一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置及方法

技术领域

本发明涉及地层水平钻孔技术领域。具体地说是一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置及方法。

背景技术

在基坑中或隧道中的水平冻结孔一般位于软弱土层中，如淤泥质粘土层或含砂地层中，在孔口防喷装置保护下进行钻进，在泥浆泵工作情况下，水平(冻结)钻孔中在泥浆护壁下不会发生塌孔现象。一旦泥浆泵停止工作，水平钻孔内泥浆就失去了外来压力支持，只能靠孔口防喷装置之压紧装置保持一定的孔内压力。在停泵钻杆加尺期间，尽管孔口防喷装置处于压紧状态，但孔口处会发生一定数量的渗漏，这种渗漏现象导致钻孔中泥浆缺失，引起孔内泥浆压力下降，在软弱土层中，如淤泥质粘土层或含砂地层中，部分孔段护壁泥浆饼之内外压力平衡被破坏发生塌孔现象。

在现有技术下，在泥浆泵停泵情况下，水平钻孔漏失泥浆后无法得到补充，钻孔中泥浆压力下降，无法起到泥浆护壁作用。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种在停钻期间自动向水平孔内补充泥浆的一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，包括安装在施工基坑内壁面上的孔口管，所述孔口管内转动密封有水平钻杆，所述孔口管上导通安装有第一连接管，所述第一连接管上安装有止回阀，所述第一连接管内流体通过止回阀向孔口管内单向流动，所述第一连接管的另一端上安装有泥浆平衡供浆管路，所述泥浆平衡供浆管路的另一端流体导通有地面泥浆箱，所述地面泥浆箱的位置高于所述孔口管的位置；所述水平钻杆的尾端通过泵浆管路连接有泥浆泵，所述泥浆泵与地面泥浆箱流体导通。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述第一连接管上位于止回阀和孔口管之间安装有第一闸阀，所述第一连接管远离孔口管的一端上固定安装有第一接口管，所述第一接口管与所述泥浆平衡供浆管路的端部连接。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述孔口管上导通安装有第二连接管，所述第二连接管上安装有第二闸阀和安全阀。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述孔口管的端部上固定安装有阀门，所述阀门的端部上依次安装有一级孔口压紧机构和二级孔口压紧机构，所述施工基坑内安装有水平坑道钻机，所述水平钻杆驱动安装在所述水平坑道钻机上，所述水平钻杆的前端依次穿过二级孔口压紧机构、一级孔口压紧机构和阀门后穿入孔口管内，所述一级孔口压紧机构和所述二级孔口压紧机构的内壁与水平钻杆的外壁面密封贴合。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述一级孔口压紧机构包括套在水平钻杆上的第一外挡环、第二外挡环和密封筒，所述第一外挡环和所述第二外挡环分别贴合在所述密封筒的两端上，所述第一外挡环的侧壁与所述阀门的端部固定连接，所述密封筒的外壁两端上均设置有凸环，所述密封筒上分别套有第二内挡环和第一内挡环，所述密封筒一端的凸环位于第一内挡环和第一外挡环之间，所述密封筒另一端的凸环位于第二外挡环和第二内挡环之间，所述密封筒上位于第二内挡环和第一内挡环之间套有内筒和外筒，所述外筒的内径与所述内筒的外径相互匹配，所述外筒套在所述内筒上，所述内筒的一端与所述第二内挡环的侧壁固定连接，所述外筒的一端与所述第一内挡环的侧壁固定连接；所述第一外挡环和所述第一内挡环通过第一螺栓可拆卸固定连接，所述第一内挡环和所述第二内挡环通过第二螺栓可拆卸固定连接。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述二级孔口压紧机构包括套在水平钻杆上的支撑环板、外套筒、密封盘根和压紧塞，所述支撑环板与第二外挡环贴合，所述第二内挡环侧壁上、第二外挡环侧壁上和支撑环板的侧壁上均开设有通孔，所述第二内挡环、所述第二外挡环和所述支撑环板通过第三螺栓相互连接，所述密封盘根的一端与支撑环板的侧壁面贴合，所述密封盘根上套有外套筒，所述外套筒的一端与支撑环板的侧壁固定连接，所述压紧塞的一端插入所述外套筒内并与密封盘根的另一端贴合，所述压紧塞的另一端突出外套筒并固定安装有第二法兰，所述外套筒远离所述支撑环板的一端上固定连接有第一法兰，所述第一法兰和所述第二法兰通过第四螺栓可拆卸固定连接。

