CN110566118A - 煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法。包括：施工底板组合定向孔，所述底板组合定向孔包括从隔水层进入含水层的造斜孔段以及起始于造斜孔段并在含水层内部延伸的水平孔段；以预设间隔在造斜孔段侧壁上施工延伸穿过至少一个含水层的射流孔段，所述射流孔段在含水层内与所述水平孔段不相交并覆盖水平孔段盲区；对所述水平孔段和射流孔段进行注浆以将含水层底板改造成隔水层底板。本发明解决了与煤层距离远、含水层数量多、水压高的煤层底板治理效果差、易存在盲区等问题，具有注浆覆盖面积广、治理无盲区、效率高等优点，实现了深埋多含水层底板超前区域注浆改造，为工作面安全回采提供了技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种注浆改造方法，属于煤矿水害防治领域，具体是涉及一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法。
背景技术
水害是我国煤矿主要五种自然灾害之一。底板水害是煤矿水害的主要类型之一，其突水压力高、流量大、破坏性强，给煤矿生产带来了严重安全隐患。尤其是随着煤炭开采逐渐向深部发展，底板承压水的压力、含水层数量、水量和埋深逐渐增加，对矿井的威胁越来越严重。
底板水害防治目前主要采用疏水降压、带压开采、注浆加固隔水层或改造含水层等方法，但存在以下问题：①底板承压水一般补给通道稳定、水量大，输水降压难度大；②随着煤层开采深度增加，底板承压水压力逐渐升高，影响煤层开采的含水层数量变多，且承压含水层与开采煤层之间的隔水层能够承受的水头值一般均小于实际水头值，即使进行注浆加固后，也较难具有带压开采条件；③底板含水层埋深大、数量多、压力高，单独改造某个含水层仍不能满足矿井安全需求，但常规定向孔主要适用于单含水层注浆防治，缺乏适用于多含水层底板治理的方法；④目标含水层与煤层和钻场的距离远，采用定向孔进行底板注浆改造时，需要先长距离造斜钻进，使定向孔由煤层进入目标含水层，该孔段的下部含水层无法覆盖，导致存在治理盲区；⑤底板含水层一般为灰岩，硬度高，定向钻进效率低；目标含水层距离煤层远，定向孔的垂直落差大，排渣困难；⑥采用普通穿层钻孔进行底板水害防治时，其钻孔深度浅、轨迹不可测控，施工工程量大，且无法实现超前区域水害防治，制约了水害高效治理与煤层安全回采。
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，针对煤矿井下深埋多含水层底板水害防治技术存在的不足，研究设计出煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，以克服上述缺陷。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
发明的目的是针对煤矿井下深埋多含水层底板水害防治时，疏水降压难度大、带压开采条件不具备、常规注浆改造钻孔成本高、常规定向孔只适用于单含水层改造且存在治理盲区等不足，提供了一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，包括：
施工底板组合定向孔，所述底板组合定向孔包括从隔水层进入含水层的造斜孔段以及起始于造斜孔段并在含水层内部延伸的水平孔段；
以预设间隔在造斜孔段侧壁上施工延伸穿过至少一个含水层的射流孔段，所述射流孔段在含水层内与所述水平孔段不相交并覆盖水平孔段盲区；对所述水平孔段和/或射流孔段进行注浆将含水层改造成隔水层。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，所述含水层为多层；其中下层底板组合定向孔的造斜孔段从上一层底板组合定向孔的造斜孔段内预留的定向分支点延伸至下层含水层；各造斜孔段侧壁施工的射流孔段延伸至待改造的最深部含水层。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，多个底板组合定向孔在平面内呈束状均匀布置，相邻钻孔水平孔段的平面间距小于注浆有效直径。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，位于最外层的底板组合定向孔的造斜孔段的每个射流分支点处施工多个不同方向的射流孔段；各相邻射流孔段的终孔点在水平面上投影的间距小于注浆有效直径。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，所述的射流孔段与造斜孔段垂直，且沿造斜孔段均匀布置，各相邻射流孔段的终孔点在水平面上投影的间距小于注浆有效直径。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，还包括：从钻场向隔水层施工连接所述底板组合定向孔的套管孔段，所述的套管孔段包括两级套管，其中第一级套管封固孔口复杂破碎地层，注浆固管压力不低于7MPa；第二级及以上套管注浆固管压力大于含水层可能出水压力的3倍以上。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，所述的套管孔段(2)注水试压方法与合格标准为：各级套管的注水压力与注浆固管压力相同，稳压30min，压力不下降。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，水平孔段施工过程中，每钻进100m或钻孔出水量大于30m3/h或达到预定深度时，提出孔内多动力异形定向钻具，进行高压注浆，将含水层改造成隔水层，并封堵异常导水通道。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，通过所述底板组合定向孔对含水层底板进行注浆改造后，施工检查孔对注浆效果进行检验，若检查孔涌水量大于允许值，进行补充注浆，直至检查孔出水量小于允许值为止。
