CN115059105A - 煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法 - Google Patents

煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；实现了在煤矿开采过程中顶板砂岩定向钻孔、切削楔形缝、高压压裂注浆和截水帷幕实时在线监测同时进行，实现了顶板砂岩水合理分区管控，采区顶板砂岩水截水帷幕构成了大区域的顶板砂岩隔水边界，解决了现有技术中顶板砂岩层截水帷幕构筑困难的技术问题；无线微型监测仪器可实时监测截水帷幕的应力、变形、温度和孔隙水压力，并对外无线传送和接收，解决现有技术中顶板砂岩层无法实现实时监测功能的技术问题。

Description

煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法
技术领域
本发明属于煤矿地下水控制和水资源保护的技术领域，涉及帷幕保水，具体是一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法。
背景技术
矿山的地下矿床水文地质条件复杂，涌水量大，用疏干方法难以达到降压排水安全开采的目的。顶板砂岩水是中、深部煤炭和非煤矿山开采的主要水源，富水性强，导致矿井疏排水量巨大、水资源浪费和生态环境的破坏。尤其是西部矿区的洛河组砂岩分布面积广、厚度大、地下水丰富、水质良好，煤矿开采过程中洛河组砂岩水经采动裂隙进入矿井，水质受到污染、增加矿井排水量、影响矿井安全生产。
煤矿开拓过程中，通过立井或斜井形式的主井、副井和风井、井底车场和运输大巷等进行运输和通风，为了有计划、按顺序、安全、合理地开采井田内的煤层，一般将井田划分为若干个采区，采区再划分为若干个工作面。煤矿工作面巷道掘进完成后，工作面回采前通过在巷道内施工顶板疏放钻孔疏降顶板砂岩水，将顶板砂岩水头疏降至安全水头，保障工作面安全回采。大量的疏降水通过钻孔疏放至巷道排水沟，经潜水泵泵送至排水管道排至地表，疏降和排放过程中造成顶板洁净的砂岩水资源浪费和污染。煤矿工作面回采后，煤层顶板垮落，导水裂隙带发育至顶板砂岩含水层，大量的顶板砂岩水通过导水裂隙渗漏至煤矿采空区，洁净的顶板砂岩水在采空区与遗煤、破碎岩石混合后污染，造成顶板水资源破坏、水位下降，采空区渗漏的水资源污染，煤矿区地下水资源与水环境发生改变。
现有技术中，钻孔注浆帷幕通过地面直钻孔、地面定向水平孔或井下水平孔在灰岩层中施工线状注浆通道，通过注浆泵将浆液注入钻孔，然后浆液沿钻孔揭露的裂隙或溶隙扩散，封堵灰岩层过水通道。目前，现有钻孔注浆截水帷幕仅在灰岩层成功应用，在孔隙小、岩体完整的顶板砂岩中扩散范围极小，无法形成截水帷幕，而且不具备实时监测功能，满足不了顶板砂岩水截水帷幕构筑要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，解决现有技术中顶板砂岩层截水帷幕构筑困难以及无法实现实时监测功能的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；
步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；
步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；
步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，在满足应力要求时水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；
步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中的每一段压裂注浆段中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散形成竖向的截水墙体；
步骤6，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤7，重复步骤3～6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统；
步骤8，通过步骤3至步骤5的工序在采区顶板砂岩水截水帷幕内部构筑n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕，所述的n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为n个工作面；
所述的工作面顶板砂岩水截水帷幕的两端与采区顶板砂岩水截水帷幕相连；
步骤9，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤10，顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统和n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统；
所述的顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统实时监控采区顶板砂岩水截水帷幕和工作面顶板砂岩水截水帷幕的运行情况，发现异常情况及时预警，并根据监测数据采区相应的处理措施；
步骤11，对n个工作面进行回采，当回采至第m工作面时，回采过程中的顶板砂岩水渗漏至采空区，经巷道汇流后由潜水泵抽排并转移至第m工作面的井下储水单元；采区内的n个工作面全部回采完成时，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区隔离成n-1个完全独立的顶板砂岩储水单元；
所述的第m工作面的井下储水单元为已回采的第m-1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；
其中：1≤m≤n。
本发明还包括以下技术特征：
所述的应力要求包括裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ，所述的在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ分别通过公式1和公式2得到：
Figure BDA0003621196620000041
Figure BDA0003621196620000042
式中：
KⅠ—在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子；
