CN117027935A - 跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，该方法适用场景包括依次设在巷道一侧的采空区一、采空区二和采空区三，所述巷道与采空区二和采空区三之间开设定向钻孔机构，定向钻孔机构穿过位于采空区底部的煤层底板连通到采空区二和采空区三；所述定向钻孔包括有定向钻孔一和定向钻孔二，定向钻孔一连通到采空区二，定向钻孔二连通到采空区三，定向钻孔一内安装有套管结构。本发明采用定向钻孔，定向钻孔通过穿入穿出煤层底板，实现钻孔跨越临近采空区，增加探放老空区范围及钻孔长度，对煤矿井下传统钻探方式无法疏放的其余采空区积水进行超前疏放，本发明可在煤矿领域推广使用，解决目前老空水对煤矿生产的威胁。

Description

跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法

技术领域

本发明涉及煤矿老空水害防治技术领域，具体涉及跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法。

背景技术

矿井水害一直是制约我国煤炭安全生产的重要因素之一，据统计60％矿井事故与地下水作用有关，我国煤矿重特大事故中，煤矿水害事故占据较高的比例。各种形式的水涌入矿井，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且还威胁着大量煤炭资源无法正常开采。

矿井开采范围内和周边的老空(即采空区)是主要的水患，透水事故主要就源于老空积水。探放水是防止透水事故的有效措施，煤矿必须做好探放水工作。

目前防治老空水的主要手段是采用常规回转钻机对老空水进行超前探放，消除老空水对煤矿生产的威胁，但目前的常规手段只能探放巷道煤柱一侧的临近采空区，如图1所示的采空区一2，采空区一2位于巷道煤柱临近一侧，超前探放处理较为方便，但是如果水患严重，其余采空区积水无法及时进行疏放，因此便会出现安全隐患，而且目前无法跨越临近采空区进行探放水，如图1所示的采空区二3以及采空区三4。并且常规钻探方法钻孔施工长度短，钻探轨迹易偏离设计参数，难以精确施工到设计的目标层位。

为此，本发明的设计者鉴于上述缺陷，综合井下现场施工试验，针对传统井下老空水探放方法存在的不足，研究设计出一种跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放装置及疏放方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前无法跨越临近采空区，对其余采空区积水进行疏放的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放装置的疏放方法，包括如下步骤：

S1、通过公式计算相邻采空区水力联系临界值l；

S2、按照钻场所需条件布置钻场，然后施工沉渣池；

S3、如果煤柱厚度＜步骤S1中计算得到的相邻采空区水力联系临界值l，判定采空区二和采空区三老空水相互水力连通，仅进行定向钻孔一施工；如果煤柱厚度＞步骤S1中计算得到的相邻采空区水力联系临界值l，判定煤柱将采空区二和采空区三中的老空水完全阻隔，两采空区相互无水力连通，需增加定向钻孔二施工，即分别施工定向钻孔一和定向钻孔二；

S4、定向钻孔一施工后，向定向钻孔一中下止水套管并通过水泥进行固孔候凝，封固试压，直至试压合格；

S5、钻孔施工完毕后，测量钻孔出水量，若水量减少，则进行下钻透孔处理。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S1中相邻采空区水力联系临界值l的公式如下：

式中：a为工作面的转换半径；μ为泊松比；E为煤的抗剪强度；P为水压，计算得到相邻采空区水力联系临界值l，计算结果作为步骤S3中钻孔施工的依据。

作为本发明进一步的方案：所述定向钻孔一与定向钻孔二的轨迹均为U型轨迹。

作为本发明进一步的方案：所述定向钻孔一的施工方法为：

A1、首先取大孔径钻头，并将将钻机钻头的开孔倾角取-10°；

A2、当钻进至10m-20m深时，孔中下止水套管，套管长度8-10m,套管上分别安装法兰盘、压力表、高压闸阀；

A3、止水套管外壁使用聚氨酯孔壁固定、并用水泥封注；

A4、待钻杆钻孔进入采空区二预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10°。

作为本发明进一步的方案：所述定向钻孔二的施工方法为：

B1、首先取大孔径钻头，并将将钻机钻头的开孔倾角取-10°；

B2、当钻进至10-20m深时，孔中下止水套管，套管长度8-10m,套管上分别安装法兰盘、压力表、高压闸阀；

B3、止水套管外壁使用聚氨酯孔壁固定、并用水泥封注；

B4、待钻杆钻孔进入采空区二预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10；

B5、钻机给进压力突然下降或者突然变为0时，判断进入采空区三，此时停止钻进。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中止水套管封固试压的操作方法为：