上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，所述施工基坑内设置有坑底泥浆沉淀池，所述地面泥浆箱安装在地面上，所述地面泥浆箱的一侧安装有地面泥浆沉淀箱，所述地面泥浆沉淀箱的一侧上部通过管路与地面泥浆箱连通，所述坑底泥浆沉淀池内设置有污泥泵，所述污泥泵的出口端上通过地面泥浆沉淀箱管路与地面泥浆沉淀箱流体导通。

一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压方法，利用上述一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，包括以下步骤：

步骤A：启动泥浆泵，通过泵浆管路将泥浆泵入水平钻杆内，流入水平钻杆底端的钻头内，从钻头水眼进入水平钻孔孔底，向水平钻孔孔底泵入泥浆，带着孔底岩粉向孔口运动，维持水平孔内泥浆护壁压力；泥浆进入孔口管，在泥浆泵压力作用下止回阀关闭；当水平钻孔内的泥浆压力达到设计值时，孔口管上的安全阀打开，产生泥浆溢流现象；驱动水平钻杆进行水平孔钻进；

步骤B：停止钻进后，泥浆泵停止运行供压，地面泥浆箱内泥浆通过泥浆平衡供浆管路供入第一连接管并推动止回阀打开，随后泥浆进入孔口管并进入水平孔内，补充水平孔内护壁泥浆并维持水平孔内护壁泥浆压力。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1、本发明，通过设置止回阀，在钻进时通过泥浆泵进行泵浆，在泥浆泵的工作压力下，止回阀能够自动关闭，保证泥浆正确流向，在停钻时，泥浆泵停止工作，地面泥浆箱内泥浆能够通过自然高差压力向水平孔内提供泥浆，泥浆平衡供浆管路可以充分供给停泵期间水平孔内的泥浆漏失、也可以保持水平孔的压力值不会发生下降现象，通过补充的泥浆对水平孔孔壁上护壁泥浆饼进行支撑，实现平衡护壁泥浆饼内侧泥浆压力和护壁泥浆饼外侧地层水压的作用，有效提高水平孔的稳定性，避免出现塌孔。

2、本发明，通过在地层上设置地面泥浆箱，地面泥浆箱与水平孔的高差与水平孔在地层内的埋深相近，使得地面泥浆箱提供的压力能够与水平孔位置处地层内水压相近，起到自动平衡压力的目的，并且地面泥浆箱内泥浆的密度高于地层内水密度，使得地面泥浆箱提供的压力大于地层内水压，起到保持水平孔内泥浆护壁压力的作用。

