礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔及其施工方法與流程

本發明屬于煤礦水害范疇，涉及一種礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔及其施工方法。

背景技術：

隨著我國煤炭產量的不斷增加，煤礦開采深度和開采厚度不斷增大，綜合機械化設備和大采厚采煤方法的應用均對煤層覆巖造成了比之以往更大的擾動，覆巖在變形破壞過程中會產生離層，離層空間形成后可接受上覆含水層的持續性充水補給，隨著工作面推進，覆巖結構發生調整，離層發育條件變化，離層水有可能突破下位相對隔水巖層短時間內大量潰入采掘空間形成離層水害，離層水害瞬時水量極大且突水征兆不明顯，會對工作面安全生產造成重大危害，甚至造成淹井等災難性事故。

西北地區煤炭資源豐富，地質構造相對簡單，煤層產狀平緩且發育穩定，賦存條件良好，但由于煤層厚度大，開采強度劇烈等原因，覆巖變形破壞范圍較大，導致該區域煤礦離層水害較為普遍，其中以彬長、永隴等礦區最為典型。彬長礦區開采期間發生的多次離層水害，幾乎全部伴隨冒頂、煤壁片幫、支架壓死等現象，并且根據現場實測，離層水在短時間內涌突結束后，隨著煤層覆巖斷裂調整，離層閉合，砂質泥巖重新膠結恢復隔水性能，涌水通道封閉，洛河組水位可部分恢復。根據綜合鉆孔柱狀圖，西北地區地層由老到新分別為中生界三疊系中統紙坊組、銅川組；侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組、安定組；白堊系下統宜君組、洛河組、華池組、羅漢洞組；新生界上第三系及第四系廣泛覆蓋其上。開采實踐表明離層主要發育于洛河組砂礫巖與下伏安定組泥巖交界，上覆巨厚層洛河組砂巖含水層本身屬于弱富水含水層，但因其本身厚度較大，儲水能力也較大，可對離層空間進行持續且充足的水量補給，形成危險性離層水體，離層水體對下伏砂質泥巖相對隔水層產生一定的荷載作用、孔隙水壓力和軟化沖刷作用，使得下伏砂質泥巖逐漸劣化，微裂隙不斷產生并持續擴張，其有效隔水層厚度逐漸減小，當下位巖層的隔水能力不足以承受離層水孔隙水壓力和荷載作用，離層水體將突破下伏砂質泥巖相對隔水層通過導水裂縫涌入采掘空間，因此有效疏放危險性離層水體是治理離層水害的關鍵問題。

目前對危險性離層水體的疏放主要采用井下施工疏放水鉆孔，鉆孔終孔設置于離層發育帶或離層積水帶，對離層水體進行控制性疏放，但對于發育層位較高的離層(距離煤層頂板170m以上)，井下施工長距仰孔較困難，且由于安定組泥質巖(圖1中J₂a段)遇水易軟化崩解，鉆孔穿越一百多米的泥巖段時孔身結構極易受到破壞，經常全面塌孔甚至埋鉆，疏放水效果不理想。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有疏放離層水技術方法的不足，提供一種煤礦高位離層水疏放的直通式導流泄水方法。

本發明的技術方案如下：

礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔，包括豎直向下鉆設的變徑直通式導流泄水孔，變徑直通式導流泄水孔包括第一段鉆孔和第二段鉆孔，第一段鉆孔內嵌套第一級套管，第一級套管的直徑大于第二段鉆孔的直徑，第一段鉆孔由地表打至第四系底界以下10～20m處，第二段鉆孔接第一段鉆孔下沿打至冒落帶頂界。

