CN106968664A - 一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，包括以下步骤：首先根据底板破坏带深度预计值，确定钻孔终孔位置，并将注水钻孔分为两组；每组钻孔施工完成且严密性试验合格后，接入注水设备，然后进行注水并实时观察两组钻孔的水压变化，以判断孔底围岩破坏情况。与现有技术相比，巷道利用工作面底板巷道进行工作面底板破坏带深度探查，节省大量成本，同时将注水钻孔设计分为两组，便于在后期进行观测时能够进行数据对比和加密观测，减少误差，提高试验数据准备性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体来说是一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法。
背景技术
工作面底板突水是矿井突水最为严重的水害形式。由于我国煤炭产量的95％是来自地下开采，煤炭工业所面临的安全生产形势不容乐观，以前老矿井的开采大部分是-700m以上煤层，由于开采时间较长，产量逐渐下降，目前逐步进行深部开采，开采深度已达到-1000m左右。随着开采深度的加大，矿井水害日益严重。在我国煤矿生产中，已经发生了多起特大突水事故，给国家和人民造成了巨大的经济损失和人员伤亡。
矿井突水的原因主要在三个方面：首先，地下开采引起的上覆岩层冒落、断裂、弯曲变形，直至地表形成地面沉陷，上覆岩体破坏裂隙波及含水层或地面水体，造成矿井涌水；其次，工作面底板及下伏岩层变形破坏，导致底板突水；再次，由于巷道掘进导通前方隐伏的含水、导水构造而造成突水。通过对以上三种突水原因的统计分析，结果显示我国底板突水的情况是最为严重的。张集煤矿A组煤开采受底板灰岩承压水威胁，A组煤底板破坏带发育深度及规律的研究对于底板突水预算、底板阻水能力评价及灰岩水害治理方案确定具有重要意义。
常规探查工作面底板破坏带发育深度及规律一般采用地面施工探测钻孔的形式进行，探查成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中底板破坏带发育深度探测成本高的缺陷，提供一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，应用于开设有工作面底板探放水巷道或底板瓦斯抽采巷的矿井中；包括以下步骤：
1)底板破坏带深度预计
根据底板采动导水破坏带深度的统计计算公式预计处破坏带深度h1；
h1＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579
其中，H—开采深度；L—工作面斜长；α—煤层倾角；
2)确定钻孔位置
注水钻孔设计分为两组，均设在工作面底板探放水巷道或底板瓦斯抽采巷；
3)确定钻孔数量、深度
第一组设计钻孔n个，n>1，第二组设计钻孔m个，m>1，其中每组钻孔的个数和终孔层位根据底板破坏带深度预计值来确定；
4)施工钻孔
将两组钻孔到位，并经严密性实验合格待用；
5)供水设备连接
对于严密性实验合格的钻孔进行供水设备连接备用；
6)钻孔注水并观测数据
根据工作面回采推进进度，在工作面进入试验预计观测范围前即开始将两组钻孔注水加压并连续观测两组钻孔中每个钻孔的水压数据，随着工作面推进，观测数据时一旦发现孔内升压困难、升压注水量明显增大的现象，表明底板破坏带深度为发育至这些孔终孔附近。为了防止干扰实验，还需要对两组钻孔的观测数据进行分析，具体分析过程为：以预计值为基准,设定一区间值,通过对两组钻孔的观测数据进行分析处理，将处于该区间范围外的数据剔除。
所述步骤4)中，钻孔施工至孔深前一段距离处，下入套管，然后进行注浆，当浆液凝固后，再进行扫孔至终孔；对扫孔后的套管进行严密性实验，如严密性实验不合格，重新注浆扫孔，如严密性实验合格，则进行供水设备连接；供水设备连接具体为在套管的外口处连接供水机构，同时安装一压力机构；供水机构向套管内注水，并实时观察压力机构的压力变化，以判断孔底围岩裂缝深度。
