CN112814737A - 基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法及系统，岩溶陷落柱位置确定后，预先选定岩溶陷落柱裂隙区，在岩溶充水水源与待回采煤层之间采用叠层多分支水平井精准建造足够范围和足够厚度的止水塞，阻断高压岩溶水与回采煤层的联系，消除突水威胁。超前治理岩溶陷落柱，是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试，为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿防治水技术领域，具体来说是基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法及系统。
背景技术
岩溶陷落柱是我国华北石炭-二叠系煤田广泛发育不明地质异常体；不完全统计，华北煤田发现的岩溶陷落柱超10000个，其中山西约占85％、太行山东麓的河北和河南占12％。其它省份合计约占3％；岩溶陷落柱属于隐伏垂向构造，具有突水的隐蔽性、突发性。因此岩溶陷落柱是煤矿重大水害威胁，一旦突水将造成矿井灾难性后果。陷落柱的治理，一直是煤矿水害防治工作的重点与难点。目前陷落柱治理多发生在矿井突水事故后进行，如河北开滦集团范各庄矿、冀中能源的东庞矿，神华集团的骆驼山矿(内蒙古)，江苏徐州矿务集团的张集矿，皖北煤电集团有限公司任楼煤矿、淮北矿业集团的桃园矿、某矿业集团的潘二矿等。通行的做法是利用地面垂直钻孔或者垂向大倾角定向斜孔(便于骨料重力投送)，快速投注大量骨料，再分孔分段灌(注)入双液浆或单液水泥浆，先“截流”，后“堵源”。例如南生辉等针对河北东庞矿特大陷落柱突水淹井，采用了快速截流恢复生产和注浆封堵根治水患两个阶段的治理方案；郑士田等通过实例论述了特大型垂向导水通道——陷落柱中建立人工止水塞的技术与途径,并通过地面定向钻孔技术在安徽某潘二矿实现了“截流+堵源”；邵红旗等针对内蒙古骆驼山矿突水淹井，采用地面定向钻孔灌注双液浆快速建造阻水墙封堵突水巷道；赵苏启等论述了不同条件下陷落柱突水淹井采用巷道截流、止水塞、“三段式”、直接封堵、返流注浆、引流注浆等治理技术。
现有技术方法作为抢险救援方案，尽快封堵突水、尽快恢复矿井生产，取得很好的效果。但是应急处置往往造成骨料和浆液投注量巨大，即便是骨料也扩散很远，甚至造成主要大巷被充填，后期矿井恢复处置工程费时费力。如果岩溶陷落柱基底发育进入奥灰深部或者寒武灰岩，空间大、很难实现“堵源”。
如申请号为CN201510103932.3公开的一种分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法，该方法在勘探、排水的基础上，首先把陷落柱划分成：顶板加固区、截割区和底板加固区；再根据陷落柱形状、大小、位置和相应区域的加固厚度合理布置钻孔，并在各区域分别注入相应材料配比的浆液，注浆提高了陷落柱内部岩石的胶结性，从而使不同区域的陷落柱岩石达到所需的力学性能和承载能力；然后在工作面接近陷落柱时降低采高来减缓顶板活动的剧烈程度，降低对陷落柱的超前支承压力，使综采工作面可直接通过陷落柱。该方法与现有的注浆加固陷落柱使综采工作面直过陷落柱的方法相比大大地减少了工作量、材料浪费和费用，提高了生产效率和安全性。但是该方法采用井下钻孔，存在上述的种种风险。对于陷落柱已知的情况下，不适用此方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种施工难度小、治理效果好的陷落柱超前治理方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，包括以下步骤：
步骤1.地质勘探，确定疑似陷落柱的位置；
步骤2.确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
步骤3.根据步骤2的各项数据，确定陷落柱的平面治理范围；
步骤4.根据步骤3确定的治理范围，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
步骤5.钻孔，具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
步骤6.注浆，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
