本发明涉及煤矿水害防治的技术领域，尤其涉及一种基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法。
背景技术：
煤矿水害主要有顶板水害、底板水害和老空水害等，其中从煤矿水害事故水源看，大多数是透老空水造成的，且危害性巨大。
老空水主要贮存在矿井周边的小煤窑，矿井本身的老空区或与老空区相连的煤、岩石巷道内，位置往往较高，水体赋存情况不明，矿井采掘工程与这种水体的空间关系错综复杂。由于历史原因往往缺乏甚至没有可靠的技术资料，水情难以分析判断。这种水体分布集中，水压传递迅速，采掘工作面一旦接近，老空积水便可突然溃出，发生透水事故。这种水体不但存在于地下水资源丰富的矿区，也可能存在于干旱地区的矿区，是煤矿生产过程中普遍存在的一种水害，资源整合、兼并重组后的矿井尤为突出，是煤矿防治水的重点。
采用钻孔对老空水提前进行探放是避免老空水害事故发生的有效途径，当前主要采用常规回转钻进技术施工常规钻孔进行老空水治理，存在施工工程量大、钻孔深度较小、施工过程中钻孔轨迹无法连续测量和实时控制、难以精确探放等问题。
为此，本发明的设计者鉴于上述缺陷，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，针对矿井老空水探放方法存在的不足，研究设计出一种基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法，以克服上述缺陷。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，研究设计出一种基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法，以克服上述缺陷。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法，其能针对矿井老空水严重影响矿井安全，而现有技术方法存在探查精度低、钻孔易堵塞、老空水疏放不彻底等不足进行改良。
为解决上述问题，本发明公开了一种基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：粗探老空区的空间位置；采用物探方法进行老空区的粗探，初步圈定老空区的整体空间范围；
步骤二：确定钻场，并铺设排水管路和设置排水设施；
步骤三：确定束状定向钻孔的具体结构；所述束状定向钻孔包含主孔、垂向分支孔、轴向分支孔和横向分支孔，以主孔为中心，垂向分支孔、轴向分支孔和横向分支孔相对主孔呈束状排列，束状定向钻孔与老空区的交汇点为贯通点；
步骤四：套管孔段施工并安装孔口控压防喷装置；
步骤五：进行束状定向钻孔中主孔、垂向分支孔、轴向分支孔和横向分支孔的具体钻入，以得到老空区的具体高度、长度以及宽度，在钻入过程中安装过滤防堵装置；
步骤六：通过束状定向钻孔对老空区进行控量排水，在束状定向钻孔所有分支孔施工完成后，组装孔口控量放水装置，根据钻场排水能力，控制老空水疏放速度，直至老空水疏放量达到矿井安全开采要求为止。
其中：所述垂向分支孔、轴向分支孔和横向分支孔的倾角均为正值，便于老空水疏放。
其中：在步骤五中，先通过定向钻具进行主孔钻入，然后朝主孔上下方向施工垂向分支孔，查明老空区的高度；沿主孔延伸方向施工轴向分支孔，查明老空区长度；向主孔左右方向施工横向分支孔，查明老空区的宽度。
其中：孔口控压防喷装置由孔口管、法兰管、压力表、第一闸阀、三通、钻杆密封组件、第二闸阀、矿用液体流量计、排水管组成，其中孔口管、法兰管、第一闸阀依次连接至三通的一个出口，所述钻杆密封组件连接至三通相对第一闸阀的出口，所述三通垂直于第一闸阀的出口依次连接有第二闸阀、矿用液体流量计、排水管。所述的压力表安装在法兰管上的测压接口上，所述排水管与钻场排水管路连接。
其中：所述孔口控量放水装置包含依次连接的孔口管、法兰管、压力表、第一闸阀、矿用液体流量计和排水管，所述的压力表安装在法兰管上的测压接口上，所述排水管与钻场排水管路连接。
其中：所述过滤防堵装置至少包含依次连接的过滤管、密封塞和悬挂机构，所述过滤管为中空状，所述密封塞靠近过滤管的一端为较小端，另一端为较大端，所述较大端为逐渐增大的倾斜状，且该较大端内设有中空部以提供弹性密封功能，所述悬挂机构包含悬挂座和至少一个悬挂组件。