所述步骤4)具体为：先采用钻头施工钻孔，待钻孔钻进至终孔孔深前0.5m后停钻，下入套管；套管外口封口并留有注浆口，套管与孔壁间隙封堵并留有返浆口；然后向注浆口内注浆，浆液填充满套管内和套管与孔壁之间的间隙，当返浆口持续返浆时，即停止注浆；待浆液终凝后，打开套管外口，对套管内进行扫孔至设计终孔深度。
所述步骤5)具体为：扫孔后，从注浆口向套管内注水进行严密性实验，注水压力达到5MPa后持续稳定注水，持续时间30min以上，若孔口及周围岩壁无渗漏水则视为实验合格。
所述步骤5)中，供水机构包括水箱、水泵，利用水泵将水压入套管内，在水泵与套管之间的连接管上同时安装有流量计。
所述套管外露岩壁长度大于0.2m。
所述套管外口均安装相应的法兰盘。
所述套管外口用同规格闷盘进行封堵。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
注水钻孔设计分为两组，便于在后期进行观测时能够进行数据对比和加密观测，减少误差。
通过在套管内注浆，扫孔后的钻孔严密性好，对于后期判定破坏深度起着决定性作用。
附图说明
图1为采用本发明实施例1的方法后形成的注水装置结构示意图；
图2为本发明实施例2中探放水斜巷剖面结构示意图；
图3为本发明实施例2中某工作面局部平面结构示意图；
图4为本发明实施例2中第一组钻孔的结构示意图；
图5为本发明实施例2中第一组钻孔支承压力形成的底板破坏深度模式图；
图6为本发明实施例2中第二组钻孔的结构示意图；
图7为本发明实施例2中第二组钻孔支承压力形成的底板破坏深度模式图；
图8为本发明实施例1的流程框图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
实施例1
如图8所示，一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征包括以下步骤：
1)根据底板采动导水破坏带深度的统计计算公式预计处破坏带深度h1；
h1＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579
其中，H—开采深度；L—工作面斜长；α—煤层倾角；
2)确定钻孔位置
注水钻孔设计分为两组，均设在工作面底板探放水巷道或底板瓦斯抽采巷；
3)确定钻孔数量、深度
第一组设计钻孔n个，n>1，第二组设计钻孔m个，m>1；其中每组钻孔的个数和终孔层位根据底板破坏带深度预计值来确定；
4)施工钻孔
将两组钻孔按设计要求到位，并经严密性实验合格待用；
5)供水设备连接
对于严密性实验合格的钻孔进行供水设备连接备用；
6)钻孔注水并观测数据
根据工作面回采推进进度，在工作面进入试验预计观测范围前即开始将两组钻孔注水加压并连续观测两组钻孔中每个钻孔的水压数据，随着工作面推进，观测数据时一旦发现孔内升压困难、升压注水量明显增大的现象，表明底板破坏带深度为发育至这些孔终孔附近。为了防止干扰实验，还需要对两组钻孔的观测数据进行分析，两组钻孔的观测数据分析过程可以为：先以预计值为基准,设定一区间值,该区间值可以根据经验设定，当观测数据处于该区间范围外，即视为无效数据，将其剔除，处于该区间范围内的数据为有效数据。
其中，两组钻工施工具体为：如图1所示，钻孔至孔深前一段距离处，下入套管4，然后进行注浆，当注浆凝固并试压合格后，再进行扫孔至终孔，具体为：先采用φ133mm的钻头钻进至终孔孔深前0.5m后停钻，下入φ91mm的套管4；套管4外口通过闷盘封口并留有注浆口，套管4与岩壁间隙封堵并留有返浆口；然后向注浆口内注浆，浆液填充满套管4内和套管4与孔壁之间的间隙，当返浆口冒浆时，即停止注浆；待浆液终凝后，打开套管4外口，对套管4内进行扫孔至设计终孔深度。
