CN106285776A - 一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法 - Google Patents

Abstract

一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，包括步骤：(1)根据钻孔单位涌水量确定煤层顶板富水探查区域；(2)根据煤层开采后导水裂缝带发育最大高度并结合步骤(1)确定的煤层顶板富水探查区域确定空间上定向钻孔的目标靶区，在该目标靶区布置煤层顶板水疏放定向钻孔(1)；(3)应用电阻率测定探头实施定向钻孔，在定向钻孔的过程中，如果电阻率下降，则采取疏放水措施，如果电阻率没有明显变化，则继续测量；(4)以步骤(3)中顶板水疏放区域为起始点，测量富水区地下水的流速流向；(5)根据步骤(4)测得的富水区地下水的流速流向调整定向钻孔方位继续定向钻进；(6)重复步骤(3)至步骤(5)，完成整个回采区域顶板水疏放。

Description

一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法

【技术领域】

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法。

【背景技术】

我国煤炭资源非常丰富，但大部分区域煤层顶板水文地质条件尚未完全查清，尤其是顶板富水性难以准确掌握，导致煤层回采阶段顶板水害事故的发生，一方面给煤矿带来严重的经济损失，损坏井下设备、增加排水费用，另一方面造成地下水资源流失、加剧缺水矿区用水紧张的局势，同时，水害事故威胁矿工的生命安全。因此，在煤炭资源回采前尽可能准确地探查煤层顶板富水性，将顶板水疏放是煤矿当下顶板水害防治的重点，经济意义与社会意义重大。

目前，顶板水害防治的方法主要包括预测和治理，预测常用的方法主要有顶板富水性探查、顶板涌(突)水危险性评价及留设防水煤柱，其中，富水性探查包括钻探施工过程中的抽(放)水试验、地球物理勘探等，顶板涌(突)水危险性评价主要运用“三图-双预测法”将多源地学信息复合叠加；治理常用的方法主要包括疏放、封堵、强排、截流等。以上方法存在如下问题：

(1)顶板富水性探查采用的抽(放)水试验是通过所施工钻孔的“点”上地质信息计算得出，不能“以点概面”推测出周边区域富水性，且耗时长、费用高；地球物理勘探虽然能够探查出“面”上(区域)富水性，但是解释、圈定富水性存在多解性，可靠性差。

(2)顶板涌(突)水危险性评价所用的地学信息一般不能够完全反映具体煤矿的地质、开采条件，有些煤矿的地学信息不完整、有缺失，从而影响危险性评价结果。

(3)防水煤柱的留设通常情况下会采用保守的计算方式，留设较宽的煤柱会造成煤炭资源的浪费，降低煤矿收入。

(4)常规的钻探疏放水方法由于钻进轨迹不可控，容易存在盲区，为保证效果必须增大工程量，导致钻孔浪费，钻探工作量加大，顶板疏放水钻孔揭露的含水层有效孔段较短，影响了疏放水效率。

【发明内容】

本发明公开了一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，采用定向钻进技术缩减大量钻孔工程量，增加钻孔揭露含水层段长度大，与含水层充分接触，钻孔利用率和钻孔施工效率高，提高了疏放水效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，包括以下步骤：

(1)根据钻孔单位涌水量确定煤层顶板富水探查区域；

(2)根据煤层开采后导水裂缝带发育最大高度并结合步骤(1)确定的煤层顶板富水探查区域确定空间上定向钻孔的目标靶区，在该目标靶区布置煤层顶板水疏放定向钻孔(1)；

(3)应用电阻率测定探头实施定向钻孔，在定向钻孔的过程中，如果电阻率下降，则采取疏放水措施，如果电阻率没有明显变化，则继续测量；

(4)以步骤(3)中顶板水疏放区域为起始点，测量富水区地下水的流速流向；

(5)根据步骤(4)测得的富水区地下水的流速流向调整定向钻孔方位继续定向钻进；

(6)重复步骤(3)至步骤(5)，完成整个回采区域顶板水疏放。

在步骤(1)中，当钻孔单位涌水量大于5.0L/(s.m)时，为富水性极强的区域，当钻孔单位涌水量的范围在1.0L/(s.m)～5.0L/(s.m)时，为富水性强的区域。

所述钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准，当钻孔口径、降深与钻孔单位涌水量的标准不相符时，采用以下换算方法进行换算：

先根据抽水时涌水量Q和降深S的数据，用最小二乘法或图解法确定曲线，根据Q～S曲线确定降深10m时抽水孔的涌水量，再将该涌水量换算为孔径为91mm时的涌水量，最后，除以10m就是单位涌水量。

