CN108798625B - 矿井及矿井施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿井及矿井施工方法。其中，矿井包括：地面直井，地面直井钻穿矿井的待开采矿层；地面水平井，地面水平井钻穿待开采矿层并沿地层倾向延伸，且地面水平井位于地面直井的下方；至少一条分支井，各分支井均与地面水平井连通，并且各分支井均沿逆地层倾向向上延伸；巷道水平井，巷道水平井由矿井的待开采矿层向地面直井的方向延伸，且巷道水平井的高度与地面直井的位于待开采矿层的节段的高度相同；地面直井具有扩腔段，地面直井通过扩腔段与地面水平井、分支井及巷道水平井连通。本发明解决了现有技术中的矿井排水排气不方便的问题。

Description

矿井及矿井施工方法

技术领域

本发明涉及矿井施工技术领域，具体而言，涉及一种矿井及矿井施工方法。

背景技术

目前，煤矿内瓦斯和水分的抽排通常采用地面定向水平井与直井钻进连通，水平分支井布设呈放射状，并且水平井与直井是处于地面。这种方法主要存在以下不足：

(1)分支井不与矿层走向垂直，不利于抽排；

(2)分支井不是逆地层倾向，不利于排水，容易产生水堵，不利于预抽排瓦斯；

(3)分支井布设没有考虑在矿层上部，不利于矿层瓦斯抽排；

(4)无法利用负压排采；

(5)抽采出的煤层气需要地面管线；

(6)需要增加处理排采水成本；

(7)需要增加地面建设费用；

(8)抽采过程需要增加修井成本；

(9)需要增加地面煤层气管理成本；

(10)需要增加地面煤层气生产监控设备成本；

(11)需要增加地面煤层气生产成本。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种矿井及矿井施工方法，以解决现有技术中的矿井排水排气不方便的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种矿井，包括：地面直井，地面直井钻穿矿井的待开采矿层；地面水平井，地面水平井钻穿待开采矿层并沿地层倾向延伸，且地面水平井位于地面直井的下方；至少一条分支井，各分支井均与地面水平井连通，并且各分支井均沿逆地层倾向向上延伸；巷道水平井，巷道水平井由矿井的待开采矿层向地面直井的方向延伸，且巷道水平井的高度与地面直井的位于待开采矿层的节段的高度相同；地面直井具有扩腔段，地面直井通过扩腔段与地面水平井、分支井及巷道水平井连通。

进一步地，地面直井和地面水平井均为多个，且每个地面直井的下方均设置有一个地面水平井。

进一步地，分支井为多个，每个地面直井均通过扩腔段与多个分支井连通，并且与同一个地面直井连通的分支井沿逆地层倾向向上分支延伸且呈放射状分布。

进一步地，地面水平井和地面直井均沿地层倾向延伸。

进一步地，地面水平井位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m；和/或巷道水平井位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m。

进一步地，地面水平井位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。

进一步地，巷道水平井位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。

根据本发明的另一个方面，提供了一种矿井施工方法，包括：步骤S1：在地面开设地面直井并钻穿矿井的待开采矿层；步骤S2：由矿井的待开采矿层沿地层倾向延伸开设地面水平井，且地面水平井位于地面直井的下方；步骤S3：由地面水平井沿逆地层倾向向上开设至少一条分支井，且各分支井与地面直井不连通；步骤S4：在巷道内，由矿井的待开采矿层向地面直井的方向开设巷道水平井，并使巷道水平井与地面直井不连通，且巷道水平井的高度与地面直井的高度相同；步骤S5：在地面直井下入钻头，对地面直井进行扩腔，通过扩腔形成的扩腔段使地面直井与地面水平井、分支井及巷道水平井连通。