第一段鉆孔的直徑為273～340mm，第一級套管的直徑為219～245mm，第二段鉆孔的直徑為152～190mm。

礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔的施工方法，包括以下步驟：

步驟一、根據工作面周期閉合距、離層發育層位和離層持續時間，在工作面回采之前確定變徑直通式導流泄水孔布設的位置；

步驟二、根據工作面正常涌水和離層積水均勻下泄的總涌水量，確定第二段鉆孔的孔徑，并根據地層發育情況確定第二段鉆孔孔段的長度；

步驟三、根據第二段鉆孔的孔徑確定第一級套管的直徑和第一段鉆孔的直徑；

步驟四、首先施工第一段鉆孔，將第一段鉆孔鉆至目標深度，下入第一級套管，并進行水泥漿隔離封閉；

步驟五、第一段鉆孔合格后，根據鉆孔設計施工第二段鉆孔，施工過程中，不斷往下鉆進，穿過洛河組砂巖確保鉆孔達到冒落帶頂界面，第二段鉆孔全段為裸孔；

步驟六、離層形成期間，導致變徑直通式導流泄水孔發生變形、破壞或堵塞，變徑直通式導流泄水孔出現孔口吸風現象；

步驟七、孔口吸風停止時，表明離層空間形成和覆巖調整穩定，此時為變徑直通式導流泄水孔透孔的最佳時間，對變徑直通式導流泄水孔進行透孔；

步驟八、根據變徑直通式導流泄水孔的吸風情況，重復步驟七，進行周期性透孔；

步驟九、透孔后，變徑直通式導流泄水孔結構完整，泄水通道暢通，離層積水通過變徑直通式導流泄水孔均勻持續下泄；

步驟十、工作面全部回采完畢后，對變徑直通式導流泄水孔進行封孔，采用水泥漿對洛河組底部50m及其以下孔段進行全部封堵。

礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔的施工方法，步驟二中第二段鉆孔的孔徑確定方法如下：

依據地下水動力學中非穩定流理論可知，在側向無限延伸的承壓含水層中抽水，如果在整個抽水期間保持井中水頭或降深不變，那么抽水量將隨著抽水時間的延續而逐漸減少，其抽水量可按下式計算得：

Q₀＝2πTSG(λ)； (1)

式中：Q₀工作面頂板離層水以均勻方式下泄時的最大涌水量，m³/h；T為含水層導水系數，m²/d；t為抽水延續時間，d；μ_e為儲水系數；r₀為抽水井半徑，m；S為含水層水位降深，m；λ為沿程阻力系數；G(λ)為λ的函數，查表確定；

由此，可確定工作面頂板離層水以均勻方式下泄時的最大涌水量Q₀；

根據流體力學中的伯努利方程，對于不可壓縮黏性流體的穩定運動而言，沿同一流線上的各點或同一基元流束上的各過水斷面間的關系，可知：

式中：H為總水頭，m；Z₁和Z₂分別為過水斷面上1-1、2-2上的兩點A、B在基準線以上的高度，m；和分別為過水斷面1-1、2-2上的兩點A、B的測壓高度，m；u₁、u₂分別為研究點A、B的流速，m/s；h_f為水流從研究點A到研究點B的水頭損失，m；

假設直通式導流泄水孔出水口為基準線，則式(3)可簡化為：

管道流動中單位重量流體沿程水頭損失為：

式中：λ為沿程阻力系數；L為管道長度，m；u為管道流體平均流速，m/s；g為重力加速度，m²/s；D為管道內徑，m；

將鉆孔疏放水視作管道流，則u₂＝u，將式(5)帶入式(4)得：

則：

故總涌水量為：

Q＝Q₀+Q₁ (9)

式中：Q為總涌水量，m³/h；Q₁為工作面正常涌水量，m³/h；

將式(9)計算得到的總涌水量代入式(8)，即可確定直通式導流泄水孔的第二段鉆孔的孔徑D。

與現有技術相比，本發明采用在洛河組全段設置裸孔，并根據鉆孔吸風情況進行周期性透孔的方法，克服在井下施工疏放離層水鉆孔時遇到的長距仰孔難打和孔身結構易被破壞的難題，能保證鉆孔結構長期穩定，保證離層水持續均勻下泄，有效防止離層水體大規模潰入采掘空間導致的淹工作面、淹井等災難性事故發生。