将降深10m时抽水孔的涌水量换算为孔径为91mm时的涌水量的换算公式为：

式中Q₉₁，R₉₁，r₉₁是孔径为91mm的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径；Q_孔，R_孔，r_孔是孔径为r的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。

步骤(3)中所述的定向钻孔的具体方法为：

(3.1)利用定向钻进技术用电阻率测定探头在巷道顶板进行向上造斜钻进，直至钻孔达到顶板水疏放目标靶区；

(3.2)调整钻孔倾角使其与地层倾角一致，使钻孔在含水层内延伸，顺层钻进。

在步骤(3)所述的定向钻孔过程中，开孔一定深度后，进行扩孔后继续钻进。

在开孔和扩孔钻进中，要求钻孔轨迹要平直，孔内沉渣少，确保套管顺利下入孔内。

疏放水钻孔全程设置孔口管，以防止钻具撤出后，出水位置塌孔，影响离层水的疏放，并在管口处安装压力表，检测孔口管管口处的出水压力。

顶板疏放水量根据以下公式计算：

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

式中Q为预测的涌水量，其单位为m³/h；K为渗透系数，其单位为m/d；H为水柱高度，其单位为m；M为含水层厚度，其单位为m；h₀为含水层底板以上动水位高度，其单位为m；R为引用影响半径，其单位为m；r为引用半径，其单位为m；F为先期开采地段及井田面积，其单位为m²。

所述步骤(4)中，测量富水区地下水的流速流向采用书品管道显微照相技术，测量精度为0.01μm/s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明专利方法增加了富水性探查，同时，应用定向钻孔技术，不但缩短了大量钻孔工作量，而且增加了钻孔揭露含水层段长度大，与含水层充分接触，大大提高了钻孔利用率和钻孔施工效率，且提高了疏放水效率。

【附图说明】

图1为本发明的流程图；

图2为定向钻进技术疏放顶板水的俯视示意图；

图3为定向钻进技术疏放顶板水的截面示意图；

图4为电阻率测定探头构造图；

图5为流速流向测定探头构造图。

1(1’)—定向钻孔；2—煤层开采后导水裂缝带发育最大高度；3—电阻率测定探头；

4—电阻率测定电缆线；5—电阻率显示屏；6—钻孔流速流向探头光源；

7—钻孔流速流向探头放大镜；8—钻孔流速流向探头相机；

9—钻孔流速流向探头组合件；10—钻孔流速流向探头视屏观察显微镜；

11—钻孔流速流向仪电缆线；12—钻孔流速流向仪相机控制单元；

13—钻孔流速流向仪电脑；14—含水层；15—巷道；16—煤层。

【具体实施方式】

如图1所示，一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法的方法，包括下述步骤：

步骤一：初步圈定煤层顶板富水探查区A。采用勘探阶段抽水试验钻孔单位涌水量q值的大小，初步确定平面上富水性极强、富水性强的区域。富水性极强的区域q为大于5.0L/s.m，富水性强的区域q范围为1.0L/(s.m)～5.0L/(s.m)。单位涌水量q为井抽水水位降深换算为1m时的单井出水量，L为升，s为秒，m为米。

钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准，若口径、降深与上述不符时，应当进行换算后再比较富水性。换算方法：先根据抽水时涌水量Q和降深S的数据，用最小二乘法或图解法确定曲线，根据Q～S曲线确定降深10m时抽水孔的涌水量，再用下面公式(1)计算孔径为91mm时的涌水量，最后除以10m就是单位涌水量。

式中Q₉₁，R₉₁，r₉₁是孔径为91mm的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径；Q_孔，R_孔，r_孔是孔径为r的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。

步骤二：布置煤层顶板水疏放的定向钻孔1。利用理论分析、物理模拟、数值模拟、实测资料等综合确定煤层开采后导水裂缝带发育最大高度2。结合步骤一所圈定的平面上富水区，综合确定空间上定向钻孔的目标靶区，布置煤层顶板水疏放定向钻孔1。

步骤三：施工携带电阻率测定探头3的定向钻孔。首先，利用定向钻进技术携带电阻率测定探头3在巷道15顶板进行向上造斜钻进，探头3通过电缆线4将测量结果传输至电阻率显示屏5，直至钻孔达到步骤二确定的顶板水疏放目标靶区A(即前述的富水区)，然后，调整钻孔倾角与地层倾角一致，使钻孔在含水层14内延伸，顺层钻进，此法揭露较大范围含水层，充分探测其电阻率。

