CN110486022A - 煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，包括以下步骤：步骤一：根据超前区域治理地区地面钻孔施工条件确定钻孔方式，判定是否采用井下定向钻进方式；步骤二：根据煤层埋深、煤层底板承受水压确定钻孔施工方式；步骤三：分析煤层底板的薄层灰岩含水层的层数，确定是否改造厚层灰岩；步骤四：计算煤层底板各含水层突水系数值，确定超前区域治理改造层位；步骤五：确定煤层底板含水层超前区域治理模式；本发明综合了与现场施工密切相关的施工条件、钻进技术和层位选择三个方面因素，更好的确定含水层超前区域治理工程，避免了无效工程施工，提高施工效率和施工效果，为煤层底板含水层超前区域注浆治理技术推广提供了科学依据。

Description

煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采水害防治的技术领域，尤其涉及一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法。

背景技术

我国华北型煤田开采普遍受到底板承压含水层水害威胁，对含水层进行注浆改造是其主要的防治措施。由于以往的注浆方式仅能依托井巷工程施工，无法在巷道掘进之前进行治理，同时常规钻孔注浆存在有效孔段短、注浆效果差、钻孔轨迹难以控制的缺点。

为解决超前区域治理煤层底板含水层，实现底板含水层水害超前防治的目标，本发明人——煤炭科学研究总院西安研究院首次采用定向钻进技术实现了长钻孔注浆的含水层超前区域治理，详见中国专利公开号102134967A，名称为：一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法。近年来，随着地面定向钻进、井下定向钻进和径向射流技术在含水层注浆改造方面的应用，逐渐开发出多种依托超前钻孔进行含水层注浆改造的方法，实现了煤层顶、底板含水层的超前区域治理。例如，中国专利公开号106545296A，公开日2017年3月29日，发明创造的名称为：一种深采煤层底板灰岩水害的地面钻孔注浆治理方法，该申请案公开了一种利用地面定向钻孔治理底板灰岩含水层的方法。中国专利公开号108561082A，名称为：灰岩含水层互嵌式射流注浆改造方法，该申请案公开了一种利用地面径向射流造孔进行含水层注浆改造的方法。多项专利申请和文献资料表明，现阶段已经形成多种模式的超前区域注浆改造方法，应用于不同的水文地质条件。超前区域治理技术已经成为煤层顶、底板含水层水害治理的重要技术。

目前，国内外已经开发出地面、井下多种钻进方式，针对各类型含水层的水害超前区域治理技术。但是，大多数技术方法均未提出其适用条件，且现阶段也暂未建立起不同治理技术的选择准则，使得部分矿井在工程方案确定时选取错误而造成严重损失。为此，需确定利用定向钻孔注浆改造底板含水层的各种分类模式，建立各模式的确定原则与方法，为超前区域治理工程技术方案确定提供科学依据。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，指导煤层底板含水层超前区域注浆改造方案确定，避免无效工程与重复工程施工。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据超前区域治理地区地面钻孔施工条件确定钻孔方式，判定是否采用井下定向钻进方式；

步骤二：根据煤层埋深、煤层底板承受水压确定钻孔施工方式；

步骤三：分析煤层底板的薄层灰岩含水层的层数，确定是否改造厚层灰岩；

步骤四：计算煤层底板各含水层突水系数值，确定超前区域治理改造层位；

步骤五：确定煤层底板含水层超前区域治理模式，根据步骤一和步骤二确定的超前区域改造钻孔施工位置和钻进方式，根据步骤三和步骤四确定的注浆改造层位。

其中：在步骤一中，确定超前区域治理地区地面的地形、建筑物分布和土地使用情况，明确钻孔施工可利用的土地面积，确定地面的场地能否进行钻孔施工，若地面的场地不具备钻孔施工条件时，采用井下钻机施工井下定向钻孔作为超前区域治理注浆钻孔，具备钻孔施工条件时根据步骤二继续。

其中：在步骤二中，利用地面标高减去煤层的顶板标高得到煤层的埋深M；通过最靠近煤层底板的含水层的水头标高与煤层的底板标高相减，得到煤层底板的承受水压P’，根据煤层的埋深M和煤层底板的承受水压P’确定超前区域治理的钻孔施工方式。

