CN113250613A - 小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，以小煤窑老空水为研究对象，立足于钻探勘查方法，引进近年来发展较快的定向钻进新技术与装备，采用理论分析，并结合工程、试验等技术手段，系统研究老空区突水模式、突水机理，研发小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查技术，建立老空水定向钻探排查理论与技术体系，为提高我国煤矿利用定向钻探技术开展老空水勘查工作提供理论和技术支撑。

Description

小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法

技术领域

本发明涉及矿业工程技术领域。具体地说是小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法。

背景技术

我国拥有丰富的煤炭资源，开采历史悠久，煤炭开采为人民生活的改善、国家经济建设发展做出了卓越的贡献。但由于我国煤矿长期开采技术落后、开采方式粗放，在地下留下了大量的小煤窑采空区。这些小煤窑采空区一般没有留下任何相关的地质采矿测绘资料，即使有其资料也与井下实际不符，开采边界、分布范围、积水空间不清楚，形成隐蔽采空区。隐蔽采空区探测困难，一旦导通将导致的透水水量大、来势猛、具很强的破坏性，且多伴有有害气体的涌出，防治难度极大，给井下生产与建设带来了极大的水患安全。

煤矿水害事故是矿井安全生产的重要隐患，而老空区老窑水害事故占水害事故的绝大多数，近年来，虽然国家投入巨大人力物力，查明了大量老空区，但老空水的威胁依然存在，严重影响了矿井安全生产。而老空区老窑水害事故频发的根本原因在于采空区突水机理不明、探查技术支撑不力，技术发展远不能适应矿井防治水工作的需求。如在老空区突水机理方面，虽然近年来理论分析及经验计算进展显著，但由于老空区比较复杂，认识上深度不够，对老空水对井下工程的危害构成条件缺乏全面分析，对老空区突水机理没有做出深入剖析和系统阐述；在老空区探查技术方面，目前所采用的探查方法主要有钻探、物探两大类手段，勘探手段比较丰富，但优缺点明显，其中，钻探准确度高但也具有费用高、工期场、实施困难等比较显著的缺点，物探成本低、效率高但也具有准确度差缺点，这些常规勘查技术的缺陷限制了勘查技术的应用与发展，导致了勘查效果不佳、费用偏高、工期较长，表现为行动的盲目性、实施的困难性，只治标，难治本，依然给老空水下安全生产带来困难和威胁，需要探寻高效、可靠的先进勘探技术。

因此，开展老空水突水机理、精准高效探查技术的研究具有极为重要的理论意义和实用价值。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，构建了地面定向和井下钻探相结合小煤矿老空区(老硐) 全闭合全面域的探查技术体系。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，包括如下步骤：

(1)利用理论分析，梳理总结老空突水机理，建立老空区突水力学模型，依据采动应力、水应力耦合作用下煤/岩柱弹塑性破坏理论，建立老空区突水的理论判据；

(2)立足于定向钻探新技术的调研，提出井下探查孔采空区排查方法；

(3)依据煤厚建立地面水平钻孔在顺煤层钻进过程中的分支布钻标准；提出地面定向水平分支钻孔方法。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，在步骤(1)中，根据老空区与工作面的空间位置关系，将老空区突水分为顶板老空区突水和邻近老空区突水，依据有效隔水层破坏形式，分别建立顶部老空水突水和邻近老空突水判据。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，顶部老空水突水有效隔水层破坏力学判据，包括抗剪破坏力学判据和抗拉破坏力学判据：

抗剪破坏力学判据：

其中：q₁为上部岩体的自重应力；p为顶部老空区水压；q₂为煤层顶板裂隙带残余强度；h为上、下开采煤层之间有效隔水层厚度；γ为有效隔水层容重； L_x为薄板长度；L_y为薄板宽度；c为薄板粘结力；

为薄板内摩擦角；

抗拉破坏力学判据：

其中：S_t为有效隔水层平均抗拉强度；其他参数同上。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，

邻近老空区煤柱剪切突水判据：

其中：p为相邻老空区水压；λ为围岩侧压系数；m为煤岩柱厚度；c、

分别为煤层或岩层粘结力及内摩擦角；γ为上覆岩层平均容重；H为采深； K为最大集中应力常数；l为有效防水煤柱宽度；

根据煤矿防治水规定，提出了对煤柱的最小宽度要求的突水判据：

其中：l—煤柱留设的宽度；K-安全系数；M-煤层厚度；P-水头压力；K_P- 煤的抗拉强度；给出了顶底板裂隙带前缘不发生突水的判据：

其中：l_t—顶板或底板裂隙发育前缘有效隔水岩柱宽度；p-有效隔水岩柱处水压；T_s—临界突水系数。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，在步骤(2)中，包括如下方法：