其中：所述过滤管的前端设置有圆弧形的导向头以便于整体在孔中的移动和准确的导向，所述过滤管的管体上设置有阵列状排布的梅花形筛孔。
其中：所述悬挂组件包含张簧、弹卡、固定销轴和活动销轴，所述弹卡为两个且均通过前端的固定销轴定位在悬挂座上，所述固定销轴的后方设有可沿悬挂座进行前后滑动的活动销轴，两个弹卡的后部通过常态将弹卡向外弹性顶出的张簧连接至活动销轴。
其中：悬挂机构的后端还依次连接护孔管和转换装置，所述的转换装置的前端为正丝螺纹，后端为反丝螺纹以提供转换连接功能。
其中：所述过滤防堵装置还包含下放组件，所述下放组件包含转换杆、下放杆和下放装置，其中转换杆的一端为正丝螺纹，与下放杆连接，另一端为反丝螺纹，以与过滤防堵装置的转换装置连接；下放杆两端均为正丝螺纹且能多根依次连接，下放装置由液压动力驱动。
通过上述结构可知，本发明的基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法以井下槽波地震和直流电法等物探方法圈定的老空区的大概空间范围为基础，利用束状定向钻孔查明老空区具体空间参数和充水情况，并进行老空水疏放，减少了矿井老空水害致灾风险，具有以下显著优势：①一孔多用，既可对老空区进行精确探查，又可对老空水进行疏放。②探查距离远、范围广、精度高，束状定向钻孔采用随钻测量定向钻进技术施工，可以精确控制钻孔轨迹长距离延伸，并可利用多分支孔确保大面积覆盖，钻孔轨迹测量误差小于5‰。③安全性高，束状定向钻孔施工时采用孔口控压防喷装置确保钻进施工安全，成孔后采用孔口控量放水装置进行放水控制，实现了控压控量放水，确保钻孔施工和放水安全。④疏放效果好，利用轴向分支孔和横向分支孔确保达到老空区最低点，且设置了过滤防堵装置，避免钻孔失效，确保长期稳定疏放和完全疏放。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法的原理示意图。
图2显示了本发明的孔口控压防喷装置。
图3显示了本发明的孔口控量放水装置示意图。
图4显示了本发明的单悬挂机构时过滤防堵装置示意图。
图5显示了本发明的单悬挂机构时过滤防堵装置剖面示意图。
图6显示了本发明的多悬挂机构时过滤防堵装置示意图。
附图标记：
老空区1、束状定向钻孔2、主孔3、垂向分支孔4、轴向分支孔5、横向分支孔6、贯通点7、孔口管8、法兰管9、压力表10、第一闸阀11、三通12、钻杆密封组件13、第二闸阀14、矿用液体流量计15、排水管16、过滤管17、密封塞18、悬挂机构19、护孔管20、转换装置21、张簧22、弹卡23、固定销轴24、活动销轴25、悬挂座26。
具体实施方式
参见图1，显示了本发明的基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法的具体应用环境，老空区1通常位于煤层和岩层等的包围之中，在该实施例中，所述矿井老空水精确探放方法包括以下步骤：
步骤一：粗探老空区1的空间位置；可采用井下槽波地震和直流电法等物探方法进行老空区1的粗探，还可结合矿井开采的资料资料，从而初步圈定老空区1的整体空间范围，还可初步判断老空区1是否充水。
步骤二：确定钻场；在初步圈定老空区1的整体空间范围后，选择距离老空区1较近的位置设置钻场，并铺设排水管路和设置排水设施。
步骤三：确定束状定向钻孔2的具体结构；为对老空区进行精确探放，所述束状定向钻孔2可包含主孔3、垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6，以主孔3为中心，垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6相对主孔3呈束状排列，其中垂向分支孔4沿主孔3所在水平面的上下方布置，轴向分支孔5沿主孔3延伸方向向前布置，横向分支孔6沿主孔3两侧左右布置，从而通过垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6分别对老空区的位置进行精确确定，而在束状定向钻孔2与老空区1的交汇点为贯通点7。优选的是，所述垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6的倾角均为正值，便于老空水疏放；且轴向分支孔5和横向分支孔6均从老空区1底部穿过，确保老空水完全疏放。以钻场和粗探后老空区1的空间位置的中点为直线设置束状定向钻孔2的主孔3，呈束状设置垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6。