其中：在步骤三中，确定煤层底板下的薄层灰岩含水层的厚度和分布位置，若无薄层灰岩含水层时改造厚层灰岩含水层，否则需按步骤四结合其他因素继续判别。

其中：在步骤四中，由上到下分别计算煤层底板各薄层灰岩含水层的突水系数值，选取突水系数小于0.06MPa/m的薄层灰岩含水层中的最上层作为超前区域治理改造层位，若各薄层灰岩含水层的突水系数均大于0.06MPa/m，则选取厚层灰岩含水层的顶部作为注浆改造层位。

其中：在步骤二中，按照煤层的埋深M和煤层底板的承受水压P’确定优先选择的注浆钻孔钻进方式：

M＜240m，施工地面径向射流钻孔作为注浆钻孔；

240m＜M＜800m，采用地面钻机施工地面定向钻孔作为注浆钻孔；

M＞800m，且P’＞6MPa，采用地面钻机施工地面定向钻孔作为注浆钻孔；

M＞800m，且P’＜6MPa，采用井下钻机施工井下定向钻孔作为注浆钻孔。

其中：在步骤四中，由上到下编号薄层灰岩含水层为1,2，……，n，按编号分别计算底板第i层灰岩改造后i+1层薄层灰岩含水层对煤层的突水系数值，薄层灰岩含水层改造后突水系数T_i＝薄层灰岩含水层水压P_i+1/薄层灰岩含水层到煤层距离L_i+1。

其中：步骤五中，根据钻孔施工位置及钻进方式、改造层位两方面进行组合，综合确定超前区域治理模式分为5类：地面定向钻进薄层灰岩改造模式、地面定向钻进厚层灰岩改造模式、井下定向钻进薄层灰岩改造模式、井下定向钻进厚层灰岩改造模式、地面径向射流厚层灰岩改造模式。

通过上述结构可知，本发明的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法具有如下效果：

1、综合了与现场施工密切相关的施工条件、钻进技术和层位选择三个方面因素，更好的确定含水层超前区域治理工程，避免了无效工程施工，提高施工效率和施工效果。

2、归纳梳理了煤层底板含水层超前区域治理的各种模式，进一步从地质、煤层赋存、地面施工条件和钻井技术多方面总结，是科学技术和工程施工两方面的完整结合，为煤层底板含水层超前区域注浆治理技术推广提供了科学依据。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法的流程图。

图2显示了本发明的地面定向钻进薄层灰岩改造模式。

图3显示了本发明的地面定向钻进厚层灰岩改造模式。

图4显示了本发明的井下定向钻进薄层灰岩改造模式。

图5显示了本发明的井下定向钻进厚层灰岩改造模式。

图6显示了本发明的地面径向射流厚层灰岩改造模式。

附图标记：

1.地面定向钻孔，2.煤层，3.第一层薄层灰岩含水层，4.第二层薄层灰岩含水层，5.第三层薄层灰岩含水层，6.第四层薄层灰岩含水层，7.后续薄层灰岩含水层，8.厚层灰岩含水层，9.地面钻机，10.井下钻机，11.井下定向钻孔，12.地面定向射流钻孔。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法。

所述煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法包括以下步骤：

步骤一：根据超前区域治理地区地面钻孔施工条件确定钻孔方式，判定是否采用井下定向钻进方式；

具体而言，确定超前区域治理地区地面的地形、建筑物分布和土地使用情况，明确钻孔施工可利用的土地面积，确定地面的场地能否进行钻孔施工，若地面的场地不具备钻孔施工条件时，采用井下钻机10施工井下定向钻孔11作为超前区域治理注浆钻孔(如图5所示)，具备地面钻孔施工条件时根据步骤二继续。

步骤二：根据煤层埋深、煤层底板承受水压确定钻孔施工方式；

具体而言，利用地面标高减去煤层2的顶板标高得到煤层2的埋深M；通过最靠近煤层底板的含水层的水头标高与煤层2的底板标高相减，得到煤层2底板的承受水压P’，根据煤层2的埋深M和煤层2底板的承受水压P’确定超前区域治理的钻孔施工方式。

步骤三：分析煤层底板的薄层灰岩含水层的层数，确定是否改造厚层灰岩；

具体而言，确定煤层底板下的薄层灰岩含水层的厚度和分布位置，参见图2所示，在其中一个实施例中，薄层灰岩含水层包含第一薄层灰岩含水层3、第二薄层灰岩含水层4、第三薄层灰岩含水层5、第四薄层灰岩含水层6以及后续薄层灰岩含水层7，在薄层灰岩含水层的底部为厚层灰岩含水层8，若无薄层灰岩含水层时改造厚层灰岩含水层8，否则需按步骤四结合其他因素继续判别。