本发明若岩溶陷落柱位置已知，预先选定岩溶陷落柱裂隙区，在岩溶充水水源与待回采煤层之间采用叠层多分支水平井精准建造足够范围和足够厚度的止水塞，阻断高压岩溶水与回采煤层的联系，消除突水威胁。超前治理岩溶陷落柱，是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试，为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
本发明创新的采用主井钻至设计深度后再间隔布置多条水平井，上下层的水平井纵横交错，形成平面网状结构，且覆盖整个陷落柱的平面治理范围，注浆后形成设定后的止水塞，达到对陷落柱的超前治理目的；此方法施工难度小，超前治理降低开采风险，针适用于不同规模的陷落柱，止水效果极佳。
进一步的，所述步骤1中，通过三维地震探查初步确定疑似陷落柱的位置。
进一步的，所述步骤2中，通过地面钻探验证、地质资料研究确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述。
进一步的，所述步骤3中，陷落柱的平面治理范围具体确定原则为：
以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围。
进一步的，所述步骤5中，所述主井包括竖直段和水平段；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。
进一步的，不同所述主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进。
本发明还提供一种基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，包括：
地质勘探模块，确定疑似陷落柱的位置；
陷落柱确定模块，确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
平面治理范围确定模块，根据陷落柱确定模块的各项数据，确定陷落柱的平面治理范围；
钻孔设计模块，根据平面治理范围确定模块确定的治理范围，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
钻孔模块，钻孔方法具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
注浆模块，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
进一步的，所述陷落柱的平面治理范围具体确定原则为：
以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围。
进一步的，所述主井包括竖直段和水平段；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。
进一步的，不同所述主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进。
本发明的优点在于：
本发明若岩溶陷落柱位置已知，预先选定岩溶陷落柱裂隙区，在岩溶充水水源与待回采煤层之间采用叠层多分支水平井精准建造足够范围和足够厚度的止水塞，阻断高压岩溶水与回采煤层的联系，消除突水威胁。超前治理岩溶陷落柱，是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试，为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
本发明创新的采用大体为L型的主井，主井的水平段沿平面治理范围的外延(切线)方向钻进，然后沿水平段间隔布置多条水平井，上下层的水平井纵横交错，形成平面网状结构，且覆盖整个陷落柱的平面治理范围，注浆后形成设定后的止水塞，达到对陷落柱的超前治理目的；此方法施工难度小，超前治理降低开采风险，针适用于不同规模的陷落柱，止水效果极佳。
附图说明
图1为本发明实施例中某矿陷落柱在十字地震剖面上的反映；
图2为本发明实施例中某矿陷落柱在方差属性切片上的反映；
图3为本发明实施例中某矿陷落柱探查钻孔布置图；
图4为本发明实施例中某矿勘探工程量统计表；
图5为本发明实施例中某矿太原组灰岩柱状示意图；
图6为本发明实施例中某矿钻孔平面轨迹设计图；
图7为本发明实施例中某矿钻孔剖面轨迹设计图；
图8为本发明实施例中某矿N8-4孔注浆压力历时曲线图；
图9为本发明实施例中某矿N8-2孔注浆压力历时曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例针对煤层开采前，对确定存在的陷落柱提供一种超前治理方法，该治理方法基于叠层多分支水平井形成止水塞，具体方法如下：
步骤1.地质勘探，在开采前，采用三维地震探查技术，确定开采范围内是否存在疑似陷落柱，若存在疑似陷落柱，则执行步骤2；
