本發(fā)明屬于煤炭開采領(lǐng)域，具體涉及一種基于定向鉆進(jìn)技術(shù)的頂板水疏放方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)煤炭資源非常豐富，但大部分區(qū)域煤層頂板水文地質(zhì)條件尚未完全查清，尤其是頂板富水性難以準(zhǔn)確掌握，導(dǎo)致煤層回采階段頂板水害事故的發(fā)生，一方面給煤礦帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，損壞井下設(shè)備、增加排水費(fèi)用，另一方面造成地下水資源流失、加劇缺水礦區(qū)用水緊張的局勢(shì)，同時(shí)，水害事故威脅礦工的生命安全。因此，在煤炭資源回采前盡可能準(zhǔn)確地探查煤層頂板富水性，將頂板水疏放是煤礦當(dāng)下頂板水害防治的重點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)意義與社會(huì)意義重大。

目前，頂板水害防治的方法主要包括預(yù)測(cè)和治理，預(yù)測(cè)常用的方法主要有頂板富水性探查、頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及留設(shè)防水煤柱，其中，富水性探查包括鉆探施工過程中的抽(放)水試驗(yàn)、地球物理勘探等，頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要運(yùn)用“三圖-雙預(yù)測(cè)法”將多源地學(xué)信息復(fù)合疊加；治理常用的方法主要包括疏放、封堵、強(qiáng)排、截流等。以上方法存在如下問題：

(1)頂板富水性探查采用的抽(放)水試驗(yàn)是通過所施工鉆孔的“點(diǎn)”上地質(zhì)信息計(jì)算得出，不能“以點(diǎn)概面”推測(cè)出周邊區(qū)域富水性，且耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高；地球物理勘探雖然能夠探查出“面”上(區(qū)域)富水性，但是解釋、圈定富水性存在多解性，可靠性差。

(2)頂板涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)所用的地學(xué)信息一般不能夠完全反映具體煤礦的地質(zhì)、開采條件，有些煤礦的地學(xué)信息不完整、有缺失，從而影響危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

(3)防水煤柱的留設(shè)通常情況下會(huì)采用保守的計(jì)算方式，留設(shè)較寬的煤柱會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，降低煤礦收入。

(4)常規(guī)的鉆探疏放水方法由于鉆進(jìn)軌跡不可控，容易存在盲區(qū)，為保證效果必須增大工程量，導(dǎo)致鉆孔浪費(fèi)，鉆探工作量加大，頂板疏放水鉆孔揭露的含水層有效孔段較短，影響了疏放水效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了一種基于定向鉆進(jìn)技術(shù)的頂板水疏放方法，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)縮減大量鉆孔工程量，增加鉆孔揭露含水層段長(zhǎng)度大，與含水層充分接觸，鉆孔利用率和鉆孔施工效率高，提高了疏放水效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于定向鉆進(jìn)技術(shù)的頂板水疏放方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)鉆孔單位涌水量確定煤層頂板富水探查區(qū)域；

(2)根據(jù)煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度并結(jié)合步驟(1)確定的煤層頂板富水探查區(qū)域確定空間上定向鉆孔的目標(biāo)靶區(qū)，在該目標(biāo)靶區(qū)布置煤層頂板水疏放定向鉆孔(1)；

(3)應(yīng)用電阻率測(cè)定探頭實(shí)施定向鉆孔，在定向鉆孔的過程中，如果電阻率下降，則采取疏放水措施，如果電阻率沒有明顯變化，則繼續(xù)測(cè)量；

(4)以步驟(3)中頂板水疏放區(qū)域?yàn)槠鹗键c(diǎn)，測(cè)量富水區(qū)地下水的流速流向；

(5)根據(jù)步驟(4)測(cè)得的富水區(qū)地下水的流速流向調(diào)整定向鉆孔方位繼續(xù)定向鉆進(jìn)；

(6)重復(fù)步驟(3)至步驟(5)，完成整個(gè)回采區(qū)域頂板水疏放。

在步驟(1)中，當(dāng)鉆孔單位涌水量大于5.0L/(s.m)時(shí)，為富水性極強(qiáng)的區(qū)域，當(dāng)鉆孔單位涌水量的范圍在1.0L/(s.m)～5.0L/(s.m)時(shí)，為富水性強(qiáng)的區(qū)域。

所述鉆孔單位涌水量以口徑91mm、抽水水位降深10m為準(zhǔn)，當(dāng)鉆孔口徑、降深與鉆孔單位涌水量的標(biāo)準(zhǔn)不相符時(shí)，采用以下?lián)Q算方法進(jìn)行換算：