进一步地，矿井施工方法还包括在步骤S1之前的预处理步骤，预处理步骤包括在开设地面直井之前，根据未来开掘坑道的岩移角确定地面直井的开设位置。

进一步地，步骤S1包括：步骤S11：在地面直井的所在平面内开设多条地面直井；步骤S12：待地面直井开设完成后，向地面直井内下入护管，以使护管支撑地面直井。

进一步地，步骤S2包括在每个地面直井的下方均开设一个地面水平井且地面水平井的延伸方向逆地层倾向向上。

进一步地，步骤S3包括：步骤S31：由地面水平井的沿逆地层倾向向上开设主分支井至待开采矿层后，再继续向上延伸到预设深度；步骤S32：由地面水平井沿逆地层倾向向上，在主分支井的两侧开设其他的分支井至预设深度，以使分支井呈放射状分布；步骤S33，在每个地面水平井上重复步骤S31和步骤S32，以使所有地面水平井的上方均开设有分支井。

进一步地，在步骤S3和步骤S4中，地面直井在位于待开采矿层的节段的轨迹与地面水平井位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离均在0.2m至0.5m之间。

进一步地，在步骤S3和步骤S4中，地面直井在位于待开采矿层的节段的轨迹与巷道水平井在位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离均在0.2m至0.5m之间。

进一步地，步骤S5包括在地面直井下入直径为0.4m至0.6m的钻头进行扩腔并使地面直井与地面水平井、分支井及巷道水平井连通。

应用本发明的技术方案，通过逆地层倾向开设的分支井使得高度较高的矿层中的水分和瓦斯能够在重力和地层压力的共同作用下从巷道水平井中排出，从而实现了水分和瓦斯的井下负压抽排，同时地面直井开设在离开掘面有一定的位置，使得地面直井在矿井的前期可以作为水气的预抽排井使用，在后期还能够作为矿井坑道的抽排井使用，实现了井的多次利用。采取地面直井与地面水平井、巷道水平井在开设的前期处于不连通的状态，避免在井的开设过程中水气从地面直井或地面水平井或巷道水平井中排出，从而产生工程及环境风险，待所有井开设完成后再通过在地面直井的扩腔段连通各井，保证了井的开设作业的正常进行。上述矿井能够实现矿层中的水分和瓦斯的有效井下负压抽排，同时矿井还能够在后续工程中重复利用，实现了资源的节约。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的矿井的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、地面直井；20、地面水平井；30、分支井；31、主分支井；40、巷道水平井。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的矿井排水排气不方便的问题，本发明提供了一种矿井及矿井施工方法。

如图1所示的一种矿井，包括地面直井10、地面水平井20、至少一条分支井30和巷道水平井40，地面直井10钻穿矿井的待开采矿层；地面水平井20钻穿待开采矿层并沿地层倾向延伸，且地面水平井20位于地面直井10的下方；各分支井30均与地面水平井20连通，并且各分支井30均沿逆地层倾向向上延伸；巷道水平井40由矿井的待开采矿层向地面直井10的方向延伸，且巷道水平井40的高度与地面直井10的位于待开采矿层的节段的高度相同；地面直井10具有扩腔段，地面直井10通过扩腔段与地面水平井20、分支井30及巷道水平井40连通。

通过逆地层倾向向上开设的分支井30、主分支井31使得高度较高的矿层中的水分和瓦斯能够在重力和地层的压力的共同作用下从巷道水平井40中排出，从而实现了水分和瓦斯的井下负压抽排，同时地面直井10开设在离开掘面有一定高度的位置使得地面直井10在矿井的前期可以作为水气的预抽排井使用，在后期还能够作为矿井坑道的抽排井使用，实现了井的多次利用。采取地面直井10与地面水平井20、巷道水平井40在开设的前期处于不连通的状态，避免在井的开设过程中水气从地面直井10或地面水平井20或巷道水平井40中排出，从而产生工程及环境风险，待所有井开设完成后再通过在地面直井10的扩腔段连通各井，保证了井的开设作业的正常进行。上述矿井能够实现矿层中的水分和瓦斯的有效井下负压抽排，同时矿井还能够在后续工程中重复利用，实现了资源的节约。

需要说明的是，本实施例中的地面直井10指的是井的延伸方向为一直线。而多个地面直井10彼此之间可以是相互平行的，也可以是不平行的。在图1所示的具体实施例中，多个地面直井10之间可按矿区地面条件布设。

