CN106948843B - 一种双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿井防治水领域，特别涉及一种受顶、底板双重灰岩水害威胁的矿层改造方法，相较于以往采用地面立孔进行顶、底板加固注浆、井下加固注浆及地面水平钻治理煤层底板薄层灰岩等技术，本发明技术利用石油钻机施工双层多分支顺层钻孔对目的层进行前进式高压注浆，从而改造煤层顶、底板灰岩含水层，实现煤层安全开采。通过本发明方式，能够实现覆盖目的层范围广、钻孔工程量小、顶底板孔共用一开段、顶板疏放水费用低、底板加固改造、防治水工作超前进行的效果，最终将顶板改造成弱含水或不含水岩层、底板改造成隔水层。该技术亦可应用于铁矿或非金属矿等受顶、底板双重水害威胁的矿井，实现资源安全经济开采。
Description
技术领域
本发明属于矿井防治水领域，特别涉及一种受顶、底板双重灰岩水害威胁的矿层改造方法。
背景技术
华北型煤田的部分矿区赋存着较稳定的本溪群徐家庄薄层灰岩含水层，部分矿区奥灰与徐灰的间距小（如肥城矿区10-16m，井陉矿区15m左右,黄河北煤田7 m-10m）或存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，致使二者之间水力联系密切，宏观上实为一个含水体。
目前国内底板灰岩承压水治理较成熟的技术一般采用地面注浆站通过注浆管路和井下工作面注浆孔对底板灰岩预注浆，充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，把薄层灰岩中的水置换出去并实现切断水源补给通道，使受注含水层被改造为弱含水或不含水层，实现工作面不突水开采，取得了较好的效果，如山东肥城、河南焦作永城等矿区，但这种方法不足在于井下空间受限，钻孔施工距离短，施工工程量大，吨煤成本高，安全系数相对低。
地面水平钻治理底板薄层灰岩技术只解决了受底板薄层灰岩水威胁的矿层开采，但对顶底板双重威胁的矿层开采，需在地面对顶、底板含水层各自施工钻孔，成本高、占地多。
对于受顶、底板双重灰岩含水层水害威胁的矿层，如黄河北煤田的11煤，底板受徐灰、奥灰承压水威胁，顶板受四五灰水威胁，且顶、底板含水层水力联系密切，由于顶板水与奥灰有水力联系，难以疏干，疏排水费用高、浪费地下水资源且经济上不合理，一直难以开采，造成资源呆滞。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提供一种双层多分支顺层钻孔对顶底板双重灰岩含水层进行注浆改造的技术。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，包括如下步骤：
（1）钻孔造斜：选择地面合适位置向下钻孔施工，当钻孔到达第四系地层中时开始施工造斜段，当造斜段进入基岩后下一级套管；
（2）施工底板主孔：在步骤（1）施工出造斜段后通过无磁钻杆施工底板主孔，方位通过无磁钻杆的弯度进行调节，施工进入底板灰岩含水层后，沿底板灰岩含水层顺层继续向前施工若干米，沿底板灰岩含水层顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使底板形成隔水层；
（3）施工底板分支孔：底板主孔施工完成后，在底板主孔的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行底板分支孔的施工，共施工若干个底板分支孔，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，将底板水排出；
（4）施工顶板主孔：底板分支孔施工完成后，在造斜段通过无磁钻杆调节方位在设计位置进行顶板主孔的施工，施工进入顶板灰岩含水层后，沿顶板灰岩含水层顺层继续向前施工若干米，沿顶板灰岩含水层顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使顶板形成隔水层；
（5）施工顶板分支孔：顶板主孔施工完成后，在顶板主孔的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行顶板分支孔的施工，共施工若干个顶板分支孔，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，将顶板水排出。
进一步的，在步骤（1）中，当造斜段进入基岩5-15米后下一级套管。
进一步的，在步骤（2）和步骤（4）中，沿底板灰岩含水层顺层或顶板灰岩含水层顺层继续向前施工400-600米。
优选的，在步骤（2）和步骤（3）中，注浆材料为单液水泥浆或粉煤灰水泥。