步骤2.采用陷落柱地面钻探验证，确定陷落柱的存在，然后综合三维地震勘探数据、地面勘探验证数据、综合资料对比研究，进一步确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
步骤3.根据步骤2的各项数据，以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围，平面治理范围大致呈不规则圆形；
步骤4.根据步骤3确定的治理范围，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
步骤5.钻孔，具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
本实施例中，主井包括竖直段和水平段，大致呈L形；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。不同主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进，使水平井纵横交错，叠加形成网状结构。
步骤6.注浆，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
本发明若岩溶陷落柱位置已知，预先选定岩溶陷落柱裂隙区，在岩溶充水水源与待回采煤层之间采用叠层多分支水平井精准建造足够范围和足够厚度的止水塞，阻断高压岩溶水与回采煤层的联系，消除突水威胁。超前治理岩溶陷落柱，是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试，为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
本发明创新的采用大体为L型的主井，主井的水平段沿平面治理范围的外延(切线)方向钻进，然后沿水平段间隔布置多条水平井，上下层的水平井纵横交错，形成平面网状结构，且覆盖整个陷落柱的平面治理范围，注浆后形成设定后的止水塞，达到对陷落柱的超前治理目的；此方法施工难度小，超前治理降低开采风险，针适用于不同规模的陷落柱，止水效果极佳。
本实施例还对应的提供一种基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，包括：
地质勘探模块，在开采前，采用三维地震探查技术，确定开采范围内是否存在疑似陷落柱，若存在疑似陷落柱；
陷落柱确定模块，采用陷落柱地面钻探验证，确定陷落柱的存在，然后综合三维地震勘探数据、地面勘探验证数据、综合资料对比研究，进一步确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
平面治理范围确定模块，以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围，平面治理范围大致呈不规则圆形；
钻孔设计模块，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
钻孔模块，钻孔方法具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
本实施例中，主井包括竖直段和水平段，大致呈L形；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。不同主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进，使水平井纵横交错，叠加形成网状结构。
注浆模块，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
8、根据权利要求7所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，所述陷落柱的平面治理范围具体确定原则为：
以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围。
9、根据权利要求7所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，所述主井包括竖直段和水平段；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。
10、根据权利要求9所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，不同所述主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进。
下面以某矿为例对上述方法进行详细说明：