KⅡ—在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子；
β—楔形槽方向与最大主应力σ1的夹角；
L—楔形槽高度；
R—钻孔半径；
σ1—地应力场的最大值；
σ3—地应力场的最小值；
P—钻孔内高压水或浆液压力。
所述的羽状裂缝的长度通过公式3确定：
Figure BDA0003621196620000051
其中：
X表示羽状裂缝发育长度；
V表示浆液注入量；
h表示羽状裂缝高度；
S表示压裂段长度；
v表示裂缝单位面积的漏失量；
W表示羽状裂缝平均缝宽。
所述的无线微型监测仪器为球形结构，包括依次设置的热能转换端、无线传输端、无线接收端、应力计、温度计、位移计和水压计。
所述的无线微型监测仪器间的距离在50～200m。
所述的钻进和注浆的分别采用前进式钻进和压裂注浆工艺，每段钻进或者压裂注浆段长度为30～100m。
所述的采区顶板砂岩水截水帷幕位于采动影响区以外10～40m内。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明的方法实现了在煤矿开采过程中顶板砂岩定向钻孔、切削楔形缝、高压压裂注浆和截水帷幕实时在线监测同时进行，节省了工序和作业时间，实现了顶板砂岩水合理分区管控，采区顶板砂岩水截水帷幕构成了大区域的顶板砂岩隔水边界，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为若干独立的储水单元，实现工作面间顶板水的有序转移储存，避免了顶板砂岩水疏降后排放至地表的水资源浪费，解决了现有技术中顶板砂岩层截水帷幕构筑困难的技术问题；此外，无线微型监测仪器可将地层热量吸收转化为微电能，实现自供电。无线微型监测仪器可实时监测截水帷幕的应力、变形、温度和孔隙水压力，并通过无线传输端对外无线传送和接收。在顶板砂岩水截水帷幕构筑、正常使用、后期废弃等全生命周期全过程监测，形成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报系统，为煤矿井下安全生产和地下水资源保护与利用提供科学支撑，解决现有技术中顶板砂岩层无法实现实时监测功能的技术问题。
(Ⅱ)顶板砂岩的定向钻孔切割上楔形缝和下楔形缝，为竖向截水帷幕压裂裂缝发育和浆液扩散限制了方向，延伸了帷幕注浆的范围，实现了竖向连续发育和扩散，控制了水平向扩散范围，减少了帷幕注浆量；高压大流量压裂注浆一体泵实现了浆液的大流量灌注和瞬时高压压裂，将以往的压裂、注浆两道工序合二为一，减少了工序。
(Ⅲ)本发明解决了煤矿顶板砂岩层中注浆浆液扩散范围小、帷幕性能不清、无法构筑有效的截水帷幕的问题，实现了顶板砂岩水截水帷幕之间的连续性，构成有机整体的截水帷幕，提高截水帷幕连续性和防渗性能，实现工作面、采区和全矿井的截水帷幕实时在线监测预警和矿井水“零排放”。
附图说明
图1为煤矿顶板砂岩水随采随注截水帷幕布置示意图；
图2为煤矿顶板砂岩水随采随注截水帷幕剖面图；
图3为煤矿顶板砂岩水随采随注随监截水帷幕施工过程示意图；
图4为煤矿顶板砂岩水随采随注随监-截水帷幕施工剖面示意图；
图5为无线监测仪器示意图；
图6为工作面储水单元转移储存示意图；
图7为煤矿顶板砂岩水随采随注随监截水帷幕平面示意图；
图8为煤矿顶板砂岩水疏降示意图；
图9为煤炭开采导致顶板砂岩水资源漏失。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明给出了一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，该方法包括以下步骤：
一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；
步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；
步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；
步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，在满足应力要求时水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；
如图3和图4所示，在已施工的定向钻孔内下入楔形槽切削装置，在顶板砂岩定向钻孔上、下分别切削出楔形槽，在水平钻孔顶、底形成连续的高度L的楔形槽后，取出出楔形槽切削装置。
步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散形成竖向的截水墙体；
在高压大流量压裂注浆一体泵作用下，截水帷幕注浆浆液沿水平钻孔上行楔形槽、下行楔形槽压裂，在压裂液驱动下形成连续的羽状裂缝，浆液沿羽状裂缝扩展、渗透、固结，最终在顶板砂岩层形成连续的截水帷幕墙体。高压大流量压裂注浆一体泵可实现大流量、高压力长时间运行，一边压裂地层一边将大量的帷幕注浆材料注入地层中形成连续的截水帷幕墙体。高压大流量压裂注浆一体泵的注浆流量可达600m3/h，注浆压力可达100MPa。
步骤6，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤7，重复步骤3～6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统；
步骤8，通过步骤3至步骤5的工序在采区顶板砂岩水截水帷幕内部构筑n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕，n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为n个工作面；
工作面顶板砂岩水截水帷幕的两端与采区顶板砂岩水截水帷幕相连；
步骤9，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤10，顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统和n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统；
顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统实时监控采区顶板砂岩水截水帷幕和工作面顶板砂岩水截水帷幕的运行情况，发现异常情况及时预警，并根据监测数据采区相应的处理措施；