优选的，上述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，检查孔优先布置在构造复杂区、含水层相对富水区以及注浆相对薄弱区；所述的构造复杂区是指钻进过程中发生孔内异常的区域；所述的含水层相对富水区是指钻进过程中出水量相对较大的区域，所述的注浆相对薄弱区是指钻孔高压注浆量相对较少的区域。
因此，本发明具备以下优点：
1、可利用组合定向孔对多个含水层底板进行注浆改造，治理效率高，解决了多含水层底板治理难题；
2、由多个组合定向孔组成的束形孔组可对待采工作面的含水层底板进行区域覆盖和整体注浆改造，解决了含水层底板超前区域治理难题；
3、采用水平孔段与射流孔段配合的方式，解决了采用定向孔进行底板注浆改造时造斜孔段下部易存在注浆空白带的难题，实现了目标含水层底板全覆盖无盲区；
4、采用满眼保直回转钻具解决了大直径套管孔段保直钻进难题，采用硬岩提速工具解决了坚硬含水层高效钻进难题，采用异形钻杆解决了大垂高定向孔高效排渣难题，实现了安全高效成孔。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1为煤矿井下深埋多含水层底板组合定向孔剖面布置示意图。
图2为煤矿井下深埋多含水层底板组合定向孔群平面布置示意图。
图3为上造斜孔段的射流孔段剖面布置示意图。
图4为下造斜孔段的射流孔段剖面布置示意图。
图5为满眼回转保直钻具示意图。
图6为多动力异形定向钻具示意图。
将参照附图描述本发明的实施例。
图中，组合定向孔1、套管孔段2、上造斜孔段3、上水平孔段4、下造斜孔段5、下水平孔段6、射流孔段7、定向分支点8、射流分支点9、钻场10、煤层11、上隔水层12、上含水层13、下隔水层14、下含水层15、注浆盲区16、内凹型PDC保直钻头17、插接式螺旋钻杆18、岩层定向钻头19、液动螺杆马达20、硬岩提速工具21、无磁钻具22、液流单向截止短节23、异形钻杆24、测量探管25。
具体实施方式
实施例
参见图1，煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法中的组合定向孔1由套管孔段2、上造斜孔段3、上水平孔段4、下造斜孔段5、下水平孔段6、射流孔段7组成。所述的上造斜孔段3预留有定向分支点8和射流分支点9。
煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，包括以下步骤：
步骤一：套管孔段施工。在设置的钻场10内，从煤层11向侧下方开孔，采用满眼回转保直钻具施工至设计位置后，下入套管，然后注入水泥浆固定套管；待水泥浆固化后，下入钻具钻出套管，注水试压合格后完成施工。
步骤二：上造斜孔段施工。采用多动力异形定向钻具进行造斜钻进，预留定向分支点8后，逐渐调整钻孔轨迹，使定向孔由上隔水层12进入上含水层13，并将钻孔倾角调整至与上含水层13倾角一致。
步骤三：上水平孔段施工。采用多动力异形定向钻具进行轨迹测控，确保在上含水层13内钻进，直至达到预定深度。
步骤四：下造斜孔段施工。采用多动力异形定向钻具在上造斜孔段3预留的定向分支点8处进行开分支作业，然后进行造斜钻进，逐渐增大钻孔倾角，使定向孔由下隔水层14进入下含水层15，并将钻孔倾角调整至与下含水层15倾角一致。
步骤五：下水平孔段施工。采用多动力异形定向钻具进行轨迹测控，确保在下含水层15内钻进，直至达到预定深度。
步骤六：射流孔段施工。采用高压水射流钻具在上造斜孔段3和下造斜孔段5每隔一定距离的射流分支点9处进行定向水射流钻进，垂直上造斜孔段3和下造斜孔段5向下开出分支后，钻进至穿过下含水层15；直至完成所有射流孔段7施工。
步骤七：钻孔注浆：所述的上水平孔段4和下水平孔段6施工过程中，每钻进100m或钻孔出水量大于30m3/h或达到预定深度时，提出孔内多动力异形定向钻具，进行高压注浆，将含水层改造成隔水层，并封堵异常导水通道。所述的单个射流孔段7施工完成后，提出孔内高压水射流钻具，进行高压注浆，将含水层注浆盲区16改造成隔水层。
步骤八：注浆效果检验。利用上水平孔段4、下水平孔段6和射流孔段7对工作面深埋多含水层底板进行整体注浆改造后，施工检查孔对注浆效果进行检验，若检查孔涌水量大于允许值，进行补充注浆，直至检查孔出水量小于允许值为止。检查孔优先布置在构造复杂区、含水层相对富水区以及注浆相对薄弱区。
步骤九：工作面开采。注浆效果检验合格后，进行工作面回采。
套管孔段2由两级以上套管组成，其中第一级套管封固孔口复杂破碎地层，注浆固管压力应不低于7MPa；第二级及以上套管用于确保后期组合定向孔1注浆上压，注浆固管压力应大于含水层可能出水压力的3倍以上。
所述的套管孔段2注水试压方法与合格标准为：各级套管的注水压力与注浆固管压力相同，稳压30min，压力不下降。
所述的高压注浆压力大于含水层最大出水压力的2.5倍以上。