进一步的，注入的单液水泥浆先稀后稠，浓度在1.3-1.6g/ml之间。
优选的，在步骤（4）和步骤（5）中，注浆材料为黄土水泥浆或粉煤灰水泥。
进一步的，在步骤（2）至步骤（5）中，在钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进。
本发明的有益效果为：
一、本发明方法将底板改造成隔水层，顶板改造成弱含水或不含水层，封堵了底板水源补给通道并形成一定厚度的有效隔水层，从而防止采中、采后突水，实现了受顶底板双重灰岩水害威胁的矿层的安全保水开采。
二、本发明方法共用一个孔位和一造斜段施工双层多分支顺层钻孔对顶、底板双层灰岩层进行改造，较传统施工工艺每孔可节省钻孔施工费用70-110万元。
三、本发明方法共用一个孔位和一造斜段施工双层多分支顺层钻孔对顶、底板双层灰岩含水层进行改造，较传统的井下注浆治理底板灰岩承压水、地面水平钻改造底板灰岩和顶板水直接疏放具有钻探工程量小、覆盖目的层范围广、顶板疏放水量少、防治水工作可超前进行、防治水综合费用低等优点。
四、本发明方法改造了顶板和底板含水层的富水性，在矿层开采过程中大大降低了顶板疏排水的费用，具有明显的经济效益。
五、对顶底板灰岩采用不同的注浆工艺及注浆材料，能够解决顶板含水层与下伏含水层存在垂向联系难以疏干不能开采、底板加固注浆技术中存在的不足等问题。
附图说明
图1为本发明顶、底板改造治理钻孔轨迹剖面图。
图2是底板灰岩含水层钻孔布置图。
图3是顶板灰岩含水层钻孔布置图。
图中，1第四系地层，2造斜段，3底板主孔，4底板分支孔，5顶板主孔，6顶板分支孔，7顶板灰岩含水层，8底板灰岩含水层，9基岩。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
一种双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，包括如下步骤：
（1）钻孔造斜：勘测目标地面，选择地面合适位置作为施工点，设置钻孔工作参数，采用石油钻向下钻孔施工，当钻孔到达第四系地层1中时开始施工造斜段2，当造斜段2进入基岩9后下一级套管，本实施例优选的在造斜段2进入基岩9后10米时下一级套管；
（2）施工底板主孔3：在步骤（1）施工出造斜段2后，然后通过无磁钻杆施工底板主孔3，施工方位通过无磁钻杆的弯度进行调节，一般无磁钻杆的弯度在1-1.5°之间，当施工进入至底板灰岩含水层8后，沿底板灰岩含水层8顺层继续向前施工550米，沿底板灰岩含水层8顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使底板形成隔水层，具体的：在底板灰岩含水层8顺层钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进，整个过程中。
（3）施工底板分支孔4：在底板主孔3施工完成后，在底板主孔3的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行底板分支孔4的施工，共施工若干个底板分支孔4，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，最终将底板水排出，在底板分支孔4的钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进。
在上述步骤（2）和步骤（3）中，由于底板奥灰丰富，压力大，因此注浆材料可以选为单液水泥浆或粉煤灰水泥，作为优选方案，本实施例注入的注浆材料为单液水泥浆，单液水泥浆强度大，可以抵御底板水的压力。注入的单液水泥浆先稀后稠，浓度在1.3-1.6g/ml之间。
（4）施工顶板主孔5：底板分支孔4施工完成后，在造斜段2通过无磁钻杆调节方位在设计位置进行顶板主孔5的施工，施工进入顶板灰岩含水层7后，沿顶板灰岩含水层7顺层继续向前施工550米，沿顶板灰岩含水层7顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使顶板形成隔水层，具体的：在顶板灰岩含水层7顺层钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进。
（5）施工顶板分支孔6：顶板主孔5施工完成后，在顶板主孔5的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行顶板分支孔6的施工，共施工若干个顶板分支孔6，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，将顶板水排出，在顶板分支孔6的钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进。