对扫孔后的钻孔进行严密性实验，具体为：从注浆口向套管内注水，注水压力达到5Mpa后，持续稳定注水，持续时间30min以上，若孔口及周围岩壁无渗漏水则视为实验合格，进入步骤4；如严密性实验不合格，重新注浆扫孔。
严密性实验合格后，在套管4的外口处连接供水机构5，并在套管4外口处安装一压力机构6；供水机构5向套管4内注水，并实时观察压力机构6的压力变化，以判断孔底围岩裂缝深度。
套管4外口通过法兰盘封口，压力机构6为压力表，可固定在法兰盘上。在法兰盘上还开设有进水口，供水机构5包括水箱，通过水泵将水从法兰盘上的进水口压入套管4内，在水泵与套管4之间的连接管上还安装有流量表。
实施例2
图3至图7中A表示回采方向。
如图2、图3所示，现就工作面底板破坏带发育深度问题，考虑到某工作面中部底板31下方约15m处为太原组灰岩疏水巷35及探放水斜巷32，巷道层位稳定，现场施工条件良好，具备施工底板注水钻孔的有利条件，本着节约成本、提高探测精度的原则，决定在该巷道施工工作面底板注水钻孔探测底板破坏带发育深度。
具体工作如下：
一、某工作面空间关系
如图3所示，某工作面面宽设计180m，布置四条巷道，其中轨顺33、运顺34及切眼跟煤层顶板施工；工作面底板放水巷35位于工作面中部(距轨顺120m，距运顺60m)，层位位于工作面底板之下15至17m的太原组灰岩中。探放水斜巷自工作面底板放水巷35拨门施工，平面位置距切眼460m。
二、注水钻孔设计
1.底板破坏带深度预计
根据实施例1中提供的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》底板采动导水破坏带深度的统计计算公式计算出h1为20m。
2.注水钻孔参数
如图4、图6所示，其中，图4和图6中，b是a的断面结构示意图。根据底板破坏带深度预计值，注水钻孔设计分为两组，便于在后期进行观测时能够进行数据对比和加密观测，减少误差。第一组施工位置位于探放水斜巷32上平巷S3点处，设计钻孔6个，终孔位置分别位于工作面底板31以下18m、20m、22m、24m、26m、30m，钻孔平距均为30m，见表2-1。
表2-1 探放水斜巷32第一组注水钻孔参数表
| 孔号 | 方位(°) | 角度(°) | 孔深 | 终孔位置 |
| 1-1 | 32 | -3.5 | 30 | 工作面底板以下19m |
| 1-2 | 32 | -5 | 30.1 | 工作面底板以下20m |
| 1-3 | 32 | -6.5 | 30.2 | 工作面底板以下21m |
| 1-4 | 32 | -8.5 | 30.3 | 工作面底板以下22m |
| 1-5 | 32 | -15.5 | 31.2 | 工作面底板以下26m |
| 1-6 | 32 | -19 | 31.7 | 工作面底板以下28m |
如图3所示，第二组钻孔布置在工作面底板放水斜巷下平巷处。设计钻孔5个，终孔位置分别位于工作面底板31以下19m、20m、21m、22m、18m。
表2-2 探放水斜巷32第二组注水钻孔参数表
| 孔号 | 方位(°) | 角度(°) | 孔深 | 终孔位置 |
| 2-1 | 32 | +37 | 38.5 | 工作面底板以下19m |
| 2-2 | 32 | +36 | 38 | 工作面底板以下20m |
| 2-3 | 32 | +35.5 | 37.5 | 工作面底板以下21m |
| 2-4 | 32 | +34.5 | 36.7 | 工作面底板以下22m |
| 2-5 | 32 | +32 | 35.5 | 工作面底板以下18m |
3.钻孔结构及止水套管4
开孔至终孔前0.5m为φ133mm孔径，至终孔下入φ91mm全程套管4；内径为φ75mm孔径。
4.钻孔及止水套管4主要技术要求
(1)钻孔开孔前编制包括防止瓦斯、水异常涌出的钻孔施工安全技术措施，并经矿总工程师审批后执行；
(2)钻孔施工：所有注水钻孔首先采用φ133mm孔径施工至设计孔深前0.5m后停钻，下入φ91mm套管4，进行注浆，注浆凝固合格后用φ75mm钻头扫孔至终孔；
