一种矿井工作面顶板含水层的疏放水方法与流程

本发明属于地下防治水，具体涉及一种矿井工作面顶板含水层的疏放水方法。

背景技术：

1、矿井水的来源主要有地表水、地下水、老空水、断层水等，目前常采用超前物探、底板物探、超前探钻探、底板钻探、物探与钻探综合探测等方法对地下水、老空水、断层水进行探测。根据《煤矿防治水规定》，矿井防治水工作应当坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则，采取防、堵、疏、排、截的综合治理措施。

2、当矿井工作面顶板含水层裂隙发育、水量大、水压大时，采取较多的方法是在井下工作面或工作面间的联络巷道施作钻场(窝)，并从井下钻场(窝)至含水层施作钻孔，对地下水进行疏放，此方法对井下巷道依赖性极高，需在井下施作多处钻场(窝)，井下疏放水与巷道掘进、工作面回采及设备检修等存在交叉作业，影响干扰较大，超前性较差，采掘接续紧张，同时，当含水层距离巷道顶板远，选用的钻机设备尺寸较大时，井下钻场(窝)掘进工作量大，且在高瓦斯矿井中容易导致施钻地点局部瓦斯浓度超标，影响矿井安全生产。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种矿井工作面顶板含水层的疏放水方法，以解决现有疏放水方法超前性较差、采掘接续紧张、掘进工作量大等问题，能实现降低安全生产风险，降低掘进工作量。

2、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：

3、一种矿井工作面顶板含水层的疏放水方法，包括以下步骤：

4、步骤1，确定并建设井下定向接收钻场：

5、步骤1.1，井下定向接收钻场布置在井下工作面或工作面间的联络巷道；

6、步骤1.2，结合已查明的地质情况，若地层构造为水平构造，井下定向接收钻场建在划分的采区疏排水区域内；若地层构造为倾斜构造，井下定向接收钻场建在采区巷道与地层倾角交汇处；若地层构造为断层，井下定向接收钻场避免建在断层带内；若地层构造为褶皱，井下定向接收钻场建在背斜翼脚或向斜顶部；

7、步骤2，浇筑井下定向接收钻场迎钻面素混凝土：

8、所述步骤1中，当钻场布置在背斜翼脚、向斜顶部或沿地层走向布置在埋深大处时，钻场应力大，且当疏放的水压、水量大时，加强钻场附近巷道的支护强度，在井下定向接收钻场迎钻面浇筑素混凝土顶板，形成井下定向钻场靶向区，两帮浇筑素混凝土，采用坚固的钢立柱配以钢板支护；

9、步骤3，建设井下定向接收钻场排水系统：

10、步骤3.1，井下定向接收钻场排水系统由排水沟自流至井底主水仓，再由井底水仓加压泵排至地面；或由工作面水仓，通过管道排放至井底主水仓，并由井底水仓加压泵排至地面；

11、步骤3.2，当采用排水沟时，清理巷道，按照排水方向及坡度开挖、浇筑排水沟；当采用管道排水时，管道选钢管，固定于巷道帮部，且间隔加装柔性胶管；

12、步骤4，确定地面始发钻场，布置钻孔；其中，定向钻孔轴线轨迹与控制钻孔轴线空间位置的几何参数包括倾角、方位角、孔深、钻孔垂深、水平位移和水平偏差；钻孔轨迹上任一点空间坐标计算式如下：

13、

14、

15、

16、式中，(xi,yi,zi)为ni点空间坐标；li为ni与ni-1点空间距离，m；β为钻孔轨迹上ni与ni-1点间连线与水平面之间的夹角，α为ni与ni-1点连线方位角；

17、步骤5，主钻孔钻进、下套管由地面至地下含水层；

18、步骤6，钻孔进入含水层，开分支孔：主钻孔至含水层后，开分支孔，分支孔为单水平分支孔，或多水平分支孔；通过调整钻头推力、转速使分支孔终孔孔位高于开孔孔位，实现钻孔向上弯曲，使地下水通过分支孔流向主孔；

19、步骤7，退钻，钻头安装球座，钻头后短节安装胶囊；

20、步骤8，钻孔穿过煤层至井下钻场靶向区，穿透井下钻场混凝土壁：钻孔钻进过程中实时调整角度，确保钻孔终孔孔位进入井下定向钻场靶向区，靶向区为井下定向钻场顶板或帮部；

21、步骤9，回拖井下钻孔孔口管，退钻至基岩；

22、步骤10，固结井下孔口管；

23、步骤11，安装止水阀门：将止水阀可靠固定于井下定向钻场，同时安装压力表；

24、步骤12，钻头与孔口管脱钩，退出钻具。

25、本发明还包括如下技术特征：

26、具体的，所述步骤1中，当钻场布置在工作面间的联络巷道时，相邻工作面的顶板疏放水工作共用一个钻场，减少掘进工作量；

27、井下定向接收钻场尺寸满足通风、运输、钻探要求，当钻场洞口与风、水管路在巷道同侧时，将同段风水管路改为软胶管连接，并以“龙门架”形式跨过钻场洞口。

28、具体的，所述步骤2中，所述素混凝土顶板强度不小于c20。

29、具体的，所述步骤3中，工作面水仓位于巷道低洼处，水仓大小、排水设备配置与疏放水量相适应，排水设备排水能力按下式计算：

30、

31、式中，q为排水设备排水量，m3/t；n为疏水主钻孔个数；k为渗透系数，m/d；h为静止水位至含水层底的距离，m；d为含水层厚度，m；s为水位降深，m；r0为疏水钻孔孔径，m。