井下探查孔钻探探水线方法为：以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线A1-A2线，实现对老空水害平面上的排查。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，在步骤(2)中，包括如下方法：

井下探查孔闭合钻探方法为：以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线A1-A2线；以老空水安全探水线作为地面定向钻孔的顺煤层轨迹线S3，以已掘巷道分别向老空水安全探水线设计井下钻探轨迹线S1、S2，再结合联络巷S4，形成对受护对象的老空水害闭合排查环S1-S2-S3-S4，实现对老空水害平面上的闭合排查。

上述小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，在步骤(3)中，对于厚煤层采空区进行探查时，采用平面应变理论计算求得圆形巷道塑性区边界半径r，以定向钻探在顺煤层钻进过程中分支布钻间距应不大于巷道塑性区的半径r 为标准，确定了在顺厚煤层钻进过程中布钻探查分支数

其中M为煤层厚度；并分别制定了地面定向钻孔垂向分支布钻和井下排查孔垂向布钻工艺，以实现目标层竖直剖面内的闭合排查。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)梳理总结了老空突水机理，建立了相邻老空区突水力学模型，给出了相邻老空区易引发突水的部位，建立了邻近老空区突水的理论判据，结合采空区疑是区域已有地质采矿资料，初步确定老空区突水安全线，为采空区排查定位提供指导依据。

(2)提出了地面定向水平分支钻孔与井下探查孔相结合的采空区排查方法，研究了地面水平钻孔、井下探查孔钻探的设计依据，建立了地面水平钻孔依据煤厚在顺煤层钻进过程中的分支布钻标准，实现了由点到面的高效采空区排查新技术。

(3)利用本申请的技术方案，东庞矿针对西庞井浅部新建风井面临老空区水害威胁，在浅部老空区地质采矿资料缺失、条件不明的情况下，采用定向闭合钻探排查技术，进行了新风井建设区域老空闭合排查的现场应用实践。钻后未发现异常，排除了新风井工程存在小煤矿突水的可能。目前，新风井工程已安全、按期建设竣工，进一步证明了理论分析及钻探新技术的合理性。

利用本申请的技术方案，为东庞矿采空区疑是区域新风井建设带来了显著的经济和社会效益。

经济效益：矿井可减少钻探长度约20600m，节省钻探费用约618万元；解放受老窑水威胁煤炭资源72.5万吨，可新增销售额2.9亿元，新增利润 3625万元。

社会效益：新技术的应用使原本受浅部老窑水威胁的井巷工程得已安全、高效建设，充分改善矿井的接替关系，最大限度地解放老窑水压滞煤炭资源，提高资源回收率，对矿井安全高效生产具有重要的意义。

附图说明

图1a本发明老空区突水概念模型图，a为顶板老空区；

图1b本发明老空区突水概念模型图，b为邻近老空区；

图2本发明采空区闭合排查示意图；

图3本发明的巷道围岩破坏力学模型。

具体实施方式

一、利用理论分析，梳理总结老空突水机理，建立老空区突水力学模型，依据采动应力、水应力耦合作用下煤(岩)柱弹塑性破坏理论，建立老空区突水的理论判据。

(1)根据老空区与工作面的空间位置关系，将老空区突水分为顶板老空区突水和邻近老空区突水。如图1a和图1b所示。

(2)依据有效隔水层破坏形式，分别建立了顶部老空水突水两种有效隔水层破坏力学判据，即抗剪破坏力学判据和抗拉破坏力学判据，分别为

其中：q₁为上部岩体的自重应力；p为顶部老空区水压；q₂为煤层顶板裂隙带残余强度；h为上、下开采煤层之间有效隔水层厚度；γ为有效隔水层容重；L_x为薄板长度；L_y为薄板宽度；c为薄板粘结力；

