一种适用于离层注浆的自适应钻孔套管的制作方法

1.本实用新型属于钻孔套管技术领域，具体涉及一种适用于离层注浆的自适应钻孔套管。


背景技术：

2.目前我国对于矿山开采所引起的地表采空塌陷治理多采用充填开采技术进行超前防治。而离层注浆充填作为其中的一种主要充填技术，因其效率高、成本低、简单快捷、安全性高的优点，在近年来快速发展。离层注浆充填不仅用于采空塌陷治理，现在更多的用于矿山固废处置。该充填技术基于岩层移动与控制的关键层理论，将充填浆液准确的充填至各关键层下方动态发育的离层发育空间，进而实现减少甚至消除上方主关键层及地表的沉降变形。关键层选择与离层空间层位的确定是该技术在实际应用过程中最核心的关键点。目前主要通过前期相关地质资料预先选定离层空间位置，再通过地面钻孔将钻孔套管下放至预定层位，待离层空间产生时，及时注入浆液。因此离层空间层位的确定，对地质资料采集和人员专业水平有很高的要求，也常因为关键层判断错误，无法准确将浆液注入离层空间，导致项目失败。本实用新型旨在解决这一关键难点。


技术实现要素：

3.本实用新型克服了现有技术的不足，提出一种适用于离层注浆的自适应钻孔套管；解决目前的钻孔套管无法准确地下放至离层空间层间并注入浆液的问题。
4.为了达到上述目的，本实用新型是通过如下技术方案实现的。
5.一种适用于离层注浆的自适应钻孔套管，包括内套管与外套管，内套管从后侧插入外套管内部，外套管的内侧面分为前段与后段，后段的内径大于前段的内径，内套管的外侧面分为前段与后段，前段的外径小于后段的外径，外套管的后段在后端开口处设置有防脱环，内套管的前段在前侧边缘处设置有环形凸起，内套管的环形凸起滑动连接于外套管的后段内部，环形凸起的外径大于防脱环的内径，外套管的后段内侧面沿着其轴线设置有卡槽，内套管的前端外侧面沿着其轴线设置有内卡条，内卡条滑动连接于卡槽内部；环形凸起通过外摩擦阻尼密封环与外套管的后段内侧面紧密接触，防脱柱通过内摩擦阻尼密封环与内套管的前段外侧面紧密接触；在外套管内侧面的后段内均匀排列设置有花孔。
6.进一步的，所述外套管的前端开口处设置有一段外丝扣，内套管的后端开口处设置有一段内丝扣，前一根钻孔套管的内套管内丝扣与后一根钻孔套管的外套管外丝扣相螺接。
7.进一步的，所述防脱环的内径大于外套管内侧面前段的内径并且小于外套管内侧面后段的内径；防脱环的后端通过第二锥面与外套管的外侧面后端边缘相过渡连接，防脱环的前端通过第三锥面与外套管内侧面的后段相过渡连接。
8.进一步的，在外套管内侧面的后段内，沿着周圈分别均匀设置有四组外卡条，每组内部外卡条的数量为两个，外卡条沿着外套管轴线的方向固定设置于后段的内壁上，外卡
条的两端分别延伸至外套管内侧面的前段处以及防脱环处。
9.进一步的，每组内部的两个外卡条之间构成一个卡槽，所述卡槽贯穿于防脱环并延伸至外套管的后端开口处。
10.进一步的，在外套管内部，前段与后段的连接处通过第一锥面相连接。
11.进一步的，外套管的外侧面保持同一个外径，内套管的内径保持同一个内径，外套管的外径与内套管后段的外径相等，外套管前段的内径与内套管的内径相等。
12.进一步的，环形凸起的外径大于内套管外侧面前段的外径并且小于内套管外侧面后段的外径，环形凸起的外径小于外套管内侧面的后段内径，环形凸起的前端通过第五锥面与内套管的前端开口处过渡连接，环形凸起的后端通过第六锥面与内套管的前段外侧面相过渡连接。
13.进一步的，在环形凸起的外侧圆周面上沿着周圈均匀设置有四个开槽，四个开槽的底面外径与内套管的前段外径相等，开槽沿着内套管的轴线贯穿于环形凸起，在每个开槽内分别设置有一个内卡条，所述内卡条沿着内套管的轴线延伸设置，并延伸至内套管外侧面的后段。