步骤11，对n个工作面进行回采，当回采至第m工作面时，回采过程中的顶板砂岩水渗漏至采空区，经巷道汇流后由潜水泵抽排并转移至第m工作面的井下储水单元；采区内的n个工作面全部回采完成时，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区隔离成n-1个完全独立的顶板砂岩储水单元；
第m工作面的井下储水单元为已回采的第m-1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；
其中：1≤m≤n；
上述技术方案中，参见图1和图2，正在开采的第m工作面为回采工作面，准备开采的第m+1工作面为接续工作面，已开采结束的第m-1工作面为已回采工作面，顶板砂岩水通过仰斜钻孔疏放至采空区或者沿着采动裂隙渗入采空区，同时受工作面截水帷幕的阻隔作用，其他工作面顶板砂岩水无法渗流进入第1工作面采空区；
如图6和图7所示，上述技术方案中，实现了在煤矿开采过程中顶板砂岩定向钻孔、切削楔形缝、高压压裂注浆和截水帷幕实时在线监测同时进行，节省了工序和作业时间，实现了顶板砂岩水合理分区管控，采区顶板砂岩水截水帷幕构成了大区域的顶板砂岩隔水边界，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为若干独立的储水单元，实现工作面间顶板水的有序转移储存，避免了顶板砂岩水疏降后排放至地表的水资源浪费，解决了现有技术中顶板砂岩层截水帷幕构筑困难的技术问题；此外，无线微型监测仪器可将地层热量吸收转化为微电能，实现自供电。无线微型监测仪器可实时监测截水帷幕的应力、变形、温度和孔隙水压力，并通过无线传输端对外无线传送和接收。在顶板砂岩水截水帷幕构筑、正常使用、后期废弃等全生命周期全过程监测，形成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报系统，为煤矿井下安全生产和地下水资源保护与利用提供科学支撑，解决现有技术中顶板砂岩层无法实现实时监测功能的技术问题。
具体的，应力要求包括裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ，在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ分别通过公式1和公式2得到：
Figure BDA0003621196620000111
Figure BDA0003621196620000112
式中：
KⅠ—在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子；
KⅡ—在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子；
β—楔形槽方向与最大主应力σ1的夹角；
L—楔形槽高度；
R—钻孔半径；
σ1—地应力场的最大值；
σ3—地应力场的最小值；
P—钻孔内高压水或浆液压力。
由公式1和2可知，地层最大主应力σ1和最小主应力σ3受地层和构造条件限制，无法改变；截水帷幕要求竖向构筑，所以楔形槽方向与最大主应力σ1的夹角β为定值；钻孔半径R设定为固定值时，在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ受楔形槽高度L和钻孔内高压水或浆液压力P控制。楔形槽切削装置在钻孔上、下端分别切削高度为L的楔形槽，在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ增大，利于压裂过程中顶板砂岩羽状裂缝发育、扩展。
具体的，羽状裂缝的长度通过公式3确定：
Figure BDA0003621196620000121
其中：
X表示羽状裂缝裂缝发育长度；
V表示浆液注入量；
h表示羽状裂缝高度；
S表示压裂段长度；
v表示裂缝单位面积的漏失量；
W表示羽状裂缝平均缝宽。
在上述技术方案中，在致密、完整的顶板砂岩地层中，通过分段压裂可对顶板砂岩进行大幅度改造、形成大量的羽状裂缝，为浆液填充形成截水帷幕墙体创造条件。如公式3所示，羽状裂缝扩散的距离长度X与浆液注入量V成正比，而与压裂段长成反比。当其他参数一定时，压裂注浆段长越大，羽状裂缝扩散的距离长度X越小。
具体的，无线微型监测仪器为球形结构，包括依次设置的热能转换端、无线传输端、无线接收端、应力计、温度计、位移计和水压计，参考图5。
具体的，无线微型监测仪器间的距离在50～200m，监测点水平间距过大将影响无线信号传输、无法准确监测截水帷幕运行情况，监测点水平间距过小会产生不必要的浪费、监测仪器数量增多、信号传输成本增大，每个监测点布置1个无线微型监测仪器，实际应用过程中无线微型监测仪器间的距离可优选100m；
具体的，钻进和注浆的分别采用前进式钻进和压裂注浆工艺，每段钻进或者压裂注浆段长度为30～100m,在顶板砂岩地层中优选压裂注浆段长为80m。
具体的，采区顶板砂岩水截水帷幕位于采动影响区以外10～40m内。
在上述技术方案中，将顶板砂岩水截水帷幕布置在采动影响区外侧可避免采动影响对截水帷幕的破裂、失效；截水帷幕的厚度跟地层条件、力学性质和水压力有关，为安全起见，优选帷幕厚度为30m。
实施例1：
本实施例给出了某煤矿采用目前常用的钻孔疏放水疏降顶板砂岩水的案例。该煤矿在开拓过程中，通过立井或斜井形式的主井、副井和风井、井底车场和运输大巷等进行运输和通风，煤层埋深500～600m，煤层厚度3～5m，将井田划分为6个采区，采区的长度为3000m，宽度2000m，每个采区再划分为10个工作面，每个工作面的长度为2000m，宽度300m。该矿顶板砂岩厚度200m，顶板砂岩水水头高度426m，孔隙率34％，平均孔喉直径为5um。如图8所示，煤矿工作面巷道掘进完成后，工作面回采前通过在巷道内施工顶板疏放钻孔疏降顶板砂岩水，将顶板砂岩水头疏降至安全水头，保障工作面安全回采。
顶板砂岩水疏放量为10000m3/d，大量的疏降水通过钻孔疏放至巷道排水沟，经潜水泵泵送至排水管道排至地表，疏降和排放过程中造成顶板洁净的砂岩水资源浪费和污染。
如图9所示，煤矿工作面回采后，煤层顶板垮落，导水裂隙带发育至顶板砂岩含水层，每天约16000m3顶板砂岩水通过导水裂隙渗漏至煤矿采空区，同时周围的顶板砂岩水源源不断补给渗漏区，洁净的顶板砂岩水在采空区与遗煤、破碎岩石混合后污染，造成顶板水资源破坏、水位下降，采空区渗漏的水资源污染，煤矿区地下水资源与水环境发生改变。
该矿每天至少有26000m3顶板砂岩水疏降或渗漏进入井下，在井下混合污染后经排水系统排放至地表，随着已回采工作面的增多，顶板砂岩水的渗漏量将进一步增大，大量的水资源污染和浪费，井下排水费用巨大，煤矿负担严重。