所述的构造复杂区是指钻进过程中发生孔内异常的区域；所述的含水层相对富水区是指钻进过程中出水量相对较大的区域，所述的注浆相对薄弱区是指钻孔高压注浆量相对较少的区域。
参见图2，多个组合定向孔1在平面内呈束状均匀布置，形成孔组，相邻钻孔水平孔段的平面间距小于注浆有效直径。
参见图3、图4，射流孔段7与上造斜孔段3、下造斜孔段5垂直，且沿上造斜孔段3、下造斜孔段5均匀布置，各相邻射流孔段7的终孔点间距小于注浆有效直径。多个组合定向孔1形成的孔组，其中位于中间的组合定向孔1在每个射流分支点9处施工1个射流孔段7，位于两侧的组合定向孔1在每个射流分支点9处可施工多个射流孔段7，全面覆盖注浆盲区16，各相邻射流孔段7的终孔点间距小于注浆有效直径。
参见图5，所述的满眼回转保直钻具由内凹型PDC保直钻头17与插接式螺旋钻杆18依次连接组成，其中插接式螺旋钻杆18外径比内凹型PDC保直钻头17外径小20mm以内。
参见图6，所述的多动力异形定向钻具由岩层定向钻头19、液动螺杆马达20、硬岩提速工具21、无磁钻具22、液流单向截止短节23、异形钻杆24依次连接组成；无磁钻具22内固定有测量探管25，可在钻进过程中实时测量钻孔轨迹，并将信号传递至孔口，获得钻孔实钻轨迹，为定向造斜钻进与轨迹调控提供依据；液流单向截止短节23可避免含水层内高压承压水沿异形钻杆24倒流。所述的硬岩提速工具21包含液动潜孔锤、扭力冲击器、水力振荡器的一种或多种。
尽管本文较多地使用了组合定向孔1、套管孔段2、上造斜孔段3、上水平孔段4、下造斜孔段5、下水平孔段6、射流孔段7、定向分支点8、射流分支点9、钻场10、煤层11、上隔水层12、上含水层13、下隔水层14、下含水层15、注浆盲区16、内凹型PDC保直钻头17、插接式螺旋钻杆18、岩层定向钻头19、液动螺杆马达20、硬岩提速工具21、无磁钻具22、液流单向截止短节23、异形钻杆24、测量探管25等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (10)
1.一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，包括：
施工底板组合定向孔，所述底板组合定向孔包括从隔水层进入含水层的造斜孔段以及起始于造斜孔段并在含水层内部延伸的水平孔段；
以预设间隔在造斜孔段侧壁上施工延伸穿过至少一个含水层的射流孔段，所述射流孔段在含水层内与所述水平孔段不相交并覆盖水平孔段盲区；
对所述水平孔段和/或射流孔段进行注浆以将含水层改造成隔水层。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，所述含水层为多层；其中下层底板组合定向孔的造斜孔段从上一层底板组合定向孔的造斜孔段内预留的定向分支点延伸至下层含水层；各造斜孔段侧壁施工的射流孔段延伸至待改造的最深部含水层。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，多个底板组合定向孔在平面内呈束状均匀布置，相邻钻孔水平孔段的平面间距小于注浆有效直径。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，位于最外层的底板组合定向孔的造斜孔段的每个射流分支点处施工多个不同方向的射流孔段；各相邻射流孔段的终孔点在水平面上投影的间距小于注浆有效直径。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，所述的射流孔段与造斜孔段垂直，且沿造斜孔段均匀布置，各相邻射流孔段的终孔点在水平面上投影的间距小于注浆有效直径。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，还包括：从钻场向隔水层施工连接所述底板组合定向孔的套管孔段，所述的套管孔段包括两级套管，其中第一级套管封固孔口复杂破碎地层，注浆固管压力不低于7MPa；第二级及以上套管注浆固管压力大于含水层可能出水压力的3倍以上。
7.权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，所述的套管孔段(2)注水试压方法与合格标准为：各级套管的注水压力与注浆固管压力相同，稳压30min，压力不下降。
8.据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，水平孔段施工过程中，每钻进100m或钻孔出水量大于30m3/h或达到预定深度时，提出孔内多动力异形定向钻具，进行高压注浆，将含水层改造成隔水层，并封堵异常导水通道。
9.据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，通过所述底板组合定向孔对含水层底板进行注浆改造后，施工检查孔对注浆效果进行检验，若检查孔涌水量大于允许值，进行补充注浆，直至检查孔出水量小于允许值为止。
10.据权利要求1所述的一种煤矿井下深埋含水层底板组合定向孔超前注浆改造方法，其特征在于，检查孔优先布置在构造复杂区、含水层相对富水区以及注浆相对薄弱区；所述的构造复杂区是指钻进过程中发生孔内异常的区域；所述的含水层相对富水区是指钻进过程中出水量相对较大的区域，所述的注浆相对薄弱区是指钻孔高压注浆量相对较少的区域。
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