14.更进一步的，内套管的外侧面上，前段与后段的连接处通过第四锥面相连接。
15.本实用新型相对于现有技术所产生的有益效果为：
16.（1）无需预先判定关键层位置及离层注浆的层位，同时避免应判断失误造成浆液无法注入。
17.（2）整个地层会有若干个关键层，随着采动空间的发育，离层空间由下往上逐步产生，常需要多个层位注浆。在此情况下，传统技术需要在原套管上离层对应位置进行射孔等套管开窗操作，实际作业难度较高。或者重新打钻孔至新离层空间注浆层位。本实用新型中的多个钻孔套管可以对应于多个离层层位进行自适应错位注浆，保证浆液可以准确地进入各个离层空间，不再套管开窗操作或者重新钻孔，大大减少了工作量，提高了离层注浆的准确率。
18.（3）离层注浆减沉项目常常会因为初次注浆后随着浆液中水分的流失而在其上某些层位产生二次离层，此刻需要及时补充浆液。对于传统技术，同样需要对套管进行开窗操作。而本实用新型则可以自适应离层位置进行二次注浆，省去后续的离层空间判断以及开窗操作等流程，节省了大量的工作量。
附图说明
19.下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：
20.图1是本实用新型中外套管的立体示意图；
21.图2是本实用新型中外套管的侧视图；
22.图3是本实用新型中外套管的后视图；
23.图4是图3中的a-a剖视图；
24.图5是图4中的b-b剖视图；
25.图6是图4中的c-c剖视图；
26.图7是图4中的d-d剖视图；
27.图8是图6中的e-e剖视图；
28.图9是本实用新型中外套管半剖后的立体示意图一；
29.图10是本实用新型中外套管半剖后的立体示意图二；
30.图11是本实用新型中外套管剖切后的立体示意图三；
31.图12是外套管与内摩擦阻尼密封环的连接示意图；
32.图13是图12中的
ⅱ‑ⅱ
断面图；
33.图14是本实用新型中内套管的立体示意图一；
34.图15是本实用新型中内套管的立体示意图二；
35.图16是本实用新型中内套管的后视图；
36.图17是图16中的a-a剖视图；
37.图18是图16中的e-e剖视图；
38.图19是图18中的b-b剖视图；
39.图20是图17中的c-c剖视图；
40.图21是内套管与外摩擦阻尼密封环的连接示意图；
41.图22是图21中的
ⅲ‑ⅲ
断面图；
42.图23是内套管与外套管无相对错动时的连接示意图；
43.图24是图23中的
ⅴ‑ⅴ
断面图；
44.图25是图23中的
ⅵ‑ⅵ
断面图；
45.图26是内套管与外套管有相对错动时的连接示意图；
46.图27是图26中的
ⅶ‑ⅶ
断面图；
47.图28是图26中的
ⅶ‑ⅶ
断面图；
48.图29是本实用新型中的钻孔套管在无离层时的注浆示意图；
49.图30是图29中的局部放大示意图；
50.图31是本实用新型中的钻孔套管在有离层时的注浆示意图；
51.图32是图31的局部放大示意图；
52.图33是地层离层空间产生原理示意图；
53.其中，1为外套管、2为外丝扣、3为第一锥面、4为防脱环、5为第二锥面、6为第三锥面、7为外卡条、8为卡槽、9为花孔、10为内摩擦阻尼密封环、11为内套管、12为内丝扣、13为环形凸起、14为第四锥面、15为第五锥面、16为第六锥面、17为开槽、18为内卡条、19为外摩擦阻尼密封环、20为上层岩石、21为下层岩石。
具体实施方式
54.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。下面结合实施例及附图详细说明本实用新型的技术方案，但保护范围不被此限制。
55.本实用新型提供了一种适用于离层注浆的自适应钻孔套管，包括一个内套管11以及一个外套管1，内套管11插接于外套管1的内部。