附圖說明

圖1為崔木煤礦地層柱狀示意圖；

圖2為黏性流體沿流線能量關系示意圖；

圖3為本發明直通式導流泄水孔示意圖；

圖4為本發明高位離層水疏放示意圖。

其中，1-第一段鉆孔，2-第一級套管，3-第四系底界，4-第二段鉆孔，5-冒落帶頂界，6-洛河組底界；8-變徑直通式導流泄水孔，9-洛河組，10-安定組，11-采空區，12-煤層，13-離層水體，14-冒落帶頂界。

具體實施方式

為了進一步表述本發明技術方案的細節及其有點，現結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。

本發明采用在洛河組全段設置裸孔并根據鉆孔吸風情況透孔的方法，克服在井下施工疏放離層水鉆孔時遇到的長距仰孔難打和孔身結構易被破壞的難題。

附圖中包括：第一段鉆孔1、第一級套管2、第四系底界3、第二段鉆孔4、冒落帶頂界5、洛河組底界6、變徑直通式導流泄水孔8、洛河組9、安定組10、采空區11、煤層12、離層水體13和冒落帶頂界14。

如圖1所示，是崔木煤礦的地層概況，其中：Q為第四系，N為新近系，K₁l為下白堊統洛河組，J₂a為中侏羅統安定組(泥巖)，J₂z為中侏羅統直羅組，J₂y為中侏羅統延安組。右側數字標記為各層底界面埋深。

離層水體的位置較高，離層水體與煤層之間的泥巖較厚，常規疏放水鉆孔施工困難，故使用直通式導流泄水孔。

如圖3所示，礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔，包括豎直向下鉆設的變徑直通式導流泄水孔，變徑直通式導流泄水孔包括第一段鉆孔和第二段鉆孔，第一段鉆孔內嵌套第一級套管，第一級套管的直徑大于第二段鉆孔的直徑，第一段鉆孔由地表打至第四系底界以下10處，第二段鉆孔接第一段鉆孔下沿打至冒落帶頂界。

第一段鉆孔的直徑為245mm，第一級套管的直徑為219mm，第二段鉆孔的直徑為152-190mm。

礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔的施工方法，包括以下步驟：

步驟一、根據工作面周期閉合距、離層發育層位和離層持續時間，在工作面回采之前確定變徑直通式導流泄水孔布設的位置；

步驟二、根據工作面正常涌水和離層積水均勻下泄的總涌水量，確定第二段鉆孔的孔徑，并根據地層發育情況確定第二段鉆孔孔段的長度；

步驟三、根據第二段鉆孔的孔徑確定第一級套管的直徑和第一段鉆孔的直徑；

步驟四、首先施工第一段鉆孔，將第一段鉆孔鉆至目標深度，下入第一級套管，并進行水泥漿隔離封閉；

步驟五、第一段鉆孔合格后，根據鉆孔設計施工第二段鉆孔，施工過程中，不斷往下鉆進，穿過洛河組砂巖確保鉆孔達到冒落帶頂界面，第二段鉆孔全段為裸孔；

步驟六、離層形成期間，導致變徑直通式導流泄水孔發生變形、破壞或堵塞，變徑直通式導流泄水孔出現孔口吸風現象；

步驟七、孔口吸風停止時，表明離層空間形成和覆巖調整穩定，此時為變徑直通式導流泄水孔透孔的最佳時間，對變徑直通式導流泄水孔進行透孔；

步驟八、根據變徑直通式導流泄水孔的吸風情況，重復步驟七，進行周期性透孔；

步驟九、透孔后，變徑直通式導流泄水孔結構完整，泄水通道暢通，離層積水通過變徑直通式導流泄水孔均勻持續下泄；

步驟十、工作面全部回采完畢后，對變徑直通式導流泄水孔進行封孔，采用水泥漿對洛河組底部50m及其以下孔段進行全部封堵。

礦用高位離層水疏放的直通式導流泄水孔的施工方法，步驟二中第二段鉆孔的孔徑確定方法如下：

依據地下水動力學中非穩定流理論可知，在側向無限延伸的承壓含水層中抽水，如果在整個抽水期間保持井中水頭或降深不變，那么抽水量將隨著抽水時間的延續而逐漸減少，其抽水量可按下式計算得：