1陷落柱水文地质条件
1.1地质构造特征
某煤田东西长100km，南北宽35km，是华北型煤田最南端的整装煤田。煤田内有延展超100km的推覆体造山带，有延展30～60km、由西向东倾伏的多个(向)背斜构造，有斜切多井田、延展近8km的地堑式断裂构造带，有基底发育在寒武灰岩的多个岩溶陷落柱(其中最大椭圆长轴超1km)，有呈岩柱和岩床产出的岩浆岩构造等；南部老矿区基岩直露区发育构造型式更为多样，主要有“330°”构造线、“X型”断裂带(组)、羽状平行断裂带(组)等。
该煤田含煤地层为石炭～二叠系，为连续沉积地层。其中石炭系太原组厚度110～125m、含薄煤线7～9层、不可采；二叠系煤系厚度近1000m，含煤32～40层，主采煤系地层厚度290～340m、含煤厚度29.5～32.6m[9]。煤系地层的底部为奥陶系灰岩地层，奥灰厚度数十m～530m，与石炭系角度不整合；其中的志留、泥盆、下石炭沉缺；煤系地层的顶部为古近系、新近系松散沉积地层，厚度0～500m。
1.2某矿2#陷落柱特征
1.2.1陷落柱的三维地震探查
三维地震解释陷落柱形态是一项新的技术手段。某矿2#陷落柱是三维地震勘探成果进行二次精细解释发现的，陷落柱在三维地震曲线的剖面上同相轴出现明显的错断、下拉，平面上呈现近圆形的特征，在地震属性切片上也可以看到近圆形的异常分布。图1为2#疑似陷落柱(圈住位置)在十字地震剖面上的反映，图2为疑似陷落柱在方差体属性切片上的反映。
1.2.2陷落柱地面钻探验证
在陷落柱中心和四周区域，布置7个地面垂直勘探钻孔、陷落柱探查钻孔布置图见图3；自基岩面上100m开始取芯至终孔，基岩段简易水文观测；7个钻孔(六T-1～六T-7)终孔层位有6个进入寒武灰岩、1个进入奥灰；完成钻探进尺5754.18m，常规测井5722.75m，声波测井2475.85m，钻孔简易测温7次；抽水试验27次，其中4煤下骆驼钵砂岩3次、1煤顶板砂岩3次、C3I组灰岩7次、太灰组地层7次、太灰+奥灰地层混合7次；岩样测试112组、水质分析27个、同位素分析7个、微量元素分析9个；进行了灰岩与煤系地层、灰岩与灰岩之间拟流场测漏12次,勘探工程量统计表见图4，太原组灰岩柱状示意图见图5。
1.2.3陷落柱的水文地质特征
通过三维地震发现、地面勘探验证、综合资料对比研究(现有资料结合经验)，进一步控制了陷落柱平面形态,剖面形态；查清了其顶界位置及导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行了定量评述。
陷落柱平面形态近似椭圆型，长轴走向为NE向；其裂隙带在1煤底板上长轴95m，短轴74m，面积5215m2(较三维地震圈定范围变小)；垂向空间形态为“上小下大”的椎体。
陷落柱中心(六T-1)孔，在4煤底板的骆驼钵砂岩中，钻探冲洗液全漏，漏水量大于15m3/h，为陷落柱导水裂隙区顶界；在此后二叠系及太原组灰岩钻进过程中，冲洗液一直全漏，但取芯及测井岩层层位对比正常；进入太原组C312灰岩后，钻孔垮孔、憋钻及掉钻，捞取岩粉中含新生界地层中的松散黄沙，判定C312灰岩为陷落柱腔体顶界；探查了陷落柱基底、发育在寒武系灰岩中。
陷落柱裂隙区六T-1太原群C3Ⅰ组中抽水试验，单位涌水量最大为6.03L/s.m，富水性及导水性极强。
2叠层多分支水平井设计
2.1陷落柱平面治理范围
以待开采的1煤(又称A组煤)陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向(95m×74m)分别外扩100m，形成320m×290m陷落柱平面治理范围，治理面积74666m2；治理范围面积是1煤导水裂隙带范围的14.3倍；见图6。
2.2陷落柱钻孔平面轨迹设计
布置两口地面钻井N8孔、N9孔，分别通过多分支水平井对陷落柱治理范围进行全面覆盖。其中N8孔设计8个分支井，N9孔设计8个分支井，同一层位相邻水平井间距不大于40m，N8、N9孔的水平段平面上呈60°以上大角度斜交，确保水平孔在陷落柱治理范围均匀展布和对构造的交叉控制；钻孔平面轨迹设计见图6。
2.3陷落柱钻孔剖面轨迹设计
N8、N9孔水平段剖面轨迹设计分别沿太原群C3Ⅱ组9灰层位、C3Ⅰ组3灰层位设计；垂向距离1煤底板层间距分别为81.8m、53.3m。钻孔剖面轨迹设计见图7。
3止水塞精准建造技术
3.1止水塞造孔轨迹精准控制技术
3.1.1钻孔结构、钻具组合
采用三开钻孔结构，一开φ311mm孔径，下入φ244.5×8.94mmJ55石油套管，水泥固井封闭新生界地层；二开φ216mm孔径，导斜至目的层、井斜与地层近似平行，下入φ177.8×8.05mmJ55石油套管、水泥固井；三开水平段φ152mm、裸孔至目的层终孔位置。