S41、固孔候凝48小时后，采用泥浆泵向孔内注水憋压，并保持压力在2.5MPa，持续时间在30min；

S42、然后观察孔壁及孔口管附近是否存在水渗漏现象；

S43、如若不漏或30min内压力下降≤0.5MPa，则说明固孔合格；如若出现渗漏或压力下降＞0.5MPa，则需要继续注浆固孔，直至试压合格。

作为本发明进一步的方案：该方法适用场景包括依次设在巷道一侧的采空区一、采空区二和采空区三，所述巷道与采空区二和采空区三之间开设定向钻孔机构，定向钻孔机构穿过位于采空区底部的煤层底板连通到采空区二和采空区三；

所述定向钻孔包括有定向钻孔一和定向钻孔二，定向钻孔一连通到采空区二，定向钻孔二连通到采空区三，定向钻孔一和定向钻孔二内均安装有套管结构。

作为本发明进一步的方案：所述定向钻孔一与定向钻孔二连通，且定向钻孔二连通到定向钻孔一的末端，定向钻孔二内也设有套管结构。

作为本发明进一步的方案：所述定向钻孔二设在定向钻孔一的下方，二者并列设置。

作为本发明进一步的方案：所述套管结构包括有安装在定向钻孔一和定向钻孔二内的止水套管，其中止水套管上安装有法兰盘、压力表和高压闸阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明采用定向钻孔，定向钻孔通过穿入穿出煤层底板，实现钻孔跨越临近采空区，增加探放老空区范围及钻孔长度，对煤矿井下传统钻探方式无法疏放的其余采空区积水进行超前疏放，本发明可在煤矿领域推广使用，解决目前老空水对煤矿生产的威胁；

二、本发明通过公式计算得临界连通煤柱厚度l，计算结果作为钻孔施工的设计依据，如果煤柱厚度＜相邻采空区水力联系临界值l，判定采空区二和采空区三老空水相互水力连通，仅进行定向钻孔一施工；如果煤柱厚度＞相邻采空区水力联系临界值l，判定采空区二和采空区三中的老空水相互无水力连通性，煤柱将相邻采空区积水完全阻隔，需增加定向钻孔二施工，分别疏放采空区积水二和采空区积水三；采用上述方法可提高跨越临近采空区钻孔的精准性和安全性；通过理论公式计算避免钻孔设计的无目的性；

三、本发明通过在定向钻孔内安装止水套管，并对其进行固孔候凝，确保其稳定性，然后再采用泥浆泵向孔内注水憋压的方式，检测孔壁和孔口的渗漏现象，如若出现渗漏或压力下降＞0.5MPa，则需要继续注浆固孔，直至试压合格，采用上述操作可确保止水套管安装稳定和安全，防止其出现渗漏影响后续工作；

四、本发明钻孔第二段工程钻孔钻进，钻孔目标层位为煤层底板砂岩，钻孔轨迹距煤层底板法距10-20m，砂岩质地柔软，钻孔处理中，可使得钻孔轨迹不易偏移，钻进速度快、效率较其他层位高，较其他层位不易发生卡钻事故；钻孔距离煤层底板法距太近易在钻孔施工过程中误透煤层，钻孔距煤层底板法距太远易远离煤层，距煤层法距太近或太远最终均无法准确进入目标采空区，因此目标层位控制距煤层底板10到20m为宜。

附图说明

图1为本发明实施例未施工前的场景图；

图2为本发明实施例定向钻施工场景示意图；

图3为本发明实施例跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放装置操作流程图；

图4为本发明实施例套管结构示意图；

附图标记说明：1、巷道；2、采空区一；3、采空区二；4、采空区三；5、煤柱；6、定向钻孔一；7、定向钻孔二；8、煤层底板；9、法兰盘；10、压力表；11、高压闸阀；12、止水套管。

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。

实施例一

参照图1和图2，跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，该方法适用场景包括依次设在巷道1一侧的采空区一2、采空区二3和采空区三4，采空区二3和巷道1之间开设定向钻孔一6进行疏水，采空区三4和巷道1之间开设定向钻孔二7进行疏水，定向钻孔二7设在定向钻孔一6的下方，二者并列设置，定向钻孔一6内安装有止水套管12。

需要注意的是，止水套管12上安装有法兰盘9、压力表10和高压闸阀11，压力表10用来测试套管内的水压，高压闸阀11用来控制套管水的流速。

跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放装置具体的操作原理如下：

步骤一、计算相邻采空区水力联系临界值，相邻采空区水力联系临界值使用下列公式推导：

式中：a为工作面的转换半径；μ为泊松比；E为煤的抗剪强度；P为水压，计算得到相邻采空区水力联系临界值l，计算结果作为步骤三中钻孔施工的依据。

本实施例中，a取工作面的转换半径(该实施例中的煤矿工作面长度取2000m，巷道高度取5m，巷道岩壁面积计算a值为60m)；μ取0.3；煤的抗剪强度E取0.3MPa；水压P按照本实施例煤矿现场测得的最大水压P为0.7MPa，计算得到l＝12.75m。