Q₀＝2πTSG(λ)； (1)

式中：Q₀工作面頂板離層水以均勻方式下泄時的最大涌水量，m³/h；T為含水層導水系數，m²/d；t為抽水延續時間，d；μ_e為儲水系數；r₀為抽水井半徑，m；S為含水層水位降深，m；λ為沿程阻力系數；G(λ)為λ的函數，查表確定；

由此，可確定工作面頂板離層水以均勻方式下泄時的最大涌水量Q₀；

根據流體力學中的伯努利方程，對于不可壓縮黏性流體的穩定運動而言，沿同一流線上的各點或同一基元流束上的各過水斷面間的關系，如圖2所示，可知：

式中：H為總水頭，m；Z₁和Z₂分別為過水斷面上1-1、2-2上的兩點A、B在基準線以上的高度，m；和分別為過水斷面1-1、2-2上的兩點A、B的測壓高度，m；u₁、u₂分別為研究點A、B的流速，m/s；h_f為水流從研究點A到研究點B的水頭損失，m；

假設直通式導流泄水孔出水口為基準線，則式(3)可簡化為：

管道流動中單位重量流體沿程水頭損失為：

式中：λ為沿程阻力系數；L為管道長度，m；u為管道流體平均流速，m/s；g為重力加速度，m²/s；D為管道內徑，m；

將鉆孔疏放水視作管道流，則u₂＝u，將式(5)帶入式(4)得：

則：

故總涌水量為：

Q＝Q₀+Q₁ (9)

式中：Q為總涌水量，m³/h；Q₁為工作面正常涌水量，m³/h；

將式(9)計算得到的總涌水量代入式(8)，即可確定直通式導流泄水孔的第二段鉆孔的孔徑D。

透孔時機選擇的原理：

隨著煤層不斷被開采，上覆巖層會發生不同程度的變形破壞，工作面推進期間，洛河組底部、安定組頂部以及洛河組-安定組交界段的軟硬巖層界面之間多次產生離層，離層形成后為一個負壓空間，此時變徑直通式導流泄水孔若處于離層影響范圍則會伴隨孔口吸風現象，而離層周圍一定范圍內洛河組地下水向離層空間內流動。

當離層空間發育完成后，吸風現象會減弱，此時洛河組含水層對離層空間持續充水，待離層空間積滿水后，吸風也會停止，離層水體形成。

因此在工作面回采期間，可以根據變徑直通式導流泄水孔的吸風現象決定透孔時間，對變徑直通式導流泄水孔進行周期性多次透孔，保證泄水通道暢通和離層水體的有效下泄。

孔口有吸風現象時，表明離層空間在變形階段，煤層覆巖也在變形、破壞的調整階段，這會導致變徑直通式導流泄水孔發生變形、破壞或堵塞。孔口吸風停止時，表明離層空間形成和覆巖調整穩定，此時為變徑直通式導流泄水孔的最佳時間，可有效保證變徑直通式導流泄水孔鉆孔結構完整和泄水通道暢通，保證使離層水體能夠均勻持續下泄，有效防止離層水體大規模潰入采掘空間導致的淹工作面、淹井等災難性事故發生。

工作面全部回采完畢后，對變徑直通式導流泄水孔進行封孔，采用水泥漿對洛河組底部50m及以下孔段進行全部封孔，防止洛河組地下水下滲至采空區造成水害隱患。