一开φ311mm钻头+φ203mm加重钻铤+φ89mm钻杆；二开采用φ197mm的1.5°螺杆；三开采用φ120mm的1.5°螺杆。
3.1.2定向造孔施工轨迹控制
一开钻孔轨迹采用数字测井技术测量，测点间距20m。二开及三开定向导斜钻进轨迹采用MWD正脉冲定向仪器(含伽玛探管)进行随钻测量,测点间距10m。定向造孔曲率半径不小于200m,狗腿度不大于10°/30m。导斜定向钻进后采用复合钻进重新扫(滑)孔，利于轨迹顺滑。采用伽玛探管实时监测地层伽玛数值，结合岩屑录井，确保实测轨迹不超过设计轨迹2m。
3.2止水塞注浆工艺
3.2.1一般原则
注浆前进行压水试验，计算含水层吸水率；遵循先稀后稠原则；采用前进式注浆方式、地面孔口止浆；复注间歇时间不小于12h。
3.2.2注浆材料
材料选用32.5矿渣硅酸盐水泥，原则上选用单液水泥浆，特殊漏失层段添加粉煤灰；浆液密度1.2～1.5g/cm3。
3.2.3注浆结束标准
终压不小于奥陶系灰岩含水层静水压力的1.5倍，并持续30min以上。
3.2.4陷落柱导水裂隙区注浆工艺
裂隙区裂隙特别发育，钻进中冲洗液全漏失，起注压力为零；原则是首先采用大泵量(50m3/h以上)、大密度(不小于1.5)浆液来进行高强度连续充填注浆，封堵裂隙区大的空间、同时控制浆液扩散距离；待孔口注浆压力升高到3～5MPa以上，改用小泵量(10～15m3/h)、较小密度(1.2～1.4)来连续进行压(劈)裂注浆，扩大浆液扩散半径、充填微小裂隙，直至达到注浆标准。
3.2.5几种特殊情况处理
a.浆液短路问题
分支水平井的水平段很长，最长超1200m，要确保浆液在水平段能够输送到末端，避免前端非注浆段大量进浆，造成末(后)端没有浆液注入的“空白带”。总的原则是钻进时随漏随注，封堵漏浆通道，有利于浆液在水平段远距离输送，“堵后路、开前路”。
b.特殊层段
断层、破碎带、三维地震异常区、广域电磁低阻区等特殊层段等，作为区域治理注浆重点层段对待。技术原则是把这些层段单独作为一个注浆段,缩短水平井段长，提高注浆针对性。再根据注浆过程中动态分析、不断调整注浆工艺参数。
3.3止水塞注浆质量检验
a.钻探过程中简易水文检验
后续水平井钻探造孔施工，可以对前期已经完成水平井注浆质量检验。如N8-5井在裂隙区水平段造孔时冲洗液全漏失，最大漏失量65m3/h。后期的N8-3孔钻探到同样裂隙区时，冲洗液不但不漏失，还发生相应地层涌水0.5m3/h现象，证明裂隙区前序孔注浆效果。
b.注浆过程动态变化检验
后续分支孔起注压力高、升压快、注浆量大幅减少，验证了前序孔的注浆效果。如表2中后续N8-2、N8-3分支孔相对前序N8-4、N8-5、N8-6分支孔，起始注浆压力明显升高，吸水率、单位吸浆量明显降低。其中后期N8-2孔水平段吸浆量仅为N8-5孔的15％。参见表1。
表1钻孔注浆参数统计表
依据起注压力、注浆量、注浆时间等注浆动态过程分析，检验注浆效果，也同样验证了前序孔的注浆效果；如N8-4孔在裂隙区注浆，前10天压力为零，第11天～第13天压力1～2Mpa,第14～25天压力又降为零，随后间歇注浆才缓慢回升并有反复，一个孔注浆近2.5个月，见图7；同样位于裂隙区后期施工的N8-2孔，起始压力6Mpa，8～9天注浆就合格，时间大大宿短，见图9。
c.浆液扩散半径检验
浆液扩散半径是分支孔间距设计的关键参数，在实际注浆过程中可用多种方法进行检验。一是在陷落柱裂隙区的水平井钻探和注浆采用间隔施工，间隔1个水平井、水平间距80m情况下，能够随时从回返的钻探冲洗液，明显见到前序孔水泥注浆中一些成分，进一步捞取的岩屑见到小的水泥块,证明水泥浆有效扩散半径已达80m以上。二是在陷落柱治理的同一个采区内，同时施工的1号、2号井场，正在进行A组煤地面区域治理，注浆目的层也是C3Ⅱ组9灰层位；1号井场N2-7在9灰段注浆，浆液从2号井场的N4-10孔9灰水平井定向(孔深1052m)孔口跑浆，浆液有效扩散距离169m以上。
上述实例实现的效果为：
1)陷落柱注浆治理范围是1煤导水裂隙带范围的14.3倍，设计浆液扩散半径20m，实际浆液有效扩散在陷落柱裂隙区80m以上；在同一采区的地面区域治理中浆液有效扩散169m以上；远远大于设计要求，构建的止水塞注浆平面覆盖范围远超设计。
2)N8孔多分支水平井位于C3Ⅱ组9灰层位、距离1煤底板层间距为81.8m；1煤底板埋深约615m、其底板充水含水层奥陶系高压含水层的静止水位小于6.15Mp(实际测量)；N8孔多分支水平井建造的1煤底板隔水层岩柱厚度超过81.8m；按照《煤矿防治水细则》中关于“突水系数不大于0.1MPa/m”的技术要求，止水塞建造的隔水岩层厚度远大于奥灰高压含水层防水煤岩厚度的要求.