作为优选方案，在步骤（4）和步骤（5）中，注浆材料为黄土水泥浆。
至此，经过上述五步将底板灰岩含水层8和顶板灰岩含水层7改造完成，最终将顶板改造成弱含水层或不含水层，将底板改造成隔水层，成功实现了受顶、底板双重水害威胁的矿井的安全开采。
本发明方法共用一个孔位和一造斜段2施工双层多分支顺层钻孔对顶、底板双层灰岩含水层进行改造，比现有施工工艺（施工两个地面孔），每孔可节省钻孔施工费用70-110万元，另外，对顶、底板灰岩含水层采用不同的注浆材料，解决了顶板灰岩含水层7与底板灰岩含水层8存在垂向联系难以疏干不能开采、底板加固注浆技术中存在的不足等问题。
本发明方法可应用于煤矿、铁矿、非金属矿等受顶底板双重水害威胁的矿井开采，安全经济保水。
黄河北煤田11煤受底板奥灰水和顶板四五灰水害威胁，且顶板四五灰水与底板徐、奥水存在垂向水力联系，采取原来底板注浆加固技术和顶板疏放水技术无法实现开采，利用本发明的双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层技术可实现11煤安全经济保水开采，预计可解放黄河北煤田11层煤储量1.6亿吨，吨煤注浆改造成本70-105元，按2017年煤价可实现产值836亿元，利润210亿元，具有良好的经济及社会效益。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)钻孔造斜：选择地面合适位置向下钻孔施工，当钻孔到达第四系地层中时开始施工造斜段，当造斜段进入基岩5-15米后下一级套管；
(2)施工底板主孔：在步骤(1)施工出造斜段后通过无磁钻杆施工底板主孔，方位通过无磁钻杆的弯度进行调节，施工进入底板灰岩含水层后，沿底板灰岩含水层顺层继续向前施工若干米，沿底板灰岩含水层顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使底板形成隔水层；
(3)施工底板分支孔：底板主孔施工完成后，在底板主孔的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行底板分支孔的施工，共施工若干个底板分支孔，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，将底板水排出；
(4)施工顶板主孔：底板分支孔施工完成后，在造斜段通过无磁钻杆调节方位在设计位置进行顶板主孔的施工，施工进入顶板灰岩含水层后，沿顶板灰岩含水层顺层继续向前施工若干米，沿顶板灰岩含水层顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使顶板形成隔水层；
(5)施工顶板分支孔：顶板主孔施工完成后，在顶板主孔的孔道设计位置通过无磁钻杆的弯度调节方位测出合适位置进行顶板分支孔的施工，共施工若干个顶板分支孔，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，将顶板水排出，在步骤(2)至步骤(5)中，在钻孔过程中，若泥浆漏失量在30m 3/h以下时则顶漏钻进；若泥浆漏失量大于30m 3/h时或与上次注浆距离超过150米时，则提钻进行高压注入注浆材料，直至注浆压力在8-12MPa之间且注浆量小于8m3/h时停止注浆，待浆液凝固24h后继续扫孔钻进。
2.根据权利要求1所述的双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，其特征在于：在步骤(2)和步骤(4)中，沿底板灰岩含水层顺层或顶板灰岩含水层顺层继续向前施工400-600米。
3.根据权利要求1所述的双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，其特征在于：在步骤(2)和步骤(3)中，注浆材料为单液水泥浆或粉煤灰水泥。
4.根据权利要求3所述的双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，其特征在于：注入的单液水泥浆先稀后稠，浓度在1.3-1.6g/ml之间。
5.根据权利要求1所述的双层多分支顺层钻孔注浆改造顶底板双重灰岩含水层方法，其特征在于：在步骤(4)和步骤(5)中，注浆材料为黄土水泥浆或粉煤灰水泥。
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