一种速凝浆液注浆固结系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在松散软弱破碎地层钻孔内不提钻防塌注浆固结系统及其安全操作工艺，属于矿山、交通、水利水电等隧道及地下工程钻探和围岩注浆加固领域。
【背景技术】
[0002]目前在矿山、隧道及地下工程施工中，经常遇到松散软弱破碎甚至富水的不良地质环境，经常出现围岩变形、坍塌甚至出现突水突泥的地质灾害。在对地质灾害治理中，须通过注浆钻孔对不良地质体进行注浆加固。但在注浆钻孔施工中，经常出现钻孔缩径，孔壁坍塌，孔内掉块等孔壁失稳现象，造成钻孔内的钻具被埋、被卡等钻孔事故。为防止出现因孔壁失稳造成的钻孔事故，除在钻进中采取预防措施外，还要专门对钻孔孔壁进行注浆加固。钻进中的预防措施是在软岩和易缩径地层内使用肋骨钻头，其目的是尽量增大钻孔孔径；调节冲洗液性能或采用注浆加固方式防止坍塌。钻进中一旦因为孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，处理措施是先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔夕卜，然后采用套取，锥取的办法处理被埋或卡夹部位，等把钻头打捞出钻孔后再对钻孔进行注浆；注浆后在钻孔内再次下入钻具复钻，如此反复。其弊端是钻进和注浆不连续，工序衔接差，效率低，注浆时通过孔口管把浆液压入全孔段，对钻孔深部松散软弱破碎的局部注浆的针对性不强，注浆加固效果差。正是因为传统钻机的上述特征，使用的水泥浆固结候凝时间很长，一般候凝时间72小时；在同一松软破碎孔段内，经常遇到本次注浆还未固结，又发生孔壁坍塌的事故，造成反复注浆，反复钻进，浪费大量的时间和成本。对于治理突水突泥这种抢险工程极为不利。当上述问题出现在关键钻孔并造成关键孔报废时，会给整个治灾工程带来难以挽回的损失。
[0003]传统的注浆加固结构装置的结构中，存在下述缺点:
[0004]1.在松散破碎地层内钻进防塌的钻头使用方面，一般多选用三翼无芯钻头或roc无芯钻头。在钻进过程中，钻头在坍塌掉块孔内只能向前推进和回转，而无法向后回拉；一旦在钻头以上钻杆与孔壁之间出现孔壁缩径或掉块，就会出现钻具被夹卡事故，因缺乏向上和侧部的切削刃，这类钻头难以消除钻头以上部位的孔壁缩径或坍塌掉块，难以顺利把钻具提出孔外。
[0005]2.传统钻头的水口都设置在钻头底部，难以通过喷射注浆浆液对孔壁进行固结，即使通过钻头体上的水口进行喷射注浆，浆液只能向钻头底部方向喷射，难以向侧部和上部喷射，喷射没有针对性且不均匀，对松散破碎围岩喷射加固效果较差。
[0006]3.由于速凝浆液的凝固时间短，操作工艺复杂，安全风险大，传统的钻具在使用时，一旦出现卡钻掉钻等事故，不能将钻头拉回，因此根本无法在浆液初凝时间以内完成事故的处理，导致速凝浆液凝固，将钻头和孔壁固结，造成更难解决的工程事故。因此注浆时无法使用速凝浆液，而选择候凝时间为72小时的浆液，这大大拖延了施工进度。
【发明内容】
[0007]为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种在松散软弱破碎地层钻孔内速凝浆液注浆固结系统及其使用方法。
[0008]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种速凝浆液注浆固结系统，包括:
[0010]注浆栗；
[0011]高压管路，所述高压管路与所述注浆栗连接；
[0012]坑道钻机，所述坑道钻机与所述高压管路连接；
[0013]外平钻杆，所述外平钻杆与所述坑道钻机固定连接；
[0014]密封装置，所述密封装置在钻孔孔口处套在所述外平钻杆上，用以保证所述外平钻杆与钻孔孔口密封；
[0015]双向肋翼喷射注浆钻头，所述双向肋翼喷射注浆与所述外平钻杆连接；
[0016]所述注浆栗通过喷射肋翼钻头向坑道静压渗透喷射速凝浆液，所述坑道钻机通过所述外平钻杆带动所述喷射肋翼钻头回转，通过喷射的浆液和所述肋翼的回转，切削消灭掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。
[0017]使用防坍塌注浆固结装置，在施工过程中可以起到防掉钻的作用，能有效的控制钻机修复孔壁的作业时间，因而可以使用速凝浆液对钻孔注浆，大大节约了施工时间，降低时间成本。
[0018]用于钻孔静压渗透旋喷注浆的孔口密封装置，包括:
[0019]与孔口管连接的护管法兰；
[0020]设于孔口管内的内衬套及内衬套底托，所述内衬套的上端口设有内衬套法兰，下端连接内衬套底托，所述内衬套底托为圆盘状、中心设有用于所述外平钻杆通过的圆孔；
[0021]水封，所述水封置于所述内衬套内，用于封闭所述外平钻杆和所述内衬套之间间隙，所述水封上设有进水管和与进水管连接的高压阀门；
[0022]用于固定所述护管法兰和所述内衬套法兰的压盖法兰；