实施例2：
本实施例给出了在实施例1的采区内构筑采区顶板砂岩截水帷幕。
步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；可知顶板砂岩水渗漏量大于26000m3/d
步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外的10m外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；，如图1和2所示，在煤矿采区采动影响范围以外10～40m范围内构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；帷幕厚度为30m，
步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；孔径133mm，每段水平孔施工长度为80m，
步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的80m的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，进而在水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L＝5cm的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；
步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散，竖向扩散距离为80m，即羽状裂缝发育长度X为80m，横向扩散厚度为30m，形成厚度30m的竖向的截水帷幕墙体；
步骤6，在定向水平钻孔内每隔100m安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤7，重复步骤3～6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统。
在上述技术方案中，采区内的工作面在开采过程中需将顶板砂岩水疏降至安全水头，疏降过程中采区顶板砂岩水与相邻采区之间的水力联系被顶板砂岩水截水帷幕阻断，采区顶板外侧的砂岩水无法渗流补给，而采区范围内的顶板砂岩水会不断渗漏至回采工作面疏降钻孔或导水裂缝带，然后通过井下排水泵排放至地表。根据该矿的水文地质条件粗略计算采区范围内疏排水量Q＝3000m×2000m×200m×0.34＝4.08×108m3。在工作面回采和煤矿服务周期内，顶板砂岩水水头高度维持在425m左右，而采区顶板砂岩水截水帷幕内外侧的水头差达到420m，顶板砂岩水截水帷幕时刻受外侧高水压作用，截水帷幕的应力、位移和孔隙水压力产生变化，存在溃坝的危险。
实施例3：
本实施例给出了在实施例2的采区顶板砂岩截水帷幕的基础上增加了工作面截水帷幕。
步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；可知顶板砂岩水渗漏量大于26000m3/d
步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外的10m外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；如图1和2所示，在煤矿采区采动影响范围以外10～40m范围内构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；帷幕厚度为30m，
步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；孔径133mm，每段水平孔施工长度为80m；
步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的80m的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，进而在水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L＝5cm的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；
步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散，竖向扩散距离为80m，即羽状裂缝发育长度X为80m，横向扩散厚度为30m，形成厚度30m的竖向的截水帷幕墙体；
步骤6，在定向水平钻孔内每隔100m安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤7，重复步骤3～6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统。
步骤8，通过步骤3至步骤5的工序在采区顶板砂岩水截水帷幕内部构筑n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕，n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为n个工作面；
工作面顶板砂岩水截水帷幕的两端与采区顶板砂岩水截水帷幕相连；
步骤9，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤10，顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统和n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统；
顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统实时监控采区顶板砂岩水截水帷幕和工作面顶板砂岩水截水帷幕的运行情况，发现异常情况及时预警，并根据监测数据采区相应的处理措施；
步骤11，对n个工作面进行回采，当回采至第m工作面时，回采过程中的顶板砂岩水渗漏至采空区，经巷道汇流后由潜水泵抽排并转移至第m工作面的井下储水单元；采区内的n个工作面全部回采完成时，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区隔离成n-1个完全独立的顶板砂岩储水单元；
第m工作面的井下储水单元为已回采的第m-1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；
其中：1≤m≤n。