先根據(jù)抽水時(shí)涌水量Q和降深S的數(shù)據(jù)，用最小二乘法或圖解法確定曲線，根據(jù)Q～S曲線確定降深10m時(shí)抽水孔的涌水量，再將該涌水量換算為孔徑為91mm時(shí)的涌水量，最后，除以10m就是單位涌水量。

將降深10m時(shí)抽水孔的涌水量換算為孔徑為91mm時(shí)的涌水量的換算公式為：

式中Q₉₁，R₉₁，r₉₁是孔徑為91mm的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q_孔，R_孔，r_孔是孔徑為r的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑。

步驟(3)中所述的定向鉆孔的具體方法為：

(3.1)利用定向鉆進(jìn)技術(shù)用電阻率測(cè)定探頭在巷道頂板進(jìn)行向上造斜鉆進(jìn)，直至鉆孔達(dá)到頂板水疏放目標(biāo)靶區(qū)；

(3.2)調(diào)整鉆孔傾角使其與地層傾角一致，使鉆孔在含水層內(nèi)延伸，順層鉆進(jìn)。

在步驟(3)所述的定向鉆孔過程中，開孔一定深度后，進(jìn)行擴(kuò)孔后繼續(xù)鉆進(jìn)。

在開孔和擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，要求鉆孔軌跡要平直，孔內(nèi)沉渣少，確保套管順利下入孔內(nèi)。

疏放水鉆孔全程設(shè)置孔口管，以防止鉆具撤出后，出水位置塌孔，影響離層水的疏放，并在管口處安裝壓力表，檢測(cè)孔口管管口處的出水壓力。

頂板疏放水量根據(jù)以下公式計(jì)算：

$Q=1.366K\frac{(2H-M)M-{h_0}^2}{lgR-lgr}$

式中Q為預(yù)測(cè)的涌水量，其單位為m³/h；K為滲透系數(shù)，其單位為m/d；H為水柱高度，其單位為m；M為含水層厚度，其單位為m；h₀為含水層底板以上動(dòng)水位高度，其單位為m；R為引用影響半徑，其單位為m；r為引用半徑，其單位為m；F為先期開采地段及井田面積，其單位為m²。

所述步驟(4)中，測(cè)量富水區(qū)地下水的流速流向采用書品管道顯微照相技術(shù)，測(cè)量精度為0.01μm/s。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明專利方法增加了富水性探查，同時(shí)，應(yīng)用定向鉆孔技術(shù)，不但縮短了大量鉆孔工作量，而且增加了鉆孔揭露含水層段長(zhǎng)度大，與含水層充分接觸，大大提高了鉆孔利用率和鉆孔施工效率，且提高了疏放水效率。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為定向鉆進(jìn)技術(shù)疏放頂板水的俯視示意圖；

圖3為定向鉆進(jìn)技術(shù)疏放頂板水的截面示意圖；

圖4為電阻率測(cè)定探頭構(gòu)造圖；

圖5為流速流向測(cè)定探頭構(gòu)造圖。

1(1’)—定向鉆孔；2—煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度；3—電阻率測(cè)定探頭；

4—電阻率測(cè)定電纜線；5—電阻率顯示屏；6—鉆孔流速流向探頭光源；

7—鉆孔流速流向探頭放大鏡；8—鉆孔流速流向探頭相機(jī)；

9—鉆孔流速流向探頭組合件；10—鉆孔流速流向探頭視屏觀察顯微鏡；

11—鉆孔流速流向儀電纜線；12—鉆孔流速流向儀相機(jī)控制單元；

13—鉆孔流速流向儀電腦；14—含水層；15—巷道；16—煤層。

【具體實(shí)施方式】

如圖1所示，一種基于定向鉆進(jìn)技術(shù)的頂板水疏放方法的方法，包括下述步驟：

步驟一：初步圈定煤層頂板富水探查區(qū)A。采用勘探階段抽水試驗(yàn)鉆孔單位涌水量q值的大小，初步確定平面上富水性極強(qiáng)、富水性強(qiáng)的區(qū)域。富水性極強(qiáng)的區(qū)域q為大于5.0L/s.m，富水性強(qiáng)的區(qū)域q范圍為1.0L/(s.m)～5.0L/(s.m)。單位涌水量q為井抽水水位降深換算為1m時(shí)的單井出水量，L為升，s為秒，m為米。

鉆孔單位涌水量以口徑91mm、抽水水位降深10m為準(zhǔn)，若口徑、降深與上述不符時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行換算后再比較富水性。換算方法：先根據(jù)抽水時(shí)涌水量Q和降深S的數(shù)據(jù)，用最小二乘法或圖解法確定曲線，根據(jù)Q～S曲線確定降深10m時(shí)抽水孔的涌水量，再用下面公式(1)計(jì)算孔徑為91mm時(shí)的涌水量，最后除以10m就是單位涌水量。

