
置的结构示意图。
图2、3显示了本发明在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注浆工
艺的实施步骤示意图。
附图标记：
11、注浆外管；12、注浆芯管；13、螺纹套管；14、出浆孔。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的在深厚饱水砂层中防倒吸防沉淀的注
浆装置。
所述注浆装置包括注浆外管11和注浆芯管12，所述注浆外管11
的一端封闭，另一端开口并套接于所述注浆芯管12，其中，所述注
浆芯管12的中部通过一螺纹套管13套入所述注浆外管11，可选的
是，所述注浆芯管12的另一端套接有另一螺纹套管13，以提供多根
注浆芯管12依次套接，以适应不同的长度和范围。
其中，所述注浆外管11的周缘开凿有多组出浆孔14，在同一径
向的一组出浆孔4可布置有两个或四个，且在轴向上多组出浆孔14
可等距间隔或不等距间隔，在注浆外管11上设有多个橡胶套15，各
橡胶套15分别覆盖于一组出浆孔14，且各橡胶套15的下端与注浆
外管11进行紧密的绑扎或粘结，上端依靠弹性贴靠于注浆外管，且
可根据注浆的具体压力确定橡胶套15的强度。由此装置，可实现浆
液由注浆芯管12进入注浆外管11，然后由注浆外管11周缘上的出
浆孔14经橡胶套15上端流出进入注浆地层，由此可见，为了防止浆
液在注浆外管的底部沉淀,所以将注浆芯管插入注浆外管的底部,且注
浆芯管上不设置出浆孔,让所有浆液从注浆芯管的底端返出,可迫使注
浆外管内的浆液全部处于流动状态。
其中，所述注浆芯管为钢管，外壁直径为20mm，壁厚为2.5mm，
所述注浆外管为钢管，外壁直径为50mm，壁厚为3mm。
其中，所述注浆芯管底端与注浆外管底端的距离为20mm，注浆
外管的底端设置为尖头。
其中，所述注浆外管上的出浆孔在长度方向上的间距一般为
500mm，径向上的出浆孔一般设置为4个，径向上的出浆孔均匀布置。
其中，所述注浆外管决定有效注浆段长度，有效注浆段长度根据
注浆目标地层的厚度决定。
其中，所述注浆外管上的出浆孔孔径为8mm。
其中，所述橡胶套在注浆过程中允许一定的变形，可保证浆液由
上端流出，且在正常注浆压力和水力压力下不发生破裂。
其中，所述橡胶套可根据设计注浆压力进行选用。
其中，所述地面注浆钻孔孔径为133mm。
其中，所述注浆钻孔孔深超出注浆目标层位底界2m。
其中，所述套壳料由水泥、粉煤灰、膨润土、水混合而成。
其中，所述压力注浆的注浆压力根据注浆目标地层的物理力学性
质具体确定。
参见图2、3，显示了本发明的注浆工艺，至少包含如下步骤：
A)制作注浆装置。在地面利用较细的注浆芯管12插入较粗注浆
外管11一定长度，注浆外管11与注浆芯管12利用螺纹套管13固定，
注浆外管11的底端封闭。在注浆外管11的轴向上等距或不等距开凿
多组出浆孔14，各组出浆孔14在径向上布置两个或四个。在注浆外
管11上用橡胶套15将出浆孔14覆盖，橡胶套15下端与注浆外管
11绑扎或粘结相对紧密，根据注浆压力确定橡胶套15的强度。
B)形成注浆孔。在地面根据设计在固定位置向砂层中钻取注浆
孔，注浆孔无需设置孔口管，钻孔完毕后不宜洗孔，注浆孔的终孔位
置应超出注浆目标层底界一定长度，以便容纳孔壁落砂。
C)向注浆孔中下设注浆装置。在完成钻孔后，向钻孔中下设注
浆装置，注浆装置可利用多根注浆芯管12逐根通过螺纹套管连接进
入注浆孔，注浆装置底端下入注浆目标层底界深度即可。
D)注浆孔中固定注浆装置。在注浆装置下设完成后，通过注浆
芯管向注浆孔中注入套壳料，待套壳料由注浆芯管与注浆孔之间的间
隙返出，携带的砂量较少作为结束标准。结束注套壳料后，向注浆芯
管中注入清水冲洗注浆芯管。
E)压力注浆。待套壳料终凝后，通过注浆芯管向注浆目标地层
中压力注浆，浆液可压裂固化的套壳料进入目标地层中，浆液固化后
可达到固化砂层的目的。
F)清水洗管。当单个注浆孔吃浆量较大时，需要间歇注浆。停
止注浆，并向注浆芯管中注入清水冲洗注浆管路。
G)二次注浆。待第一次注浆浆液达到初凝后进行二次注浆，即
再此进行步骤E和步骤F。可选的是，根据需要和注浆情况，可进行
多次注浆，既多次反复进行步骤E和步骤F。
本发明的注浆方法在陕北某煤矿巨厚饱水砂层注浆固砂堵水工
程中进行了应用，取得了如下实用效果：
1)下管成功率实现100％。由于本方法采用全钢材料，下设注浆
管和注浆装置不受注浆孔内泥浆比重、含砂量的影响，注浆管和注浆
装置下入注浆孔后，不会因水压和砂土层压力导致注浆装置变形和破
裂，影响注浆过程和质量。
2)利用本注浆方法，在巨厚饱水松散砂层中的注浆层位深度已
经达到了110m，并且此深度不是本注浆方法所达到的极限深度。根
据地层水和地层条件，注浆深度仍可扩展。在本实施例中的注浆深度，
比常规的30m深度提高了80m。
3)本发明中的注浆方法有效提高了注浆孔的利用效率。在本实
施例中，使用本注浆方法，实现了单孔的间歇多次注浆，根据实际效
果来看，若注浆和洗孔操作得当，间歇注浆次数不受限制。
4)提高了注浆压力，扩大了砂层中浆液的扩散范围。本方法注
浆控制压力可达到10MPa，且可保证注浆装置不被压裂和破坏。注浆
压力比常规方法提高数倍。
在本实施例中应用本发明的注浆方法，明显提高了注浆固砂堵水
工程的质量，且成本降低显著，综合效益较优。
通过上述结构可知，本发明的一种在深厚饱水砂层中防倒吸防沉
淀的多次注浆工艺具有如下优点：
第一，防倒吸。在注浆外管壁上的出浆孔利用橡胶套密封，实现
了浆液的单向流动特点，即浆液仅能从注浆装置内通过出浆孔及其与
橡胶套的间隙进入注浆目标地层，而不能反向流动，有效防止了倒吸
回流。
第二，防沉淀。将注浆芯管插入注浆外管，使浆液由注浆外管的
末端向上返，通过出浆孔流出注浆装置。该方法使浆液在注浆装置中
始终处于流动扰动状态，不会在注浆装置造成流速降低、浆液离析、
固体颗粒沉淀等现象。
第三，效率高。根据注浆目标地层的长度和特性设计注浆装置的
长度和出浆孔数量，单次注浆可注段较长，且可洗孔后进行间歇注浆。
第四，效果好。在对深厚砂层或水力压力较大地层进行注浆时，
利用橡胶套的密封作用，可以实现较高压力注浆以及注浆后的保压，
利于浆液在空隙中沉积和固化。
第五，效益优。利用该方法进行注浆，单孔注浆成功率较高，注
浆层位可控，可节省成本。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本
发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附
图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的
作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的
范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。