根据该矿的水文地质条件粗略计算第1个工作面范围内顶板砂岩水疏排水量q＝2000m×300m×200m×0.34＝4.08×107m3，当m取2时，第1工作面的井下储水单元为已回采的第1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；储存量q＝2000m×300m×200m×0.34＝4.08×107m3。
综合上述三个实施例，可以得到本发明的方法中通过顶板砂岩水截水帷幕构成了大区域的顶板砂岩隔水边界，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为若干独立的储水单元，实现工作面间顶板水的有序转移储存，避免了顶板砂岩水疏降后排放至地表的水资源浪费；实现了顶板砂岩水截水帷幕之间的连续性，构成有机整体的截水帷幕，提高截水帷幕连续性和防渗性能，实现工作面、采区和全矿井的截水帷幕实时在线监测预警和矿井水“零排放”，因此，采用本发明构建的截水帷幕的防渗效果较好，无线微型监测仪器也能很好的监测和预警矿井水“零排放”。

Claims (7)

1.一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；
步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；
步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；
步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，在满足应力要求时水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；
步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中的每一段压裂注浆段中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散形成竖向的截水墙体；
步骤6，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤7，重复步骤3～6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统；
步骤8，通过步骤3至步骤5的工序在采区顶板砂岩水截水帷幕内部构筑n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕，所述的n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为n个工作面；
所述的工作面顶板砂岩水截水帷幕的两端与采区顶板砂岩水截水帷幕相连；
步骤9，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；
步骤10，顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统和n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统；
所述的顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统实时监控采区顶板砂岩水截水帷幕和工作面顶板砂岩水截水帷幕的运行情况，发现异常情况及时预警，并根据监测数据采区相应的处理措施；
步骤11，对n个工作面进行回采，当回采至第m工作面时，回采过程中的顶板砂岩水渗漏至采空区，经巷道汇流后由潜水泵抽排并转移至第m工作面的井下储水单元；采区内的n个工作面全部回采完成时，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区隔离成n-1个完全独立的顶板砂岩储水单元；
所述的第m工作面的井下储水单元为已回采的第m-1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；
其中：1≤m≤n。
2.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的应力要求包括裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ，所述的在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子KⅡ分别通过公式1和公式2得到：
Figure FDA0003621196610000031
Figure FDA0003621196610000032
式中：
KⅠ—在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子；
KⅡ—在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子；
β—楔形槽方向与最大主应力σ1的夹角；
L—楔形槽高度；
R—钻孔半径；
σ1—地应力场的最大值；
σ3—地应力场的最小值；
P—钻孔内高压水或浆液压力。
3.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的羽状裂缝的长度通过公式3确定：
Figure FDA0003621196610000033
其中：
X表示羽状裂缝发育长度；
V表示浆液注入量；
h表示羽状裂缝高度；
S表示压裂段长度；
v表示裂缝单位面积的漏失量；
W表示羽状裂缝平均缝宽。
4.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的无线微型监测仪器为球形结构，包括依次设置的热能转换端、无线传输端、无线接收端、应力计、温度计、位移计和水压计。
5.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的无线微型监测仪器间的距离在50～200m。
6.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的钻进和注浆的分别采用前进式钻进和压裂注浆工艺，每段钻进或者压裂注浆段长度为30～100m。
7.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的采区顶板砂岩水截水帷幕位于采动影响区以外10～40m内。
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