步骤四：计算煤层底板各含水层突水系数值，确定超前区域治理改造层位；

具体而言，由上到下分别计算煤层底板各薄层灰岩含水层被改造后的突水系数值，选取突水系数小于0.06MPa/m的薄层灰岩含水层中的最上层作为超前区域治理改造层位，若各薄层灰岩含水层的突水系数均大于0.06MPa/m，则选取厚层灰岩含水层8的顶部作为注浆改造层位。

步骤五：确定煤层底板含水层超前区域治理模式。

具体而言，根据步骤一和步骤二确定的超前区域改造钻孔施工位置和钻进方式，根据步骤三和步骤四确定的注浆改造层位，确定煤层底板含水层超前区域治理模式。

所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类方法的步骤二中，按照煤层2的埋深M和煤层2底板的承受水压P’确定优先选择的注浆钻孔钻进方式：

M＜240m，施工地面径向射流钻孔12作为注浆钻孔(参见图6所示)；

240m＜M＜800m，采用地面钻机9施工地面定向钻孔1作为注浆钻孔(参见图1和图2所示)；

M＞800m，且P’＞6MPa，采用地面钻机9施工地面定向钻孔1作为注浆钻孔；

M＞800m，且P’＜6MPa，采用井下钻机10施工井下定向钻孔11作为注浆钻孔(参见图4、图5所示)。

步骤四中，由上到下编号薄层灰岩含水层为1,2，……，n，按编号分别计算底板第i层灰岩改造后i+1层薄层灰岩含水层对煤层的突水系数值，薄层灰岩含水层突水系数T_i＝薄层灰岩含水层水压P_i+1/薄层灰岩含水层到煤层距离L_i+1。分别计算改造煤层底板各薄层灰岩含水层的突水系数值，选取突水系数小于0.06MPa/m的薄层灰岩中最上层作为超前区域治理改造层位。

所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类方法，步骤五中，根据步骤一、步骤二所确定的钻孔施工位置及钻进方式，步骤三、步骤四所确定的改造层位，综合确定超前区域治理模式分为5类：

通过步骤一、步骤二确定采用地面定向钻进，步骤四确定改造薄层灰岩的，采用地面定向钻进薄层灰岩改造模式(图2)、通过步骤一、步骤二确定采用地面定向钻进，步骤三、步骤四确定改造厚层灰岩的，采用地面定向钻进厚层灰岩改造模式(图3)、通过步骤一、步骤二确定采用井下定向钻进，步骤四确定改造薄层灰岩的，采用井下定向钻进薄层灰岩改造模式(图4)、通过步骤一、步骤二确定采用井下定向钻进，步骤三、步骤四确定改造薄层灰岩的，采用井下定向钻进厚层灰岩改造模式(图5)、通过步骤一、步骤二确定采用地面径向射流，步骤三、步骤四确定改造厚层灰岩的，采用地面径向射流厚层灰岩改造模式(图6)，采用5类中的那一类，可根据附图1中所示进行具体判定。

在一个具体实施例中，本发明的步骤如下：

1)鉴于华北型石炭-二叠系煤田开采过程中普遍受到底板太原组薄层灰岩含水层和奥陶系厚层灰岩含水层水害威胁，部分矿井需开展超前区域注浆治理。某矿6#煤层2回采过程中，受到底板太原组薄层灰岩含水层34567和奥陶系厚层灰岩含水层8的水害威胁，需开展超前区域注浆改造，实现煤层安全回采。

2)对6#煤层开采水文地质条件进行分析，得出煤层埋深520～580m，底板共发育十二层太原组薄层灰岩含水层，其中第一层薄层灰岩3、第二层薄层灰岩4、第三层薄层灰岩5与煤层间隔分别为55m、65m、75m，灰岩厚度分别为1.8m、2.9m、8.0m，该三层灰岩含水层水压为4～5MPa。调研可知，煤层回采区对应地面平缓，具备钻孔施工条件。

3)煤层2埋深520～580m，符合240＜M＜800m条件，超前区域治理钻孔选取地面定向施工定向钻孔1，作为超前区域注浆改造的注浆钻孔。

4)煤层底板存在多层太原组薄层灰岩含水层34567，优先考虑对薄层灰岩含水层进行改造，层位选择步骤：

(1)选取第一层薄层灰岩3作为拟改造层位，计算得出第二层薄层灰岩4对煤层2的突水系数T₁＝0.076，不满足突水系数小于0.06MPa的要求；

(2)选取第二层薄层灰岩4作为拟改造层位，计算第三层薄层灰岩5对煤层2的突水系数T₂＝0.068，不满足突水系数小于0.06MPa的要求；

(3)选取第三层薄层灰岩5作为拟改造层位，计算第四层薄层灰岩6对煤层2的突水系数T₃＝0.057，满足突水系数小于0.06MPa要求，确定第三层薄层灰岩5作为超前区域治理的拟改造层位。