本实施例以煤矿矿井为例进行说明，煤矿矿井的矿层中通常具有水分和瓦斯，因而需要在开采煤矿之前将矿层中的水分和瓦斯进行抽排，本实施例的矿井正是为了对矿层中的水气进行抽排而开设的。

通常认为地表是由多层叠置组成的，地层倾向也就是与地层的层面平行的方向，逆地层倾向则是与地层的层面形成有一定的夹角的方向，特别地可以是与地层的层面垂直的方向。

本实施例中，地面直井10和地面水平井20均为多个且二者数量相同，沿地层倾向在所有地面直井10的下方均设置有一个地面水平井20。这样，每个地面直井10都有对应的一个地面水平井20，使得由地面水平井20开设的分支井30、主分支井31能够与相应的地面直井10连通，同时保证分支井30中的水气能够有效经过巷道水平井40中排出。

如图1所示，分支井30为多个，每个地面直井10均通过扩腔段与多个分支井30连通，并且与同一个地面直井10连通的分支井30呈放射状分布。也就是说，分支井30与地面直井10在待开采矿层的同一位置连通，并且各分支井30均逆地层倾向向上并向彼此远离的方向延伸，以使分支井30到矿层的覆盖面积能够尽可能的大，以保证分支井30的抽排效果。

在本实施例中，地面水平井20和地面直井10均沿地层倾向延伸，以便于后续的开采工作。

由于在一开始开设地面直井10、地面水平井20、分支井30和巷道水平井40时，三者是互不连通的，而后续又需要将地面直井10与地面水平井20和地面直井10与巷道水平井40之间打通，因而将地面水平井20位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m；巷道水平井40位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m。

优选地，地面水平井20位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m；巷道水平井40位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。

需要说明的是，上述的轨迹可以采用井的轴线作为参照。

本实施例还提供了一种矿井施工方法，包括：步骤S1：在地面开设地面直井10并钻穿矿井的待开采矿层；步骤S2：由矿井的待开采矿层沿地层倾向延伸开设地面水平井20，且地面水平井20位于地面直井10的下方；步骤S3：由地面水平井20沿逆地层倾向向上开设至少一条分支井30，且各分支井30与地面直井10不连通；步骤S4：在巷道内，由矿井的待开采矿层向地面直井10的方向开设巷道水平井40，并使巷道水平井40与地面直井10不连通，且巷道水平井40的高度与地面直井10的高度相同；步骤S5：在地面直井10下入钻头，对地面直井10进行扩腔，通过扩腔形成的扩腔段使地面直井10与地面水平井20、分支井30及巷道水平井40连通。

首先进行预处理步骤，预处理步骤包为在开设地面直井10之前，根据未来开掘坑道的岩移角确定地面直井10的距离开掘面的距离以确定地面直井10的开设位置，开设出地面直井10，然后下入测量仪进行井眼轨迹参数测量，并计算出地面直井10的轨迹，向地面直井10中下入玻璃钢护管，便于后续进行扩腔并且保护煤矿的安全。

然后根据地面条件，沿地层倾向，在地面直井10的下方选取地面水平井20的井位，采用定向钻进技术及旋转导向技术在每个地面直井10的下方均开设一个地面水平井20，且地面水平井20的延伸方向向地面直井10方向的延伸，待地面水平井20开设完成主分支井31后，抽回定向钻具进行分支井30的开设，由地面水平井20逆地层倾向向上开设多条分支井30延伸到预设深度，使得分支井30沿逆地层倾向垂直于矿层走向的方向进行开设。

在开设分支井30前，先逆地层倾向向上开设主分支井31，然后在主分支井31的两侧开设其他的分支井30，其他的分支井30与地面水平井20连通的一端呈弧形，另一端也是逆地层倾向向上延伸至矿层中的预设深度的，这样所有分支井30整体呈放射状分布或者说呈羽状分布，从而扩大了分支井30在矿层上的覆盖面积，使得矿层上尽可能多的部分的水气能够从分支井30中抽排出。每一个地面水平井20上的分支井30均通过上述方式开设，使得所有地面水平井20的上方均开设有多个分支井30。