56.如图1-13所示，所述外套管1为前后两端开口的圆筒状结构，在其前端开口处设置有一段外丝扣2，外丝扣2的外径小于外套管1的外径。
57.外套管1的内侧面分为两段，分别为前段与后段，前段的内径小于后段的内径，前段的长度小于后段的长度。外丝扣2的内径与前段的内径相等。在外套管1内部，前段与后段的连接处通过第一锥面3相连接，第一锥面3的两端直径分别与前段以及后段的内径相等。
58.后段的后端出口处设置有一个防脱环4，所述防脱环4的内径大于前段的内径并且小于后段的内径。防脱环4的后端通过第二锥面5与外套管1的外侧面后端边缘相过渡连接，第二锥面5的前后两端直径分别与防脱环4的内径以及外套管1的外径相等。防脱环4的前端通过第三锥面6与外套管1内侧面的后段相过渡连接，第三锥面6的前后两端直径分别与后段内径以及防脱环4内径相等。
59.在外套管1内侧面的后段内，沿着周圈分别均匀设置有四组外卡条7，每组内部外卡条7的数量为两个，外卡条7沿着外套管1轴线的方向固定设置于后段的内壁上，外卡条7的两端分别与第一锥面3以及第三锥面6相连接。每组内部的两个外卡条7之间构成一个卡槽8，所述卡槽8贯穿于防脱环4并延伸至外套管1的后端开口处。所述外卡条7的内侧面为圆弧面，外卡条7的内径与防脱环4的内径相等。
60.在外套管1内侧面的后段内，任意两组外卡条7之间设置有两排花孔9，每排花孔9沿着外套管1的轴线均匀间隔排列设置。
61.在外套管1内部的防脱环4处，其内侧面上沿着周圈设置有一圈内摩擦阻尼密封环10，所述内摩擦阻尼密封环10紧贴防脱环4内侧面以及卡槽8的内壁、底面所设置。
62.如图14-22所示，所述内套管11为前后两端开口的圆筒状结构，在其后端开口处设置有一段内丝扣12，外套管1上的外丝扣2可以螺接于内套管11上的内丝扣12内部。
63.内套管11的外侧面分为两段，分别为前段以及后段，前段的外径小于后段的外径，前段的长度大于后段的长度。内丝扣12的外径与后段的外径相等。内套管11的外侧面上，前段与后段的连接处通过第四锥面14相连接，第四锥面14前后两端的直径分别与前段以及后段的外径相等。
64.内套管11的前段插入外套管1的后段内部。外套管1的外侧面保持同一个外径，内套管11的内径保持同一个内径，外套管1的外径与内套管11后段的外径相等，外套管1前段的内径与内套管11的内径相等。
65.内套管11前段的前侧边缘处设置有一个环形凸起13，环形凸起13的外径大于前段的外径并且小于后段的外径。环形凸起13的外径小于外套管1内侧面的后段内径，从而使得环形凸起13可以在外套管1的后段内部滑动。环形凸起13的前端通过第五锥面15与内套管11的前端开口处过渡连接，第五锥面15的前后两端直径分别与内套管11的内径以及环形凸起13的外径相等。环形凸起13的后端通过第六锥面16与内套管11的前段外侧面相过渡连接，第六锥面16的前后两端直径分别与环形凸起13的外径以及内套管11的前段外径相等。
66.在环形凸起13的外侧圆周面上沿着周圈均匀设置有四个开槽17，四个开槽17的底面外径与内套管11的前段外径相等，开槽17沿着内套管11的轴线贯穿于环形凸起13。在每个开槽17内分别设置有一个内卡条18，所述内卡条18沿着内套管11的轴线延伸设置，内卡条18的一端与第五锥面15过渡连接，内卡条18的另一端与第三锥面6相过渡连接。每个内卡条18与所在开槽17的两个侧壁距离相等。所述内卡条18的外侧面为圆弧面，内卡条18的外径与环形凸起13的外径相等。
67.在内套管11外侧的环形凸起13的外侧圆周面上，沿着周圈设置有一圈外摩擦阻尼
密封环19，所述外摩擦阻尼密封环19环形凸起13的外侧圆周面、开槽17的侧壁、开槽17的底面、内卡条18的外侧面所设置。