3、本发明，通过设置安全阀，使泥浆保持一个固定泥浆压力值，当压力值大于安全阀设定值时会产生溢流现象。

附图说明

图1本发明水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置安装示意图；

图2本发明第一接口管、第二连接管与孔口管连接示意图；

图3本发明一级孔口压紧机构和二级孔口压紧机构的剖面图。

图中附图标记表示为：1-施工基坑；2-孔口管；3-第一连接管；4-第一闸阀；5-止回阀；6-第一接口管；7-泥浆平衡供浆管路；8-一级孔口压紧机构；801-第一外挡环；802-第二外挡环；803-第二内挡环；804-内筒；805-第一内挡环；806-外筒；807-密封筒；808-凸环；809-第一螺栓；810-第二螺栓；811-第三螺栓；812-第四螺栓；9-二级孔口压紧机构；901-支撑环板；902-外套筒；903-密封盘根；904-压紧塞；905-第一法兰；906-第二法兰；10-水平坑道钻机；11-泵浆管路；12-泥浆泵；13-地面泥浆箱；14-地面泥浆沉淀箱；15-坑底泥浆沉淀池；16-地面泥浆沉淀箱管路；17-污泥泵；18-第二连接管；19-第二闸阀；20-安全阀；21-第二接口管；22-水平钻杆；23-阀门。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置，请参阅图1-2，包括安装在施工基坑1内壁面上的孔口管2，所述孔口管2上安装有第一连接管3，所述第一连接管3与所述孔口管2导通，所述第一连接管3上安装有止回阀5，所述第一连接管3内流体通过止回阀5向孔口管2内单向流动，所述第一连接管3的另一端上安装有泥浆平衡供浆管路7，所述泥浆平衡供浆管路7的另一端流体导通有地面泥浆箱13，所述地面泥浆箱13的位置高于所述孔口管2的位置；所述孔口管2内转动密封有水平钻杆22，所述水平钻杆22的尾端通过泵浆管路11连接有泥浆泵12，所述泥浆泵12与地面泥浆箱13流体导通，通过设置止回阀5，在钻进时通过泥浆泵12进行泵浆，在泥浆泵12的工作压力下，止回阀5能够自动关闭，保证泥浆正确流向，在停钻时，泥浆泵12停止工作，地面泥浆箱13内泥浆能够通过自然高差压力向水平孔内提供泥浆，泥浆平衡供浆管路7可以充分供给停泵期间水平孔内的泥浆漏失、也可以保持水平孔的压力值不会发生下降现象，通过补充的泥浆对水平孔孔壁上护壁泥浆饼进行支撑，实现平衡护壁泥浆饼内侧泥浆压力和护壁泥浆饼外侧地层水压的作用，有效提高水平孔的稳定性，避免出现塌孔。

所述施工基坑1内设置有坑底泥浆沉淀池15，所述地面泥浆箱13安装在地面上，所述地面泥浆箱13的一侧安装有地面泥浆沉淀箱14，所述地面泥浆沉淀箱14的一侧上部通过管路与地面泥浆箱13连通，所述坑底泥浆沉淀池15内设置有污泥泵17，所述污泥泵17的出口端上通过地面泥浆沉淀箱管路16与地面泥浆沉淀箱14流体导通，通过在地层上设置地面泥浆箱13，地面泥浆箱13与水平孔的高差与水平孔在地层内的埋深相近，使得地面泥浆箱13提供的压力能够与水平孔位置处地层内水压相近，起到自动平衡压力的目的，并且地面泥浆箱13内泥浆的密度高于地层内水密度，使得地面泥浆箱13提供的压力大于地层内水压，起到保持水平孔内泥浆护壁压力的作用。

所述第一连接管3上位于止回阀5和孔口管2之间安装有第一闸阀4，所述第一连接管3远离孔口管2的一端上固定安装有第一接口管6，所述第一接口管6与所述泥浆平衡供浆管路7的端部连接。

所述孔口管2上导通安装有第二连接管18，所述第二连接管18上安装有第二闸阀19和安全阀20，通过设置安全阀20，使泥浆保持一个固定泥浆压力值，当压力值大于安全阀设定值时会产生溢流现象。

所述孔口管2的端部上固定安装有阀门23，所述阀门23的端部上依次安装有一级孔口压紧机构8和二级孔口压紧机构9，所述施工基坑1内安装有水平坑道钻机10，所述水平钻杆22驱动安装在所述水平坑道钻机10上，所述水平钻杆22的前端依次穿过二级孔口压紧机构9、一级孔口压紧机构8和阀门23后穿入孔口管2内，所述一级孔口压紧机构8和所述二级孔口压紧机构9的内壁与水平钻杆22的外壁面密封贴合。