为薄板内摩擦角；

其中：S_t为有效隔水层平均抗拉强度；其他参数同上。

(3)根据邻近老空突水力学模型，给出了邻近老空区易发突水的位置，利用弹塑性力学理论及莫尔库伦准则，提出了老空区煤柱剪切突水判据：

其中：p为相邻老空区水压；λ为围岩侧压系数；m为煤岩柱厚度；c、

分别为煤层或岩层粘结力及内摩擦角；γ为上覆岩层平均容重；H为采深； K为最大集中应力常数；l为有效防水煤柱宽度；

根据煤矿防治水规定，提出了对煤柱的最小宽度要求的突水判据：

其中：l—煤柱留设的宽度；K-安全系数；M-煤层厚度；P-水头压力； K_P-煤的抗拉强度；给出了顶底板裂隙带前缘不发生突水的判据：

给出了顶底板裂隙带前缘不发生突水的判据：

其中：l_t—顶板或底板裂隙发育前缘有效隔水岩柱宽度；p-有效隔水岩柱处水压；T_s—临界突水系数。

(二)立足于定向钻探新技术的调研，提出地面定向水平分支钻孔与井下探查孔相结合的采空区排查方法，研究地面水平钻孔、井下探查孔钻探的设计依据，依据煤厚建立地面水平钻孔在顺煤层钻进过程中的分支布钻标准。

(1)定向钻探技术地质勘探精度高、速度快，可以实现采空区可靠勘查，节省勘探工期；最主要的是，定向钻探至目标层后能够顺层直线(或曲线)钻进，可实现地面单一钻孔对目标层由点探到线探，再在目标层垂向上开水平分支孔可实现由线探到面探，极大地提高勘探效率，相对采空区地面密集钻探又具有了成本优势，使定向钻探在采空区排查应用中具备可行性。

(2)井下探查孔钻探探水线方法为：以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线A1-A2线，实现对老空水害平面上的排查。

仅采用探水线A1-A2线就可以实现对老空水害平面上的排查。

但是为了提高排查的准确性，进一步提出了老空水害平面上的闭合排查方法：

以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线(A1-A2线)。以老空水安全探水线作为地面定向钻孔的顺煤层轨迹线S3，以已掘巷道分别向老空水安全探水线设计井下钻探轨迹线S1、S2,再结合联络巷S4，形成对受护对象的老空水害闭合排查环(S1-S2-S3-S4)，实现对老空水害平面上的闭合排查。如图2所示。

(3)对于厚煤层采空区进行探查时，采用平面应变理论计算求得圆形巷道塑性区边界半径r，以定向钻探在顺煤层钻进过程中分支布钻间距应不大于巷道塑性区的半径r为标准，确定了在顺厚煤层钻进过程中布钻探查分支数

其中M为煤层厚度；并分别制定了地面定向钻孔垂向分支布钻和井下排查孔垂向布钻工艺，以实现目标层竖直剖面内的闭合排查。如图 3所示。

近年来，随着科技的进步，地面钻井技术也得到了飞速的发展，随钻测量、螺杆钻具等技术的突破，引领了地面钻探技术的革命，使得地面定向钻井成为了可能。目前，部分煤矿矿井已开始引进定向钻井技术进行煤矿地质的勘查工作，取得了一系列成功的经验，但由于煤田地质条件复杂、孔壁稳定性差、轨迹控制难度大、老空识别缺乏依据，地面水平钻井技术在煤矿地质勘查工作中还普遍存在理论与技术脱节，技术发展远不能适应矿井防治水工作的需求。本项目以小煤窑老空水为研究对象，立足于钻探勘查方法，引进近年来发展较快的定向钻进新技术与装备，采用理论分析，并结合工程、试验等技术手段，系统研究老空区突水模式、突水机理，建立采空区综合信息系统，研发小煤窑采空区顺煤层定向闭合钻探排查技术，提出水平钻主动判层、动态调整的轨迹控制工艺，研究钻遇老空(老硐)的综合判识方法，建立老空水定向钻探闭合排查理论与技术体系，为提高我国煤矿利用定向钻探技术开展老空水勘查工作提供理论和技术支撑。