在本实施例中，自煤矿层顶板下在煤矿层区沿煤矿层厚度1/3处进行分支井30的顶段的开设；通过增减方位，使分支井30达到或接近垂直矿层后，再在稳定方位水平向上倾斜钻进，直到预设深度。由于分支井30的顶段的开设方向会产生变化，因而可以根据煤层参数及解吸参数，通过调整井下钻具组合，从而实现分支井30的开设。

在上述的地面直井10、地面水平井20、分支井30和巷道水平井40的开设完成之前，地面直井10与地面水平井20、分支井30和巷道水平井40是不连通的，并且地面直井10在待开采矿层的轨迹与地面水平井20在待开采矿层的轨迹之间的距离控制在0.2m至0.5m；巷道水平井40在待开采矿层的轨迹与地面直井10在待开采矿层的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m。

优选地，地面水平井20在待开采矿层的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m；巷道水平井40位于待开采矿层的节段的轨迹与地面直井10位于待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。后续通过在地面直井10下入扩腔的钻头，对地面直井10进行扩腔操作；通过扩腔使地面直井10、地面水平井20、分支井30及巷道水平井40连通。这样，在矿井的开设过程中，开设地面水平井20与分支井30及开设巷道水平井40均不受其它井的影响。0.3m的距离既能够保证地面直井10与地面水平井20、分支井30和巷道水平井40之间不会意外打通，又能够方便后续的扩腔操作。

当所有井均开设完成且在巷道水平井40的井口处安装好抽排水气的井口装置后，再在地面直井10下入直径为0.4m至0.6m的钻头，对地面直井10位于待开采矿层的节段进行扩腔；通过扩腔使地面直井10、地面水平井20、分支井30及巷道水平井40连通。此时，分支井30中的水气就能够依次通过地面水平井20、地面直井10和巷道水平井40向巷道水平井40排出。上述方式避免了矿井在开设过程中由于矿层中的水气对矿井的开设产生的不利影响的问题，保证了矿井的正常开设。

优选地，钻头选用直径为0.5m的钻头。

需要说明的是，由于地面直井10在开设完成后设置有玻璃钢护管，因而开设连通孔时，需要将玻璃钢护管一同打通。

通过上述方式开设完成矿井后，即可从巷道水平井40中抽排水分和瓦斯，从而实现了煤矿矿层的瓦斯和水分的井下负压预抽排，同时地面直井10还可以在后续的煤矿开采过程中继续用于瓦斯的抽排，实现了矿井的多次利用。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、解决了现有技术中的矿井排水排气不方便的问题；

2、分支井的设置有利于抽排和消除水堵，同时穿透煤矿层的地质构造和沟通煤矿层的裂隙通道；

3、地面直井既能够作为矿井前期的预排瓦斯的抽排井，也可作后期煤矿开采时的坑道抽排井，实现了矿井的多次利用；

4、后续扩腔避免了扩腔前水分和瓦斯对其它矿井的开设的影响，保证了矿井开设过程的正常进行。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“地面”、“地面”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种矿井，其特征在于，包括：

地面直井(10)，所述地面直井(10)钻穿所述矿井的待开采矿层；

地面水平井(20)，所述地面水平井(20)钻穿所述待开采矿层并沿地层倾向延伸，且所述地面水平井(20)位于所述地面直井(10)的下方；

多个分支井(30)，各所述分支井(30)均与所述地面水平井(20)连通，并且各所述分支井(30)均沿逆地层倾向向上延伸；

巷道水平井(40)，所述巷道水平井(40)由所述矿井的待开采矿层向所述地面直井(10)的方向延伸，且所述巷道水平井(40)的高度与所述地面直井(10)的位于所述待开采矿层的节段的高度相同；

所述地面直井(10)具有扩腔段，所述地面直井(10)通过所述扩腔段与所述地面水平井(20)、所述分支井(30)及所述巷道水平井(40)连通，所述地面直井(10)和所述地面水平井(20)均为多个，且每个所述地面直井(10)的下方均设置有一个所述地面水平井(20)，每个所述地面直井(10)均通过所述扩腔段与多个分支井(30)连通，并且与同一个所述地面直井(10)连通的所述分支井(30)中，各所述分支井(30)与所述地面直井(10)在待开采矿层的同一位置连通，各所述分支井(30)均沿逆地层倾向向上分支并向彼此远离的方向延伸且呈放射状分布。