如图3所示，所述一级孔口压紧机构8包括套在水平钻杆22上的第一外挡环801、第二外挡环802和密封筒807，所述第一外挡环801和所述第二外挡环802分别贴合在所述密封筒807的两端上，所述第一外挡环801的侧壁与所述阀门23的端部固定连接，所述密封筒807的外壁两端上均设置有凸环808，所述密封筒807上分别套有第二内挡环803和第一内挡环805，所述密封筒807一端的凸环808位于第一内挡环805和第一外挡环801之间，所述密封筒807另一端的凸环808位于第二外挡环802和第二内挡环803之间，所述密封筒807上位于第二内挡环803和第一内挡环805之间套有内筒804和外筒806，所述外筒806的内径与所述内筒804的外径相互匹配，所述外筒806套在所述内筒804上，所述内筒804的一端与所述第二内挡环803的侧壁固定连接，所述外筒806的一端与所述第一内挡环805的侧壁固定连接；所述第一外挡环801和所述第一内挡环805通过第一螺栓809可拆卸固定连接，所述第一内挡环805和所述第二内挡环803通过第二螺栓810可拆卸固定连接。

所述二级孔口压紧机构9包括套在水平钻杆22上的支撑环板901、外套筒902、密封盘根903和压紧塞904，所述支撑环板与第二外挡环802贴合，所述第二内挡环803侧壁上、第二外挡环802侧壁上和支撑环板901的侧壁上均开设有通孔，所述第二内挡环803、所述第二外挡环802和所述支撑环板901通过第三螺栓811相互连接，所述密封盘根903的一端与支撑环板901的侧壁面贴合，所述密封盘根903上套有外套筒902，所述外套筒902的一端与支撑环板901的侧壁固定连接，所述压紧塞904的一端插入所述外套筒902内并与密封盘根903的另一端贴合，所述压紧塞904的另一端突出外套筒902并固定安装有第二法兰906，所述外套筒902远离所述支撑环板901的一端上固定连接有第一法兰905，所述第一法兰905和所述第二法兰906通过第四螺栓812可拆卸固定连接。

实施例2

本实施例中的一种水平冻结钻孔泥浆护壁保压方法，采用实施例1中的水平冻结钻孔泥浆护壁保压装置进行水平冻结钻孔泥浆护壁保压，包括以下步骤：

步骤A：启动泥浆泵12，通过泵浆管路11将泥浆泵入水平钻杆22内，流入水平钻杆22底端的钻头内，从钻头水眼进入水平钻孔孔底，向水平钻孔孔底泵入泥浆，带着孔底岩粉向孔口运动，维持水平孔内泥浆护壁压力，泥浆进入孔口管2，在泥浆泵12压力作用下止回阀5关闭；当水平钻孔内的泥浆压力达到设计值时，孔口管2上的安全阀20打开，产生泥浆溢流现象；驱动水平钻杆22进行水平孔钻进；

步骤B：停止钻进后，泥浆泵12停止运行供压，地面泥浆箱13内泥浆通过泥浆平衡供浆管路7供入第一连接管3并推动止回阀5打开，随后泥浆进入孔口管2并进入水平孔内，补充水平孔内护壁泥浆并维持水平孔内护壁泥浆压力。

工作流程：启动污泥泵17，将坑底泥浆沉淀池15内泥浆抽入地面泥浆沉淀箱14进行沉淀，地面泥浆沉淀箱14上层泥浆流入地面泥浆箱13内；钻进时，启动泥浆泵12和水平坑道钻机10，水平坑道钻机10驱动水平钻杆22进行水平孔钻进，泥浆泵12将地面泥浆箱13内泥浆泵入水平钻杆22并输入至水平孔内，保持泥浆压力，在泥浆泵12工作压力作用下，反向推动止回阀5关闭；

在停钻并且泥浆泵12关闭后，推动止回阀5关闭的压力消失，地面泥浆箱13内压力通过泥浆平衡供浆管路7进入第一连接管3并推动止回阀5打开，进入孔口管2内，并供向水平孔内。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。