68.内套管11插接于外套管1内部时，内套管11的环形凸起13伸入外套管1的后段内部，内套管11上的四个内卡条18分别滑动连接于外套管1内部的四个卡槽8内部，即每个内卡条18分别卡接于两个外卡条7之间，使得内套管11在外套管1内部无法转动。内套管11上的环形凸起13设置于外套管1的防脱环4内部，通过防脱环4的限位，使得内套管11无法从外套管1中脱出。
69.通过在内套管11的环形凸起13外侧面上设置外摩擦阻尼密封环19，使得环形凸起13在外套管1内部滑动过程中与外套管1的后段内壁保持紧密接触，环形凸起13的两侧不会发生浆液流通。通过在外套管1的防脱环4内侧面上设置内摩擦阻尼密封环10，使得防脱环4与内套管11在相对滑动的过程中与内套管11的前段外壁保持紧密接触，防脱环4的两侧不会发生浆液流通，即外套管1内部的浆液不会从防脱环4处渗出。
70.通过设置外摩擦阻尼密封环19以及内摩擦阻尼密封环10，当钻孔套管保持竖直时，即外套管1前端竖直向下时，外摩擦阻尼密封环19以及内摩擦阻尼密封环10的阻尼作用可以防止外套管1在无外力的作用下自由向下移动，使得内套管11与外套管1的相对位置保持稳定，只有受到离层产生时的外力才会发生相对错动。
71.通过在内套管11与外套管1之间设置内卡条18与卡槽8，可以保证在向钻孔内放置钻孔套管是内套管11与外套管1之间不会相对转动，而只能沿着轴线相对滑动。
72.本实用新型的工作原理为：
73.按照岩层控制的关键层理论，覆岩离层出现的必要条件为上层岩层的变形挠度w1小于下层岩层的挠度w2，因非协调变形而导致离层产生。由于关键层与其控制的上覆岩层同步协调下层，离层主要在各关键层下出现（如图33所示）。
74.本实用新型提供的钻孔套管在注浆钻孔的整个建设期内的使用与传统套管相同，将本实用新型中的多根钻孔套管依次螺接，即将后一根钻孔套管的外套管1外丝扣2螺接于前一根钻孔套管的内套管11内丝扣12处，从而依次将钻孔套管螺接起来，并依次放置于钻孔内。当钻孔套管依次插接入钻孔内部后，外套管1的外侧面固定于下层岩石21中，内套管11的后段外侧面固定于上层岩石20中。如图23、24、25、29、30所示，在此过程中，内套管11均保持在外套管1内部的最大插入量，即外套管1与内套管11无相对错动，此时内套管11的环形凸起13位于外套管1内部的第一锥面3处，外套管1内部的防脱环4位于内套管11外侧的第三锥面6处，外套管1上的花孔9与外套管1的前段内侧以及内套管11的内侧被内套管11上的环形凸起13所封闭，那么钻孔套管内部输入的浆液无法到达花孔9，那么也就无法通过花孔9溢出至钻孔套管外侧。
75.如图26、27、28、31、32所示，当钻孔在注浆运行期时，上下岩层发生相对垂直位移时，下层岩石21下移的距离大于上层岩石20下移的距离，那么下层岩石21带动外套管1下移的距离大于上层岩石20带动内套管11下移的距离，内外套管1就会发生相对错动，内套管11向着外套管1的后端伸出一部分，此时外套管1上的一部分花孔9露出至内套管11的环形凸起13的前侧，这样露出的花孔9就与内套管11的内侧以及外套管1的前段内侧相连通，钻孔套管内部的浆液就从露出的花孔9溢出至钻孔套管外侧。由于露出的花孔9位于上层岩石20与下层岩石21的离层处，溢出的浆液会将离层空间充满，完成离层空间的注浆工作。
76.由于本实用新型提供的钻孔套管可以根据离层的产生自动伸长而溢出浆液，从而将离层空间充满，完成注浆，实现了自适应功能，不再需要预先选定离层空间位置，也就省去了前期的离层空间层位判断确定工作，大大提高了离层空间层位的注浆成功率与效率。
77.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。