表1同类研究、同类技术综合比较

利用本项目成果，东庞矿针对西庞井浅部新建风井面临老空区水害威胁，在浅部老空区地质采矿资料缺失、条件不明的情况下，采用定向钻探排查技术，进行了新风井建设区域老空闭合排查的现场应用实践。钻后未发现异常，排除了新风井工程存在小煤矿突水的可能。目前，新风井工程已安全、按期建设竣工，进一步证明了理论分析及钻探新技术的合理性。

利用本项目成果，为东庞矿采空区疑是区域新风井建设带来了显著的经济和社会效益。

(1)经济效益：矿井可减少钻探长度约20600m，节省钻探费用约618 万元；解放受老窑水威胁煤炭资源72.5万吨，可新增销售额2.9亿元，新增利润3625万元。

(2)社会效益：新技术的应用使原本受浅部老窑水威胁的井巷工程得已安全、高效建设，充分改善矿井的接替关系，最大限度地解放老窑水压滞煤炭资源，提高资源回收率，对矿井安全高效生产具有重要的意义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (7)

1.小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用理论分析，梳理总结老空突水机理，建立老空区突水力学模型，依据采动应力、水应力耦合作用下煤/岩柱弹塑性破坏理论，建立老空区突水的理论判据；

(2)立足于定向钻探新技术的调研，提出井下探查孔采空区排查方法；

(3)依据煤厚建立地面水平钻孔在顺煤层钻进过程中的分支布钻标准；提出地面定向水平分支钻孔方法。

2.根据权利要求1所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，在步骤(1)中，根据老空区与工作面的空间位置关系，将老空区突水分为顶板老空区突水和邻近老空区突水，依据有效隔水层破坏形式，分别建立顶部老空水突水和邻近老空突水判据。

3.根据权利要求2所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，

顶部老空水突水有效隔水层破坏力学判据，包括抗剪破坏力学判据和抗拉破坏力学判据：

抗剪破坏力学判据：

其中：q₁为上部岩体的自重应力；p为顶部老空区水压；q₂为煤层顶板裂隙带残余强度；h为上、下开采煤层之间有效隔水层厚度；γ为有效隔水层容重；L_x为薄板长度；L_y为薄板宽度；c为薄板粘结力；

为薄板内摩擦角；

抗拉破坏力学判据：

其中：S_t为有效隔水层平均抗拉强度；其他参数同上。

4.根据权利要求3所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，

邻近老空区煤柱剪切突水判据：

其中：p为相邻老空区水压；λ为围岩侧压系数；m为煤岩柱厚度；c、

分别为煤层或岩层粘结力及内摩擦角；γ为上覆岩层平均容重；H为采深；K为最大集中应力常数；l为有效防水煤柱宽度；

根据煤矿防治水规定，提出了对煤柱的最小宽度要求的突水判据：

其中：l—煤柱留设的宽度；K-安全系数；M-煤层厚度；P-水头压力；K_P-煤的抗拉强度；给出了顶底板裂隙带前缘不发生突水的判据：

其中：l_t—顶板或底板裂隙发育前缘有效隔水岩柱宽度；p-有效隔水岩柱处水压；T_s—临界突水系数。

5.根据权利要求1所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，在步骤(2)中，包括如下方法：

井下探查孔钻探探水线方法为：以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线A1-A2线，实现对老空水害平面上的排查。

6.根据权利要求1所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，在步骤(2)中，包括如下方法：

井下探查孔闭合钻探方法为：以井下受护对象为中心，依据区域工程地质、水文地质信息综合分析，结合邻近老空区突水判据，综合确定老空水安全探水线A1-A2线；以老空水安全探水线作为地面定向钻孔的顺煤层轨迹线S3，以已掘巷道分别向老空水安全探水线设计井下钻探轨迹线S1、S2，再结合联络巷S4，形成对受护对象的老空水害闭合排查环S1-S2-S3-S4，实现对老空水害平面上的闭合排查。

7.根据权利要求1所述的小煤窑采空区顺煤层定向钻探排查方法，其特征在于，在步骤(3)中，对于厚煤层采空区进行探查时，采用平面应变理论计算求得圆形巷道塑性区边界半径r，以定向钻探在顺煤层钻进过程中分支布钻间距应不大于巷道塑性区的半径r为标准，确定了在顺厚煤层钻进过程中布钻探查分支数

其中M为煤层厚度；并分别制定了地面定向钻孔垂向分支布钻和井下排查孔垂向布钻工艺，以实现目标层竖直剖面内的闭合排查。

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