(4)根据钻进方式和改造层位确定结果，确定该矿井6#煤底板含水层超前区域治理将采用地面定向钻进薄层灰岩改造模式，布设定向钻孔1在第三层薄层灰岩6中，对其进行注浆改造。

由此可见，本发明的优点在于：

1、综合了与现场施工密切相关的施工条件、钻进技术和层位选择三个方面因素，更好的确定含水层超前区域治理工程，避免了无效工程施工，提高施工效率和施工效果。

2、归纳梳理了煤层底板含水层超前区域治理的各种模式，进一步从地质、煤层赋存、地面施工条件和钻井技术多方面总结，是科学技术和工程施工两方面的完整结合，为煤层底板含水层超前区域注浆治理技术推广提供了科学依据。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据超前区域治理地区地面钻孔施工条件确定钻孔方式，判定是否采用井下定向钻进方式；

步骤二：根据煤层埋深、煤层底板承受水压确定钻孔施工方式；

步骤三：分析煤层底板的薄层灰岩含水层的层数，确定是否改造厚层灰岩；

步骤四：计算煤层底板各含水层突水系数值，确定超前区域治理改造层位；

步骤五：确定煤层底板含水层超前区域治理模式，根据步骤一和步骤二确定的超前区域改造钻孔施工位置和钻进方式，根据步骤三和步骤四确定的注浆改造层位。

2.如权利要求1所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤一中，确定超前区域治理地区地面的地形、建筑物分布和土地使用情况，明确钻孔施工可利用的土地面积，确定地面的场地能否进行钻孔施工，若地面的场地不具备钻孔施工条件时，采用井下钻机施工井下定向钻孔作为超前区域治理注浆钻孔，具备钻孔施工条件时根据步骤二继续。

3.如权利要求1所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤二中，利用地面标高减去煤层的顶板标高得到煤层的埋深M；通过最靠近煤层底板的含水层的水头标高与煤层的底板标高相减，得到煤层底板的承受水压P’，根据煤层的埋深M和煤层底板的承受水压P’确定超前区域治理的钻孔施工方式。

4.如权利要求1所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤三中，确定煤层底板下的薄层灰岩含水层的厚度和分布位置，若无薄层灰岩含水层时改造厚层灰岩含水层，否则需按步骤四结合其他因素继续判别。

5.如权利要求1所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤四中，由上到下分别计算煤层底板各薄层灰岩含水层的突水系数值，选取突水系数小于0.06MPa/m的薄层灰岩含水层中的最上层作为超前区域治理改造层位，若各薄层灰岩含水层的突水系数均大于0.06MPa/m，则选取厚层灰岩含水层的顶部作为注浆改造层位。

6.如权利要求3所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤二中，按照煤层的埋深M和煤层底板的承受水压P’确定优先选择的注浆钻孔钻进方式：

M＜240m，施工地面径向射流钻孔作为注浆钻孔；

240m＜M＜800m，采用地面钻机施工地面定向钻孔作为注浆钻孔；

M＞800m，且P’＞6MPa，采用地面钻机施工地面定向钻孔作为注浆钻孔；

M＞800m，且P’＜6MPa，采用井下钻机施工井下定向钻孔作为注浆钻孔。

7.如权利要求5所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：在步骤四中，由上到下编号薄层灰岩含水层为1,2，……，n，按编号分别计算底板第i层灰岩改造后i+1层薄层灰岩含水层对煤层的突水系数值，薄层灰岩含水层改造后突水系数T_i＝薄层灰岩含水层水压P_i+1/薄层灰岩含水层到煤层距离L_i+1。

8.如权利要求1所述的煤层底板含水层超前区域治理模式分类确定方法，其特征在于：步骤五中，根据钻孔施工位置及钻进方式、改造层位两方面进行组合，综合确定超前区域治理模式分为5类：地面定向钻进薄层灰岩改造模式、地面定向钻进厚层灰岩改造模式、井下定向钻进薄层灰岩改造模式、井下定向钻进厚层灰岩改造模式、地面径向射流厚层灰岩改造模式。