2.根据权利要求1所述的矿井，其特征在于，所述地面水平井(20)和所述地面直井(10)均沿地层倾向延伸。

3.根据权利要求1所述的矿井，其特征在于，

所述地面水平井(20)位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述地面直井(10)位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m；和/或

所述巷道水平井(40)位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述地面直井(10)位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.2m至0.5m。

4.根据权利要求3所述的矿井，其特征在于，所述地面水平井(20)位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述地面直井(10)位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。

5.根据权利要求3所述的矿井，其特征在于，所述巷道水平井(40)位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述地面直井(10)位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离为0.3m。

6.一种矿井施工方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在地面开设地面直井(10)并钻穿矿井的待开采矿层；

步骤S2：由所述矿井的待开采矿层沿地层倾向延伸开设地面水平井(20)，且所述地面水平井(20)位于所述地面直井(10)的下方；

步骤S3：由所述地面水平井(20)沿逆地层倾向向上开设至少一条分支井(30)，且各所述分支井(30)与所述地面直井(10)不连通；

步骤S4：在巷道内，由所述矿井的待开采矿层向所述地面直井(10)的方向开设巷道水平井(40)，并使所述巷道水平井(40)与所述地面直井(10)不连通，且所述巷道水平井(40)的高度与所述地面直井(10)的高度相同；

步骤S5：在所述地面直井(10)下入钻头，对所述地面直井(10)进行扩腔，通过扩腔形成的扩腔段使所述地面直井(10)与所述地面水平井(20)、所述分支井(30)及所述巷道水平井(40)连通，并且各所述分支井(30)与所述地面直井(10)在待开采矿层的同一位置连通；

所述步骤S3包括：

步骤S31：由所述地面水平井(20)的沿逆地层倾向向上且垂直于矿层走向开设主分支井(31)至所述待开采矿层后，再继续向上延伸到预设深度；

步骤S32：由所述地面水平井(20)沿逆地层倾向向上且垂直于矿层走向，在所述主分支井(31)的两侧开设其他的分支井(30)至所述预设深度，以使所述分支井(30)向彼此远离的方向延伸呈放射状分布。

7.根据权利要求6所述的矿井施工方法，其特征在于，所述矿井施工方法还包括在所述步骤S1之前的预处理步骤，所述预处理步骤包括在开设所述地面直井(10)之前，根据未来开掘坑道的岩移角确定所述地面直井(10)的开设位置。

8.根据权利要求7所述的矿井施工方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：在所述地面直井(10)的所在平面内开设多条所述地面直井(10)；

步骤S12：待所述地面直井(10)开设完成后，向所述地面直井(10)内下入护管，以使所述护管支撑所述地面直井(10)。

9.根据权利要求8所述的矿井施工方法，其特征在于，所述步骤S2包括在每个所述地面直井(10)的下方均开设一个所述地面水平井(20)且所述地面水平井(20)的延伸方向逆地层倾向向上。

10.根据权利要求9所述的矿井施工方法，其特征在于，所述步骤S3包括步骤S33，在每个所述地面水平井(20)上重复所述步骤S31和所述步骤S32，以使所有所述地面水平井(20)的上方均开设有所述分支井(30)。

11.根据权利要求6所述的矿井施工方法，其特征在于，在所述步骤S3和所述步骤S4中，所述地面直井(10)在位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述地面水平井(20)位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离均在0.2m至0.5m之间。

12.根据权利要求6所述的矿井施工方法，其特征在于，在所述步骤S3和所述步骤S4中，所述地面直井(10)在位于所述待开采矿层的节段的轨迹与所述巷道水平井(40)在位于所述待开采矿层的节段的轨迹之间的距离均在0.2m至0.5m之间。

13.根据权利要求6所述的矿井施工方法，其特征在于，所述步骤S5包括在所述地面直井(10)下入直径为0.4m至0.6m的钻头进行扩腔并使所述地面直井(10)与所述地面水平井(20)、所述分支井(30)及所述巷道水平井(40)连通。

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