定向钻孔施工工艺：开孔孔径98mm～120mm，开孔倾角、方位角、孔深根据步骤二确定的顶板水疏放目标靶区设计，左右位移控制在0m，使用PDC钻头+普通钻杆串钻进，开孔一定深度(一定深度的范围为6m～10m)后扩孔孔径140mm～150mm，开孔及扩孔钻进中，为确保套管顺利下入孔内，要求钻孔轨迹要平直，孔内沉渣少。

电阻率测定需满足如下条件：设有相敏检波，消除导线对测量的影响；可自动转换测量频率，避免电极极化，提高测量精度；单板结构，增加可靠性；高性能CPU芯片，高精度AD转换技术，SMT贴片技术完成电阻率和温度的测量；防水，防尘。

步骤四：遇电阻率减小区域A，进行煤层顶板水疏放。若步骤三测量结果显示A区域电阻率值明显较其它区域值降低(降低范围为10Ω·m-60Ω·m)，则采取疏放水措施，若步骤三测量结果显示电阻率值尚未发生明显变化，则继续测量。对所有疏放水钻孔全程设置孔口管，以防止钻具撤出后，出水位置塌孔，影响离层水的疏放，并在管口处安装压力表，检测孔口管管口处的出水压力，孔口管管口处的出水压力均不超过0.2MPa。

顶板疏放水量可根据承压-潜水完整井公式(2)进行计算：

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

式中Q为预测的涌水量，其单位为m³/h；K为渗透系数，其单位为m/d；H为水柱高度，其单位为m；M为含水层厚度，其单位为m；h₀为含水层底板以上动水位高度，其单位为m；R为引用影响半径，其单位为m；r为引用半径，其单位为m；F为先期开采地段及井田面积，其单位为m²。据计算结果配备相应的排水泵。

步骤五：以步骤四顶板水疏放区域为起始点，更换流速流向探头测定。流速流向主要测定富水区地下水流速流向，通过探头各组件6、7、8、9、10、11、12将数据传输至钻孔流速流向仪电脑13，根据地下水流速流向指导定向钻孔继续钻进的方位。

流速流向测定相关参数如下：采用视频管道显微照相技术，流速测量范围0mm/s～25mm/s，测量精度0.01μm/s；防水。

步骤六：根据步骤五测定结果，确定钻孔施工方位，调换电阻率测定探头继续钻进，探查富水区B。

步骤七：循环进行步骤四、步骤五、步骤六，完成整个回采区顶板水疏放。

步骤八：将步骤四、步骤七疏放的顶板水经水质处理，再利用。主要是通过沉淀、过滤处理，达标后将其应用于井下防尘、地面绿化等，实现了矿井水资源化。

应用实例：

某煤矿主采煤层15厚度4.2m，埋深245m，属近水平煤层，顶板岩性已知，采用综采放顶煤开采工艺。该矿1308工作面走向长1238m，倾向长248m，该工作面回采前，采用以下步骤对该工作面顶板水进行了疏放，保障了安全回采，疏放水经水质处理，回收利用，实现了矿井水资源化。

步骤一：在该工作面地表对应的A区域勘探阶段抽水试验钻孔单位涌水量q经公式(1)计算得3.2L/(s.m)，属于富水性强的区域，初步将A区域圈定为煤层顶板富水探查区。

步骤二：根据主采煤层厚度、煤层埋深、工作面尺寸、煤层顶板岩性等因素，利用理论分析、物理模拟、数值模拟、实测资料综合确定该矿主采煤层开采后导水裂缝带发育最大高度2为75.6m。结合步骤一圈定的富水探查区A，确定出空间上定向钻孔的目标靶区，在该区布置煤层顶板水疏放定向钻孔1。

步骤三：施工携带电阻率测定探头3的定向钻孔。首先，在巷道15顶板利用定向钻进技术进行向上造斜钻进，向上钻进至距煤层顶板距离(导水裂缝带发育最大高度2)为75.6m，开孔孔径120mm，开孔倾角14°，方位角325°，孔深根据电阻率测定结果随时调整，钻进6m后扩孔孔径140mm，直至区域A。然后，调整钻孔倾角，即调整为顺层钻进，使钻孔在含水层内钻进，在揭露较大范围含水层14的情况下携带电阻率测定探头钻进，探测其电阻率。钻孔轨迹平直，减少孔内沉渣。

步骤四：在步骤三探测电阻率过程中，观察到电阻率值从140Ω·m降低至80Ω·m，此时，采取疏放水措施，对所有疏放水钻孔全程设置孔口管，以防止钻具撤出后，出水位置塌孔，影响离层水的疏放，并在管口处安装压力表，检测孔口管管口处的出水压力，孔口管管口处的出水压力为0.17MPa。若疏放水量根据公式(2)计算得152m³/h，配备相应的排水泵。