步骤二、布置钻场和施工沉渣池：

其中钻场空间需满足以下条件：1、钻机纵向方向上需有12m以上空间，便于上卸钻杆；2、钻机横向方向上需有6m以上空间，便于钻孔作业；钻场布置长度12m、宽度6m、高度与巷道高度一致。

定向钻进要求钻场底板水平，考虑钻探用水需求，供水能力按12m³/h配置，配备660/1140V和127V两路电源，总功率≥110kW，电缆线规格型号满足总功率要求。

施工沉渣池：要求沉淀池尺寸2m(长)×2m(宽)×1m(深)，接通排水系统，安设排水泵，排水泵能力不低于预计排水量的1.5倍。

步骤三、定向钻第一段结构施工：

如果煤柱厚度(采空区二3和采空区三4之间的实际煤柱厚度)＜步骤一中计算得到的相邻采空区水力联系临界值l(该实施例在步骤1中计算结果为12.75m)，判定采空区二3和采空区三4的老空水相互连通，仅需进行定向钻孔一的第一段结构施工；如果煤柱厚度＞相邻采空区水力联系临界值l(该实施例在步骤1中计算结果为12.75m)，判定采空区二和采空区三中的老空水相互无水力连通性，两采空区的水被煤柱阻隔，需增加进行定向钻孔二的第一段结构施工，即分别施工定向钻孔一6和定向钻孔二7的第一段结构。需要注意的是，定向钻孔一6和定向钻孔二7的施工方法一致。

具体的定向钻孔的第一段结构施工方法为：

首先通过大孔径钻头(钻头孔径Φ193mm)，将钻机钻杆的开孔倾角取-10°，当钻进至10m-20m深时，孔中下止水套管12，套管长度8-10m,套管上分别安装法兰盘9、压力表10、高压闸阀11；止水套管12外壁使用聚氨酯孔壁固定、并用水泥封注。

步骤四、止水套管安装且封固试压：

止水套管12固孔候凝48小时后，采用泥浆泵向孔内注水憋压的方式，保持压力在2.5MPa，持续时间在30min，观察孔壁及孔口管附近是否存在渗漏现象，如若不漏或30min内压力下降≤0.5MPa，则说明固孔合格；如若出现渗漏或压力下降＞0.5MPa，则需要继续注浆固孔，直至试压合格。

步骤五、定向钻第二段结构钻进

具体的定向钻孔的第一段结构施工方法为：

第二段结构首先通过小孔径钻头(钻孔第二段结构钻头孔径Φ98mm)，将钻机钻杆的开孔倾角继续取-10°，并通过钻杆钻入煤层底板相应为止后，钻杆调节至水平，钻孔角度从倾斜逐渐转为水平；当钻进至10-20m深时，钻杆钻孔进入采空区三4预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10°；钻机给进压力突然下降或者突然变为0时，判断进入采空区三4，此时停止钻进，若采空区二3和采空区三4富含水，则孔口返水量增加，记录钻孔放水量。

需要注意的是，第二段结构钻孔钻进，钻孔目标层位为煤层底板8下岩层，优选底板砂岩，钻孔轨迹距煤层底板法距10-20m，优选10m，具体原因如下：砂岩质地柔软，钻孔处理中，可使得钻孔轨迹不易偏移，钻进速度快、效率较其他层位高，较其他层位不易发生卡钻事故；而钻孔距离煤层底板8法距太近易在钻孔施工过程中误透煤层，钻孔距煤层底板法距太远易远离煤层，距煤层法距太近或太远最终均无法准确进入目标采空区，因此目标层位控制距煤层底板10到20m为宜，优选10m。

定向钻孔一6和定向钻孔二7的轨迹均设定为U型轨迹(如图2所示)，采用定向钻进U型轨迹，定向钻孔通过穿入、穿出煤层底板，实现钻孔跨越临近采空区，增加探放老空区范围及钻孔长度，对煤矿井下传统钻探方式无法疏放的其余采空区积水进行超前疏放。

需要注意的是，钻孔设计分二段孔身结构，第一段结构钻孔孔径必须大于第二段结构钻孔的孔径，否则第一段结构下入套管后第二段结构由于孔径变小钻头无法进入孔内，该实施例中钻孔第一段结构钻头孔径Φ193mm，钻进深度10m后下入止水套管12，主要目的为封固孔口地层，安装孔口装置。第二段结构为裸孔定向孔段，钻孔第二段结构钻头孔径Φ98mm，第二段结构通过随钻测量仪器监控并调整钻孔轨迹使其沿设计轨迹钻进。第一段与第二段结构钻孔组合轨迹为U型轨迹，钻孔轨迹见图2中。