(3)套管的固定：所有钻孔施工至设计下入套管4位置后立即停止钻进下入套管4，套管4外露不得小于0.2m，套管4外口焊接配套法兰盘，而后将孔口管外加接闷盘，并打开闷盘上的小闸阀，连接泥浆泵，向孔内注入0.5：1比例水泥浆进行封固，待返浆孔冒浆均匀后停止注浆；
(4)套管严密性试验：套管4注浆养护后进行扫孔，扫孔至终孔深度，然后进行清水严密性试验，试验压力取5MPa；确保持续时间在30min以上，若孔口及周围岩壁无渗漏水则视为实验合格，否则重新进行注浆扫孔。
(5)钻孔施工前需对疏水巷施工点水泱子进行清理，确保水泱内水泵运转良好；
(6)水文观测：钻进过程中，全孔进行简易水文地质观测，即岩性鉴定、岩石裂隙发育特征的描述及孔内出水的观测；
(7)钻孔施工结束，在孔口安装注水试验装置，便于工作面回采过程中实际探测底板破坏深度情况；
三.注水观测数据分析
1.观测要求
注浆封孔后，进行扫孔露头，预注水，确保泄压时间在5min以上，如不满足，则需要重新进行注浆扫孔。
待回采时对各个孔进行注水，记录升压时间、最高水压、泄压时间、泄压范围等数据，并记录工作面推进距离。然后分析、整理数据。
2.第一组注水钻孔观测数据
根据表3-1所示，第一组中的1-1孔(终孔位于工作面底板深度19m)自观测日起，第13天观测注水升压困难，最高升压到3Mpa，表明底板破坏带深度已至此孔终孔位置(工作面底板19m)，该孔第14-16天升压依然困难，表明该孔终孔处裂隙发育，进一步表面该孔附近底板已受到采动影响，被破坏。1-2孔(终孔位于工作面底板深度20m)第12天观测升压困难，表明底板破坏带深度已发展至20m或20m以下深度。然而，1-3(终孔位于工作面底板深度21m)、1-4(终孔位于工作面底板深度22m)、1-5(终孔位于工作面底板深度26m)、1-6孔(终孔位于工作面底板31深度28m)在观测过程中，均未发现升压困难、升压注水量明显增大的现象，表明底板破坏带深度为发育至这些孔终孔附近。由于1-3孔终孔位于工作面底板深度21m，综合分析认为该组注水钻孔测得底板破坏带最大深度为20.5m。
表3-1 第一组注水钻孔各钻孔注水试验数据表
根据前西德学者雅可毕理论，随着工作面的推进底板破坏范围也将不断向前延伸下去，而且破坏最深部位要比工作面超前50米左右，由此绘制出第一组“支承压力形成的底板破坏深度”模式图，如图5中所示，曲线36为第13天形成的底板破坏曲线，曲线37为第14天形成底板破坏曲线。其中，L1＝19m，L2＝30m，L3＝50m，L4＝28m。
3.第二组注水钻孔观测数据
如表3-2所示，第二组中2-5孔(终孔位于工作面底板深度18m)，自观测日起第20天，观测发现最高水压2Mpa，开始出现升压困难现象，同日观测到2-1孔(终孔位于工作面底板深度19m)升压困难，最高水压1Mpa，表明底板破坏带深度为发育至这些孔终孔附近。第21天2-5孔(终孔位于工作面底板深度18m)、2-1孔(终孔位于工作面底板深度19m)和2-2孔(终孔位于工作面底板深度20m)均出现注水升压困难，升压注水量高的现象，第22天2-3孔(终孔位于工作面底板深度21m)开始出现升压困难现象，2-4孔(终孔位于工作面底板深度22m)整个观测过程，未发现升压困难、升压注水量明显增大的现象，表明底板破坏带深度未发育至该孔终孔附近。综合分析认为该组注水钻孔测得底板破坏带最大深度为21.5m。
表3-2 第二组注水钻孔各钻孔注水试验数据表
同样根据前西德学者雅可毕理论，可绘制出第二组“支承压力形成的底板破坏深度”模式图，如图7中所示，曲线38为第13天形成的底板破坏曲线，曲线39为第14天形成底板破坏曲线。其中，L5＝18m，L6＝30m。
4.结论