步骤四：套管孔段施工并安装孔口控压防喷装置；采用保直钻具进行套管孔段施工，钻进深度20～30m；提钻后下入钢套管至孔底，利用吊挂机构将孔口套管固定居中，并使用钻机顶住套管，然后采用水泥浆注浆固管；侯凝1天后，钻穿水泥塞，对套管进行试压，套管耐压能力应大于预测老空水压力的3倍；最后安装孔口控压防喷装置。
步骤五：进行束状定向钻孔2的具体钻入，以得到老空区的具体高度、长度以及宽度；其中，可先通过定向钻具进行主孔3的钻入，通过主孔3的施工查明老空区1大概存在位置，然后可朝主孔3上下方向施工垂向分支孔4，查明老空区1的高度；沿主孔3延伸方向施工轴向分支孔5，查明老空区1长度；向主孔3左右方向施工横向分支孔6，查明老空区1的宽度。
而老空区1的高度等于最上方与最下方垂向分支孔4贯通点7的上下位移差值；老空区1的长度等于最前方与最后方轴向分支孔5贯通点7的水平位移差值；老空区1的宽度等于最左侧与最右侧横向分支孔6贯通点7的左右位移差值。
而且，在束状定向钻孔2施工时，记录下不同分支孔处的出水量和出水压力大小。出水压力测量方法为，关闭孔口控压防喷装置的第一闸阀11，即可通过压力表10读出出水压力，不同分支孔出水量大小计算方法为分支孔施工后的出水量减去分支孔施工前的出水量。
在钻入过程中安装过滤防堵装置，主孔或每个分支孔施工完成后，若孔内出水，先从钻孔内下入过滤防堵装置，对贯通点7和不稳定孔段进行防护；然后再继续进行下一个分支孔施工。
步骤六：通过束状定向钻孔2对老空区1进行控量排水。在束状定向钻孔2所有分支孔施工完成，过滤防堵装置下放到位后，组装孔口控量放水装置，根据钻场排水能力，控制老空水疏放速度，直至老空水疏放量达到矿井安全开采要求为止。
参见图1所示，所述束状定向钻孔2由主孔3、垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6组成，呈束状排列，其中垂向分支孔4沿主孔3所在水平面的上下方布置，轴向分支孔5沿主孔3延伸方向向前布置，横向分支孔6沿主孔3两侧左右布置。所述的贯通点7是指束状定向钻孔2与老空区1的交汇点。垂向分支孔4、轴向分支孔5和横向分支孔6的倾角均为正值，便于老空水疏放；且轴向分支孔5和横向分支孔6均从老空区1底部穿过，确保老空水完全疏放。
参见图2，显示了本发明中孔口控压防喷装置的其中一个优选实施例，其用于保障束状定向钻孔2安全钻进施工，该孔口控压防喷装置由孔口管8、法兰管9、压力表10、第一闸阀11、三通12、钻杆密封组件13、第二闸阀14、矿用液体流量计15、排水管16组成。其中孔口管8、法兰管9、第一闸阀11依次连接至三通12的一个出口，所述钻杆密封组件13连接至三通12相对第一闸阀11的出口，所述钻杆密封组件13的中间设置有环形通道，钻进时钻杆从中间环形通道穿过；优选的是，所述法兰管9上设置有测压接口，并安装有压力表10；所述三通12垂直于第一闸阀11的出口依次连接有第二闸阀14、矿用液体流量计15、排水管16。由此，当束状定向钻孔2施工时，钻杆密封组件13密闭钻杆后端与孔口控压防喷装置之间的环状间隙，使钻进冲洗介质和老空水只能从排水管16流出；当孔内出水压力太大，或者出水量大于钻场排水能力时，可调整第二闸阀14控制放水量。
参见图3，显示了孔口控量放水装置的其中一个优选实施例，其用于保障束状定向钻孔2后期安全放水，具体而言，该孔口控量放水装置可采用孔口控压防喷装置中的部分构件重新进行组装而成，其可包含依次连接的孔口管8、法兰管9、第一闸阀11、矿用液体流量计15和排水管16，压力表10安装在法兰管9上的测压接口上，当孔内出水量大于钻场排水能力时，可调整第一闸阀11控制放水量；所述的排水管16与钻场排水管路连接。