3)沿C3Ⅱ组9灰层位、C3Ⅰ组3灰层位，采用MWD无线随钻测斜仪和螺杆钻具，实现了多分支水平井造孔轨迹精准控制；通过钻探验证、注浆过程验证、浆液扩散半径验证等多种方法对注浆质量进行了检验，确保止水塞的注浆质量。
4)采用叠层多分支水平井，立体地精准建造止水塞对陷落柱进行超前治理，是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试，为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.地质勘探，确定疑似陷落柱的位置；
步骤2.确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
步骤3.根据步骤2的各项数据，确定陷落柱的平面治理范围；
步骤4.根据步骤3确定的治理范围，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
步骤5.钻孔，具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
步骤6.注浆，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
2.根据权利要求1所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，所述步骤1中，通过三维地震探查初步确定疑似陷落柱的位置。
3.根据权利要求2所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，所述步骤2中，通过地面钻探验证、地质资料研究确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述。
4.根据权利要求1所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，所述步骤3中，陷落柱的平面治理范围具体确定原则为：
以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围。
5.根据权利要求1所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，所述步骤5中，所述主井包括竖直段和水平段；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。
6.根据权利要求5所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理方法，其特征在于，不同所述主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进。
7.基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，包括：
地质勘探模块，确定疑似陷落柱的位置；
陷落柱确定模块，确定陷落柱的平面形态、剖面形态、顶界位置、导水裂隙带发育高度，并对其导水性进行定量评述；
平面治理范围确定模块，根据陷落柱确定模块的各项数据，确定陷落柱的平面治理范围；
钻孔设计模块，根据平面治理范围确定模块确定的治理范围，确定地面钻孔数量、位置、深度及剖面轨迹设计；
钻孔模块，钻孔方法具体为：
首先地面钻孔至设计深度，记为主井，然后在主井底部水平钻设计数量的水平井，多个水平井基本位于同一高度，并覆盖陷落柱的平面治理范围；相邻两个主井的井底高度不同，使得相邻两层的水平井高度不同，且相邻两层的水平井钻进方向不同，多层水平井叠层形成覆盖陷落柱平面治理范围的平面网状结构；
注浆模块，依据设计注浆原则，向多个主井内注浆，使每层水平井内浆液扩散至设定半径，凝固后形成设定厚度的止水塞。
8.根据权利要求7所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，所述陷落柱的平面治理范围具体确定原则为：
以待开采煤层的陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界，沿其长轴、短轴方向分别外扩设定距离，形成以陷落柱为中心的平面治理范围。
9.根据权利要求7所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，所述主井包括竖直段和水平段；所述水平段大致沿陷落柱的平面治理范围切线方向钻进；所述水平井自主井的水平段向陷落柱的平面治理范围内部钻进。
10.根据权利要求9所述的基于叠层多分支水平井的陷落柱超前治理系统，其特征在于，不同所述主井的水平段沿陷落柱平面治理范围的不同位置切线钻进。
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