步骤六、透孔：

钻孔施工完毕后，由于采空区放水钻孔容易被采空区淤泥、碎石堵塞，造成起钻后钻孔出水量逐渐减少的情况，若起钻过程中发现水量减小，须重新下钻透孔；起出钻杆后首先测量钻孔出水量，随后关闭高压闸阀11观测水压。若放水过程中水量再次减少，需继续下钻透孔。

实施例二

其他同上，区别在于：定向钻孔一6与定向钻孔二7连通，且定向钻孔二7连通到定向钻孔一6的末端，定向钻孔二7为定向钻孔一6的分支，定向钻孔二7内同样也设有止水套管12结构。

在开挖定向钻孔二7的时候，需要在定向钻孔一6的基础上继续使用钻杆钻孔开挖，直至钻杆钻孔进入采空区三4预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10°；钻机给进压力突然下降或者突然变为0时，判断进入采空区三4，此时停止钻进。

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.跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放装置的疏放方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过公式计算相邻采空区水力联系临界值l；

S2、按照钻场所需条件布置钻场，然后施工沉渣池；

S3、如果煤柱厚度＜步骤S1中计算得到的相邻采空区水力联系临界值l，判定采空区二和采空区三老空水相互水力连通，仅进行定向钻孔一施工；如果煤柱厚度＞步骤S1中计算得到的相邻采空区水力联系临界值l，判定煤柱将采空区二和采空区三中的老空水完全阻隔，两采空区相互无水力连通，需增加定向钻孔二施工，即分别施工定向钻孔一和定向钻孔二；

S4、定向钻孔一施工后，向定向钻孔一中下止水套管并通过水泥进行固孔候凝，封固试压，直至试压合格；

S5、钻孔施工完毕后，测量钻孔出水量，若水量减少，则进行下钻透孔处理。

2.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述步骤S1中相邻采空区水力联系临界值l的公式如下：

式中：a为工作面的转换半径；μ为泊松比；E为煤的抗剪强度；P为水压，计算得到相邻采空区水力联系临界值l，计算结果作为步骤S3中钻孔施工的依据。

3.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述定向钻孔一与定向钻孔二的轨迹均为U型轨迹。

4.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述定向钻孔一的施工方法为：

A1、首先取大孔径钻头，并将将钻机钻头的开孔倾角取-10°；

A2、当钻进至10m-20m深时，孔中下止水套管，套管长度8-10m,套管上分别安装法兰盘、压力表、高压闸阀；

A3、止水套管外壁使用聚氨酯孔壁固定、并用水泥封注；

A4、待钻杆钻孔进入采空区二预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10°；

A5、钻机给进压力突然下降或者突然变为0时，判断进入采空区二，此时停止钻进。

5.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述定向钻孔二的施工方法为：

B1、首先取大孔径钻头，并将将钻机钻头的开孔倾角取-10°；

B2、当钻进至10-20m深时，孔中下止水套管，套管长度8-10m,套管上分别安装法兰盘、压力表、高压闸阀；

B3、止水套管外壁使用聚氨酯孔壁固定、并用水泥封注；

B4、待钻杆钻孔进入采空区二预计底板位置后，钻杆调节至倾斜，钻孔角度从水平逐渐向顶部转向，钻孔终孔倾角取+10；

B5、钻机给进压力突然下降或者突然变为0时，判断进入采空区三，此时停止钻进。

6.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述步骤S4中止水套管封固试压的操作方法为：

S41、固孔候凝48小时后，采用泥浆泵向孔内注水憋压，并保持压力在2.5MPa，持续时间在30min；

S42、然后观察孔壁及孔口管附近是否存在水渗漏现象；

S43、如若不漏或30min内压力下降≤0.5MPa，则说明固孔合格；如若出现渗漏或压力下降＞0.5MPa，则需要继续注浆固孔，直至试压合格。

7.根据权利要求1所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：该方法适用场景包括依次设在巷道一侧的采空区一、采空区二和采空区三，所述巷道与采空区二和采空区三之间开设定向钻孔机构，定向钻孔机构穿过位于采空区底部的煤层底板连通到采空区二和采空区三；

所述定向钻孔包括有定向钻孔一和定向钻孔二，定向钻孔一连通到采空区二，定向钻孔二连通到采空区三，定向钻孔一和定向钻孔二内均安装有套管结构。

8.根据权利要求7所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述定向钻孔一与定向钻孔二连通，且定向钻孔二连通到定向钻孔一的末端，定向钻孔二内也设有套管结构。

9.根据权利要求7所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述定向钻孔二设在定向钻孔一的下方，二者并列设置。

10.根据权利要求7所述的跨越临近采空区的煤矿老空水害疏放方法，其特征在于：所述套管结构包括有安装在定向钻孔一和定向钻孔二内的止水套管，其中止水套管上安装有法兰盘、压力表和高压闸阀。