式中Q₉₁，R₉₁，r₉₁是孔徑為91mm的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑；Q_孔，R_孔，r_孔是孔徑為r的鉆孔的涌水量、影響半徑和鉆孔半徑。

步驟二：布置煤層頂板水疏放的定向鉆孔1。利用理論分析、物理模擬、數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)資料等綜合確定煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度2。結(jié)合步驟一所圈定的平面上富水區(qū)，綜合確定空間上定向鉆孔的目標(biāo)靶區(qū)，布置煤層頂板水疏放定向鉆孔1。

步驟三：施工攜帶電阻率測(cè)定探頭3的定向鉆孔。首先，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)攜帶電阻率測(cè)定探頭3在巷道15頂板進(jìn)行向上造斜鉆進(jìn)，探頭3通過電纜線4將測(cè)量結(jié)果傳輸至電阻率顯示屏5，直至鉆孔達(dá)到步驟二確定的頂板水疏放目標(biāo)靶區(qū)A(即前述的富水區(qū))，然后，調(diào)整鉆孔傾角與地層傾角一致，使鉆孔在含水層14內(nèi)延伸，順層鉆進(jìn)，此法揭露較大范圍含水層，充分探測(cè)其電阻率。

定向鉆孔施工工藝：開孔孔徑98mm～120mm，開孔傾角、方位角、孔深根據(jù)步驟二確定的頂板水疏放目標(biāo)靶區(qū)設(shè)計(jì)，左右位移控制在0m，使用PDC鉆頭+普通鉆桿串鉆進(jìn)，開孔一定深度(一定深度的范圍為6m～10m)后擴(kuò)孔孔徑140mm～150mm，開孔及擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，為確保套管順利下入孔內(nèi)，要求鉆孔軌跡要平直，孔內(nèi)沉渣少。

電阻率測(cè)定需滿足如下條件：設(shè)有相敏檢波，消除導(dǎo)線對(duì)測(cè)量的影響；可自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量頻率，避免電極極化，提高測(cè)量精度；單板結(jié)構(gòu)，增加可靠性；高性能CPU芯片，高精度AD轉(zhuǎn)換技術(shù)，SMT貼片技術(shù)完成電阻率和溫度的測(cè)量；防水，防塵。

步驟四：遇電阻率減小區(qū)域A，進(jìn)行煤層頂板水疏放。若步驟三測(cè)量結(jié)果顯示A區(qū)域電阻率值明顯較其它區(qū)域值降低(降低范圍為10Ω·m-60Ω·m)，則采取疏放水措施，若步驟三測(cè)量結(jié)果顯示電阻率值尚未發(fā)生明顯變化，則繼續(xù)測(cè)量。對(duì)所有疏放水鉆孔全程設(shè)置孔口管，以防止鉆具撤出后，出水位置塌孔，影響離層水的疏放，并在管口處安裝壓力表，檢測(cè)孔口管管口處的出水壓力，孔口管管口處的出水壓力均不超過0.2MPa。

頂板疏放水量可根據(jù)承壓-潛水完整井公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

$Q=1.366K\frac{(2H-M)M-{h_0}^2}{lgR-lgr}---\left(2\right)$

式中Q為預(yù)測(cè)的涌水量，其單位為m³/h；K為滲透系數(shù)，其單位為m/d；H為水柱高度，其單位為m；M為含水層厚度，其單位為m；h₀為含水層底板以上動(dòng)水位高度，其單位為m；R為引用影響半徑，其單位為m；r為引用半徑，其單位為m；F為先期開采地段及井田面積，其單位為m²。據(jù)計(jì)算結(jié)果配備相應(yīng)的排水泵。

步驟五：以步驟四頂板水疏放區(qū)域?yàn)槠鹗键c(diǎn)，更換流速流向探頭測(cè)定。流速流向主要測(cè)定富水區(qū)地下水流速流向，通過探頭各組件6、7、8、9、10、11、12將數(shù)據(jù)傳輸至鉆孔流速流向儀電腦13，根據(jù)地下水流速流向指導(dǎo)定向鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)的方位。

流速流向測(cè)定相關(guān)參數(shù)如下：采用視頻管道顯微照相技術(shù)，流速測(cè)量范圍0mm/s～25mm/s，測(cè)量精度0.01μm/s；防水。