[0023]通过调节注入所述水封内的注水量，来控制孔口密封装置的密封与否及密封程度，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况。
[0024]孔口密封装置设置孔口管可以起到很好的密封钻孔孔口的作用，保证孔口密封装置的密闭效果。孔口密封装置便于拆卸，可以方便的满足清洗钻孔时的要求。
[0025]所述孔口密封装置可以通过调节所述水封的注水量，来控制孔口密封装置的密封与否及其密封程度，以适应所述钻孔对不同密封要求的相应情况:水封未注清水时，可以满足孔口处留有空隙的要求，便于观察钻孔内是否注满浆液；水封注入清水后，可以达到孔口密封的效果，使注浆能够达到一定的压力。
[0026]内衬套、内衬套底托和内衬套法兰的巧妙设计，既可以解决水封的放置问题，又可以起到进一步的密封效果。
[0027]压盖法兰的设计，可以固定注水后膨胀的水封。同时可以限制水封膨胀方向，使之只能向钻杆方向膨胀。
[0028]所述双向肋翼喷射注浆钻头，包括与外平钻杆连接的钻头体，所述钻头体的侧面沿钻头纵向设有肋翼，所述肋翼包括设于所述钻头前端的正向翼片、设于所述钻头后端的反向翼片、和连接所述正向翼片和反向翼片的侧向翼片，所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为钝角；所述肋翼上设有硬质碎块；所述钻头体内部设有与所述外平钻杆的通孔连通的内通眼，所述钻头体表面设有与所述内通眼连通的喷射孔；所述钻头转动时利用所述正向翼片和反向翼片回转实现上下串动，通过钻头的所述肋翼切削消灭孔壁掉块或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的注浆加固和修复。
[0029]在钻头体表面安设肋形的肋翼，钻头转动时可以带动所述肋翼回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内，实现对所述孔壁的修复。肋翼上设有硬质碎块，起到切削刃的作用，并对掉块进行挤压破坏和剪切破坏。
[0030]钻头体特有的形状，以及正向翼片、反向翼片和侧向翼片的设置，实现了钻头体回拉切削掉块的功能，解决了一般钻头只能向前推进、回转，而无法向后回拉；导致在钻进过程中，一旦在钻头体上部发生孔壁缩径、坍塌、掉块等原因出现钻孔事故，只能先把钻孔内被埋卡夹的部位以上的钻杆卸开提出钻孔外，再单独打捞钻头这一技术难题。
[0031]所述双向肋翼喷射注浆钻头的后端通过单向阀与所述外平钻杆连接；所述双向肋翼喷射注浆钻头后端的内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型均相同。
[0032]设置单向阀可以保证浆液流动方向的单向性，避免钻孔内未凝固的浆液向钻杆内回流。内扣螺眼扣型、单向阀扣型与外平钻杆的扣型相同，有利于部件的顺利连接。
[0033]所述喷射孔分布于所述钻头体的前端、侧面、和后端。
[0034]在钻头体的前端、侧面和后端均设有喷射孔，解决了传统钻头只能向钻头底部方向喷射的技术问题，使浆液能够向侧部和上部喷射，喷射更加具备针对性，也更加均匀，大大改善了松散破碎围岩的喷射加固效果。同时配合反向翼片和侧向翼片的工作，有利于对钻孔坍塌段的全方位切削和修复。
[0035]所述肋翼为三个，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置；所述正向翼片和反向翼片与所述侧向翼片的夹角均为135° ;所述肋翼的厚度为20mm，侧面高度由钻孔孔径与所述钻头体直径之差确定。
[0036]所述肋翼为三个，上下两端为三角锥形，在所述钻头体横截面上呈120度均匀布置，符合力学原理，可以更好的实现回转切削消灭掉块，或者把掉块重新挤到孔壁内的作用。
[0037]所述肋翼上设有若干硬质合金碎块；各所述肋翼的侧缘至所述钻头体轴线的距离相等。
[0038]所述肋翼上设有硬质合金碎块，利用其高硬度的特点，可以进一步的达到对掉块挤压破碎和剪切破坏的作用，以实现对所述孔壁的修复。
[0039]—种速凝浆液注浆固结系统的安装方法，包括以下步骤:
[0040]步骤1:自下而上依次连接喷射肋翼钻头，单向阀，和外平钻杆；
[0041]步骤2:安装密封装置，将所述密封装置套在所述外平钻杆外，固定于钻孔孔口处；
[0042]步骤3:外平钻杆穿过坑道钻机的卡盘后，依次与高压管路、注浆栗连接。
[0043]其中，步骤2中，所述安装密封装置包括:将连接为一体的内衬套托底、内衬套和内衬套法兰放入连接有护管法兰的孔口管内，将水封放入所述内衬套内，把压盖法兰通过紧固螺栓与所述内衬套法兰、和护管法兰连接；所述法兰之间放有密封胶垫；所述水封的进水口与高压阀门连接。
[0044]一种速凝浆液注浆固结系统的使用方法，包括以下步骤:
[0045]步骤1:将连接有外平钻杆的双向肋翼喷射注浆钻头送入钻孔内一定深度，将所述密封装置套在所述外平钻杆外，固定于钻孔孔口处，外平钻杆穿过坑道钻机的卡盘后，依次与高压管路、注浆栗连接；
[0046]步骤2:向所述钻孔内注入稀水泥浆冲洗钻孔；当所述稀水泥浆注满所述钻孔