通过第一组、第二组注水试验数据分析对比，表明工作面底板破坏带最大深度为21.5m，位于工作面两巷下方；工作面中部底板破坏带深度为20.5m，底板破坏带呈马鞍状，与理论计算值接近，最大破坏带深度地层岩性位于1灰底板。该项目对于张集矿A组煤工作面安全开采具有重要指导意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，应用于开设有工作面底板探放水巷道或底板瓦斯抽采巷的矿井中；其特征在于包括以下步骤：
1)底板破坏带深度预计
根据底板采动导水破坏带深度的统计计算公式预计处破坏带深度h1；
h1＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579
其中，H为开采深度；L为工作面斜长；α为煤层倾角；
2)确定钻孔位置
注水钻孔设计分为两组，便于进行对照试验，均设在工作面底板探放水巷道或底板瓦斯抽采巷；
3)确定钻孔数量、深度
第一组设计钻孔n个，n>1，第二组设计钻孔m个，m>1；其中每组钻孔的个数和终孔层位根据底板破坏带深度预计值来确定；
4)施工钻孔
将两组钻孔到位，并经严密性实验合格待用；
5)供水设备连接
对于严密性实验合格的钻孔进行供水设备连接备用；
6)钻孔注水并观测数据
将两组钻孔注水加压，并观测两组钻孔中每个钻孔的水压数据，一旦发现孔内升压困难、升压注水量明显增大的现象，表明底板破坏带深度为发育至钻孔终孔附近。
2.根据权利要求1所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述步骤4)中，试验钻孔施工至孔深前一段距离处，下入套管，然后进行注浆，当浆液凝固后，再进行扫孔至终孔；对扫孔后的套管进行严密性实验，如严密性实验不合格，重新注浆扫孔，如严密性实验合格，则进行供水设备连接；供水设备连接具体为在套管的外口处连接供水机构，同时安装一压力机构；供水机构向套管内注水，并实时观察压力机构的压力变化，以判断孔底围岩破坏情况。
3.根据权利要求2所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：先采用钻头施工钻孔，待钻孔钻进至终孔孔深前0.5m后停钻，下入套管；套管里口开口，外口封口并留有注浆口，套管与孔壁间隙封堵并留有返浆口；然后向注浆口内注浆，浆液填充满套管内和套管与孔壁之间的间隙，当返浆口持续返浆时，即停止注浆；待浆液终凝后，打开套管外口，对套管内进行扫孔至设计终孔深度。
4.根据权利要求2所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：扫孔后，从注浆口向套管内注水进行严密性实验，注水压力达到5Mp后持续稳定注水，持续时间30min以上，若孔口及周围岩壁无渗漏水则视为实验合格。
5.根据权利要求1所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述步骤5)中，供水机构包括水箱、水泵，利用水泵将水压入套管内，在水泵与套管之间的连接管上同时安装有流量计。
6.根据权利要求1所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述步骤6)中具体为:以预计值为基准,设定一区间值,通过对两组钻孔的观测数据进行分析处理，将处于该区间范围外的数据剔除。
7.根据权利要求2至6任一所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述套管外露岩壁长度大于0.2m。
8.根据权利要求2至6任一所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述套管外口均安装相应的法兰盘。
9.根据权利要求2至6任一所述的一种工作面底板破坏带深度钻孔注水探测方法，其特征在于：所述套管外口用同规格闷盘进行封堵。
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