步驟六：根據(jù)步驟五測(cè)定結(jié)果，確定鉆孔施工方位，調(diào)換電阻率測(cè)定探頭繼續(xù)鉆進(jìn)，探查富水區(qū)B。

步驟七：循環(huán)進(jìn)行步驟四、步驟五、步驟六，完成整個(gè)回采區(qū)頂板水疏放。

步驟八：將步驟四、步驟七疏放的頂板水經(jīng)水質(zhì)處理，再利用。主要是通過沉淀、過濾處理，達(dá)標(biāo)后將其應(yīng)用于井下防塵、地面綠化等，實(shí)現(xiàn)了礦井水資源化。

應(yīng)用實(shí)例：

某煤礦主采煤層15厚度4.2m，埋深245m，屬近水平煤層，頂板巖性已知，采用綜采放頂煤開采工藝。該礦1308工作面走向長(zhǎng)1238m，傾向長(zhǎng)248m，該工作面回采前，采用以下步驟對(duì)該工作面頂板水進(jìn)行了疏放，保障了安全回采，疏放水經(jīng)水質(zhì)處理，回收利用，實(shí)現(xiàn)了礦井水資源化。

步驟一：在該工作面地表對(duì)應(yīng)的A區(qū)域勘探階段抽水試驗(yàn)鉆孔單位涌水量q經(jīng)公式(1)計(jì)算得3.2L/(s.m)，屬于富水性強(qiáng)的區(qū)域，初步將A區(qū)域圈定為煤層頂板富水探查區(qū)。

步驟二：根據(jù)主采煤層厚度、煤層埋深、工作面尺寸、煤層頂板巖性等因素，利用理論分析、物理模擬、數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)資料綜合確定該礦主采煤層開采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度2為75.6m。結(jié)合步驟一圈定的富水探查區(qū)A，確定出空間上定向鉆孔的目標(biāo)靶區(qū)，在該區(qū)布置煤層頂板水疏放定向鉆孔1。

步驟三：施工攜帶電阻率測(cè)定探頭3的定向鉆孔。首先，在巷道15頂板利用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行向上造斜鉆進(jìn)，向上鉆進(jìn)至距煤層頂板距離(導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最大高度2)為75.6m，開孔孔徑120mm，開孔傾角14°，方位角325°，孔深根據(jù)電阻率測(cè)定結(jié)果隨時(shí)調(diào)整，鉆進(jìn)6m后擴(kuò)孔孔徑140mm，直至區(qū)域A。然后，調(diào)整鉆孔傾角，即調(diào)整為順層鉆進(jìn)，使鉆孔在含水層內(nèi)鉆進(jìn)，在揭露較大范圍含水層14的情況下攜帶電阻率測(cè)定探頭鉆進(jìn)，探測(cè)其電阻率。鉆孔軌跡平直，減少孔內(nèi)沉渣。

步驟四：在步驟三探測(cè)電阻率過程中，觀察到電阻率值從140Ω·m降低至80Ω·m，此時(shí)，采取疏放水措施，對(duì)所有疏放水鉆孔全程設(shè)置孔口管，以防止鉆具撤出后，出水位置塌孔，影響離層水的疏放，并在管口處安裝壓力表，檢測(cè)孔口管管口處的出水壓力，孔口管管口處的出水壓力為0.17MPa。若疏放水量根據(jù)公式(2)計(jì)算得152m³/h，配備相應(yīng)的排水泵。

步驟五：以步驟四頂板水疏放區(qū)域?yàn)槠鹗键c(diǎn)，更換流速流向探頭測(cè)定富水區(qū)地下水流速流向，測(cè)得流向314.3°，則可指導(dǎo)定向鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)的方位調(diào)整成該角度。

步驟六：根據(jù)步驟五測(cè)定結(jié)果，將定向鉆孔施工方位調(diào)整至314.3°繼續(xù)鉆進(jìn)，同時(shí)，調(diào)換電阻率測(cè)定探頭，探查富水區(qū)B。

步驟七：循環(huán)進(jìn)行步驟四、步驟五、步驟六，完成整個(gè)回采區(qū)頂板水疏放。

步驟八：將步驟四、步驟七疏放的頂板水經(jīng)水質(zhì)處理，通過沉淀、過濾處理，COD為42.0mg/l，BOD為3.99mg/l，SS為12.0mg/l，NH₄-N為0.98mg/l，PH為7.75，濁度為6.87NTU，將其應(yīng)用于井下防塵、地面綠化，實(shí)現(xiàn)了礦井水資源化。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)增加了富水性探查準(zhǔn)確性；

(2)可以縮短富水性探查施工周期；

(3)降低了煤礦生產(chǎn)投資，增加了收入；

(4)定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以縮減大量鉆孔工程量，增加鉆孔揭露含水層段長(zhǎng)度大，與含水層充分接觸，鉆孔利用率和鉆孔施工效率高，提高了疏放水效率。