参见图4、图5，显示了本发明中过滤防堵装置的其中一个优选实施例，所述过滤防堵装置至少包含依次连接的过滤管17、密封塞18和悬挂机构19，悬挂机构19的后端还可依次连接护孔管20和转换装置21，优选的是，各部件可通过依次采用正丝螺纹进行连接。
其中，所述过滤管17为中空状，其前端设置有圆弧形的导向头以便于整体在孔中的移动和准确的导向，所述过滤管17的管体上设置有阵列状排布的梅花形筛孔；所述密封塞18位于过滤管后端，其与过滤管一起形成一个图4所示的y形结构，且密封塞18靠近过滤管17的一端为较小端，另一端为较大端，所述较小端优选为直径相等的圆筒状，较大端可为逐渐增大的倾斜状，且该较大端内设有中空部以提供弹性密封功能，所述悬挂机构19可包含悬挂座26和至少一个悬挂组件，所述悬挂组件可包含张簧22、弹卡23、固定销轴24和活动销轴25，所述弹卡23为两个且均通过前端的固定销轴24定位在悬挂座26上，所述固定销轴24的后方设有可沿悬挂座26上的滑槽进行前后滑动的活动销轴25，所述弹卡23的后部通过常态将弹卡23向外弹性顶出的张簧22连接至活动销轴25，所述悬挂座26设有弹卡23伸出的开槽，从而通过活动销轴25的前后移动实现弹卡23的撑开或关闭；所述的护孔管20可为pvc管；所述的转换装置21的前端为正丝螺纹，后端为反丝螺纹，以提供转换连接功能。
其中，所述过滤防堵装置还可包含下放组件，所述下放组件可包含转换杆、下放杆和下放装置，其中转换杆的一端为正丝螺纹，与下放杆连接，另一端为反丝螺纹，以与过滤防堵装置的转换装置21连接；下放杆两端均为正丝螺纹，多根依次连接，数量由钻孔深度确定；下放装置由液压动力驱动，具有夹持、回转、推进和后退功能。
其中，所述过滤防堵装置下放过程如下:采用转换杆与过滤防堵装置的转换装置21连接，然后采用正丝螺纹依次连接下放杆；在孔口使用下放装置夹紧并向孔内推送下放杆，从而推动过滤防堵装置向孔内移动；过滤防堵装置下放过程中，由于孔壁的刚性约束，密封塞18收缩，悬挂机构19的张簧22被压紧、活动销轴25左移，弹卡23内缩，过滤管17在悬挂机构19的张簧22支撑作用下处于钻孔中央，从而实现正向顺利移动；当过滤管17和密封塞18从贯通点7全部伸出后，停止向孔内推送，并反向回拉一定距离，悬挂机构19的张簧22使弹卡23张开，活动销轴25右移，从而使弹卡23张开并支撑在孔壁上，有效限制过滤防堵装置滑移，从而实现过滤防堵装置的悬挂定位；同时密封塞18大端张开，封堵住束状定向钻孔2与老空区1的贯通点7；最后采用下放装置正向回转下放杆，使转换杆与转换装置21松开分离，将下放杆和转换杆退出钻孔，完成下放作业。
过滤防堵装置下放完成后，过滤管17可以有效过滤老空区1中的碎屑，防止碎屑进入并堵塞过滤防堵装置内部放水通道；护孔管20用于束状定向钻孔2各分支孔不稳定地层孔段支护，避免孔壁坍塌而造成钻孔放水通道堵塞；密封塞18可以有效防止老空区1中的碎屑沿钻孔与过滤防堵装置之间的间隙进入钻孔，堵塞钻孔放水通道。
参见图6，护孔管20长度可根据需要支护孔段的长度确定；当护孔管20太长或钻孔倾角太大，单个悬挂机构19不能满足悬挂固定作用时，可在护孔管20之间加装一个或多个悬挂机构19。
由此可见，本发明的基于井下束状定向钻孔的矿井老空水精确探放方法以井下槽波地震和直流电法等物探方法圈定的老空区的大概空间范围为基础，利用束状定向钻孔查明老空区具体空间参数和充水情况，并进行老空水疏放，减少了矿井老空水害致灾风险，具有以下显著优势：①一孔多用，既可对老空区进行精确探查，又可对老空水进行疏放。②探查距离远、范围广、精度高，束状定向钻孔采用随钻测量定向钻进技术施工，可以精确控制钻孔轨迹长距离延伸，并可利用多分支孔确保大面积覆盖，钻孔轨迹测量误差小于5‰。③安全性高，束状定向钻孔施工时采用孔口控压防喷装置确保钻进施工安全，成孔后采用孔口控量放水装置进行放水控制，实现了控压控量放水，确保钻孔施工和放水安全。④疏放效果好，利用轴向分支孔和横向分支孔确保达到老空区最低点，且设置了过滤防堵装置，避免钻孔失效，确保长期稳定疏放和完全疏放。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。