32、具体的，所述步骤4中，地面始发钻场因地制宜、合理布局、有利生产，能在空间上缩短钻孔长度；平坦坚实，能承受大型设备行驶；无坑洼、积水，中部高于四周，以利排水且应在钻场周围设置临时围挡；泥浆池、污水池设置警戒围栏，底部和四周做防渗处理；钻孔孔口孔位根据自然环境、钻机类型及钻孔工艺要求综合确定。

33、具体的，所述步骤5中，根据场址所在位置地质情况，疏放水钻孔由地面至地下含水层分二段成孔，一开主钻孔钻进、下套管依次穿越表土层、风化基岩层底，二开主钻孔由风化基岩层底钻进、下套管至地下含水层。

34、具体的，所述步骤6中，按空间几何形态多水平分支孔分为：集束分支水平孔、径向分支水平孔、反向分支水平孔、叠状分支水平孔和羽状分支水平孔。

35、具体的，所述步骤7中，根据钻孔预计涌水量，安装一组或多组胶囊，防止钻孔水量过大，淹没井下钻场。

36、具体的，所述步骤8中，井下一个定向钻场靶向区能接收多个疏水钻孔。

37、具体的，所述步骤9中，当疏水孔水压(pw<1)mpa时，孔口管回托长度l>5m；疏水孔水压(1≤pw<2)mpa时，孔口管回托长度l>10m；疏水孔水压(2≤pw<3)mpa时，孔口管回托长度l>15m；疏水孔水压(pw≥3)mpa时，孔口管回托长度l>20m；回拖的管道采用钢制镂空管，或采用柔性钢丝网骨架塑料镂空管。

38、具体的，所述步骤10中，孔口管安装固定在岩石坚硬完整地段，套管与孔壁间的空间采用注浆固管，浆液为水泥浆，或为树脂浆液混合浆液。

39、具体的，所述步骤11中，止水阀门采用蝶阀或闸阀，为保障止水阀安装可靠，可利用卡箍与锚杆组合。

40、具体的，结合井下定向钻场空间尺寸，同时进行两个疏水钻孔的施工，疏放水完毕，所有钻孔均注浆堵塞，注浆结束压力大于区域静水压力的1.5倍。

41、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

42、(1)本发明采用从地面钻孔，定向钻进穿越含水层至井下定向钻场(窝)，与现有的工作面顶板含水层的疏放水方法机理不同：现有的工作面顶板含水层的疏放水方法多采用在井下工作面或工作面间的联络巷道施作钻场(窝)，并从井下钻场(窝)至含水层施作钻孔，对地下水进行疏放，此方法对井下巷道依赖性极高，需在井下施作多处钻场(窝)，井下疏放水与巷道掘进、工作面回采及设备检修等存在交叉作业，影响干扰较大，超前性较差，采掘接续紧张，同时，当含水层距离巷道顶板远，选用的钻机设备尺寸较大时，井下钻场(窝)掘进工作量大，且在高瓦斯矿井中容易导致施钻地点局部瓦斯浓度超标，影响矿井安全生产。本发明采用从地面钻孔，定向钻进穿越含水层至井下定向钻场(窝)，并在井下定向钻场(窝)安装疏放水控制阀，将地下水有组织排向水仓，再由水仓排至地面。超前性较强，能够缓解采掘关系，保障矿井安全生产。

43、(2)与常规的井下疏放水钻孔相比，本发明应用定向钻孔设计，钻孔有特殊的定向钻进轴线轨迹。根据具体应用情况和已知地质条件，能通过造斜工具改变钻孔轨迹，且造斜强度稳定、可调，能准确、可靠的测量并传输造斜工具的工具面向角、钻孔的倾角和方位角。钻孔钻进中需分析研究并利用地层的自然弯曲规律、钻孔控制理论及人工造斜工具等实时控制钻孔轨迹，钻孔主孔能够精确穿越含水层，终孔孔位钻至井下定向钻场(窝)靶向区，能够对顶板含水层进行定向高效疏放。

44、(3)单水平或多水平分支孔能够使地层水汇聚于疏放水主孔，与传统的疏放水钻孔相比，本发明应用的疏放水钻孔放水效果好、效率高。传统的放水钻孔虽能钻入含水层，但放水钻孔在含水层中的扩展面积和渗水面积有限，放水效率低、效果不好。本发明应用的单水平或多分支水平孔是一种地下水高效、有组织集水技术，能够最大限度地沟通含水层微裂隙和裂缝系统，能够增加钻孔在含水层中的扩展面积和渗水面积，降低含水层裂隙水的流动阻力，能够大幅度提高疏放水效果。同时，孔口止水阀门能够实现主钻孔对的有效控制，实用性强、安全性高。