步骤五：以步骤四顶板水疏放区域为起始点，更换流速流向探头测定富水区地下水流速流向，测得流向314.3°，则可指导定向钻孔继续钻进的方位调整成该角度。

步骤六：根据步骤五测定结果，将定向钻孔施工方位调整至314.3°继续钻进，同时，调换电阻率测定探头，探查富水区B。

步骤七：循环进行步骤四、步骤五、步骤六，完成整个回采区顶板水疏放。

步骤八：将步骤四、步骤七疏放的顶板水经水质处理，通过沉淀、过滤处理，COD为42.0mg/l，BOD为3.99mg/l，SS为12.0mg/l，NH₄-N为0.98mg/l，PH为7.75，浊度为6.87NTU，将其应用于井下防尘、地面绿化，实现了矿井水资源化。

本发明的有益效果在于：

(1)增加了富水性探查准确性；

(2)可以缩短富水性探查施工周期；

(3)降低了煤矿生产投资，增加了收入；

(4)定向钻进技术的应用可以缩减大量钻孔工程量，增加钻孔揭露含水层段长度大，与含水层充分接触，钻孔利用率和钻孔施工效率高，提高了疏放水效率。

Claims (10)

1.一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据钻孔单位涌水量确定煤层顶板富水探查区域；

(2)根据煤层开采后导水裂缝带发育最大高度并结合步骤(1)确定的煤层顶板富水探查区域确定空间上定向钻孔的目标靶区，在该目标靶区布置煤层顶板水疏放定向钻孔(1)；

(3)应用电阻率测定探头实施定向钻孔，在定向钻孔的过程中，如果电阻率下降，则采取疏放水措施，如果电阻率没有明显变化，则继续测量；

(4)以步骤(3)中顶板水疏放区域为起始点，测量富水区地下水的流速流向；

(5)根据步骤(4)测得的富水区地下水的流速流向调整定向钻孔方位继续定向钻进；

(6)重复步骤(3)至步骤(5)，完成整个回采区域顶板水疏放。

2.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：在步骤(1)中，当钻孔单位涌水量大于5.0L/(s.m)时，为富水性极强的区域，当钻孔单位涌水量的范围在1.0L/(s.m)～5.0L/(s.m)时，为富水性强的区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：所述钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准，当钻孔口径、降深与钻孔单位涌水量的标准不相符时，采用以下换算方法进行换算：

先根据抽水时涌水量Q和降深S的数据，用最小二乘法或图解法确定曲线，根据Q～S曲线确定降深10m时抽水孔的涌水量，再将该涌水量换算为孔径为91mm时的涌水量，最后，除以10m就是单位涌水量。

4.根据权利要求3所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：将降深10m时抽水孔的涌水量换算为孔径为91mm时的涌水量的换算公式为：

式中Q₉₁，R₉₁，r₉₁是孔径为91mm的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径；Q_孔，R_孔，r_孔是孔径为r的钻孔的涌水量、影响半径和钻孔半径。

5.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：步骤(3)中所述的定向钻孔的具体方法为：

(3.1)利用定向钻进技术用电阻率测定探头在巷道顶板进行向上造斜钻进，直至钻孔达到顶板水疏放目标靶区；

(3.2)调整钻孔倾角使其与地层倾角一致，使钻孔在含水层内延伸，顺层钻进。

6.根据权利要求5所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：在步骤(3)所述的定向钻孔过程中，开孔一定深度后，进行扩孔后继续钻进。

7.根据权利要求6所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：在开孔和扩孔钻进中，要求钻孔轨迹要平直，孔内沉渣少，确保套管顺利下入孔内。

8.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：疏放水钻孔全程设置孔口管，以防止钻具撤出后，出水位置塌孔，影响顶板水的疏放，并在管口处安装压力表，检测孔口管管口处的出水压力。

9.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：顶板疏放水量根据以下公式计算：

$Q=1.366K\frac{\left(2H-M\right)M-{h_0}^2}{\lg R-\lg r}$

式中Q为预测的涌水量，其单位为m³/h；K为渗透系数，其单位为m/d；H为水柱高度，其单位为m；M为含水层厚度，其单位为m；h₀为含水层底板以上动水位高度，其单位为m；R为引用影响半径，其单位为m；r为引用半径，其单位为m；F为先期开采地段及井田面积，其单位为m²。

10.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的顶板水疏放方法，其特征在于：所述步骤(4)中，测量富水区地下水的流速流向采用视频管道显微照相技术，测量精度为0.01μm/s。