CN108518182A - 顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法及装置。本发明采用随钻地质导向定向钻具进行枝状定向钻孔施工，控制钻孔轨迹沿设计含水层和设计轨迹延伸，成孔后进行水体疏放；枝状定向钻孔由主孔和多个上向分支孔组成，其中主孔沿下含水层长距离延伸，用于探放下含水层内水体；上向分支孔穿过上含水层，用于探放上含水层内水体。本发明解决了煤层顶板含水层数量较多时，水体探放效率低、探放误差大、治理成本高等问题，具有探放效率高、施工工程量小、探放精度高、覆盖面积广等优点，实现了多含水层水体一次超前区域探放，保障了安全高效采煤。
Description
技术领域
本发明涉及一种超前区域水体探放方法及装置，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法及装置。
背景技术
我国煤炭赋存水文地质条件较为复杂，顶板水害是我国煤矿水害的主要类型之一，其破坏性巨大，给煤矿安全生产带来了很大隐患和损失。随着浅部资源日趋枯竭，煤炭开采逐渐向大埋深、高地应力和强富水区域发展，矿井顶板水害呈现高频率和强危害特征。
采用钻孔对顶板水提前进行探查和疏放是避免顶板水害事故发生的有效途径之一，目前主要采用顶板穿层钻孔或常规定向钻孔进行水体探放，存在以下问题：①目前采动导水裂隙带发育主要采用理论计算或数值模拟得到，与实际值存在偏差，部分煤矿顶板水文地质资料简单，顶板含水层数量较多，对其详细赋存信息掌握较差，且富水性难以准确掌握；②顶板穿层钻孔深度浅、轨迹不可测控，施工工程量大，且需要在开采巷道形成后进行施工，疏放水时间短，无法实现超前区域顶板水探放，不利于矿井扩大生产规模的长远规划要求；③常规定向钻孔可沿含水体长距离延伸，但其以钻孔几何轨迹为导向，当地层起伏变化时，无法准确沿目标地层延伸，且只适用于单一含水层水体探放。
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，针对煤层顶板多含水层水体探放方法存在的不足，研究设计出一种煤层顶板多含水层枝状定向钻孔一次超前区域水体探放方法，以克服上述缺陷。
发明内容
发明所要解决的技术问题
现有技术中，在煤层顶板多含水层水体探放时，含水层赋存信息不清、采动导水裂隙带发育规律不清，顶板穿层钻孔探查盲区大、成本高、周期长，常规定向钻孔无法确保沿目标含水体延伸，且只适用于单个含水体探放。
解决上述问题所采用的技术方案
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，包括：
信息勘探步骤，探查含水层赋存信息与采动导水裂隙带发育高度；
钻孔设计步骤，根据探查结果设计包括枝状定向钻孔，所述枝状定向钻孔包括沿下含水层延伸的主孔以及穿过上含水层且终孔标高大于顶板采动导水裂隙带发育高度的上向分支孔；
主孔施工步骤，施工枝状定向钻孔的主孔；
支孔施工步骤，施工枝状定向钻孔的上向分支孔，采集钻孔出水量和出水压力并根据出水量和/或出水压力进行水体疏放；
回采施工步骤，探明顶板含水层内不含水，或者顶板含水层内水体疏放后出水量及出水压力达到工作面开采条件，则可进行工作面回采。
在本发明的至少一个实施例中，所述信息勘探步骤包括：在矿井已回采工作面施工一个上向穿层探查钻孔，然后从钻孔内下入钻孔信息综合探测***，查明顶板含水层标高、厚度等赋存信息和顶板采动导水裂隙带发育高度。
在本发明的至少一个实施例中，所述的穿层探查钻孔开孔倾角大于60°，终孔标高比采动导水裂隙带发育高度理论计算值大10m以上。
在本发明的至少一个实施例中，所述主孔施工步骤包括：在工作面巷道内设置钻场，下入随钻地质导向定向钻具，按照枝状定向钻孔主孔设计轨迹进行施工，钻进过程中实时测量出钻孔几何轨迹，并识别出钻遇地层岩性，控制枝状定向钻孔沿设计轨迹在下含水层内长距离延伸；钻进过程中每隔预定间隔预留一个分支点。
在本发明的至少一个实施例中，所述支孔施工步骤包括：在主孔施工完成后，从孔底向孔口退钻，退钻至预留分支点，采用慢速磨削悬空侧钻分支技术侧钻开分支；开出分支孔后，调整钻孔倾角钻进，穿过上含水层，并超过顶板采动导水裂隙带发育高度；然后继续退钻，直至完成所有上向分支孔施工。
在本发明的至少一个实施例中，所述主孔施工步骤和支孔施工步骤包括：在枝状定向钻孔施工时，在孔口实时采集钻孔出水量和出水压力，若钻孔不出水，说明顶板含水层内不含水；若钻孔出水，记录下出水点深度及其空间轨迹参数，并绘制出顶板含水层内水体分布平面图、水压分布等值线图和水量分布等值线图。
在本发明的至少一个实施例中，所述主孔施工步骤和支孔施工步骤包括：在枝状定向钻孔施工时，若钻孔出水量和出水压力大于矿方规定值，则停钻进行水体疏放，直至出水量和出水压力小于矿方规定值后继续施工；若钻孔出水量和出水压力小于矿方规定值，则完孔后集中进行水体疏放。
在本发明的至少一个实施例中，所述的枝状定向钻孔在工作面顶板内成组均匀布置，钻孔间距为30～50m，各组定向钻孔之间水平段彼此搭接；所述的枝状定向钻孔的上向分支孔呈枝状排列。
一种钻孔信息综合探测***，包括：由自洁钻头、夜视摄像头、地质信息探测模块、电源模块、空间轨迹测量模块A、信号传输模块A、无磁仪器外管A、通缆式信号传输钻杆、通缆式旋转送水器和孔口处理***A，其中所述的夜视摄像头自带照明光源；地质信息探测模块内安装有可敏感地层自然放射性的探测传感器；空间轨迹测量模块A内设置加速度传感器组和磁传感器组，每个传感器组均由3个相互正交的传感器构成；电源模块由3个电池组组成，可分别为夜视摄像头、地质信息探测模块和空间轨迹测量模块A供电；信号传输模块A采用频分多路复用技术进行信号传输；所述的夜视摄像头、地质信息探测模块、电源模块、空间轨迹测量模块A、信号传输模块A依次连接组成孔内仪器串，并安装在无磁仪器外管A中；所述的自洁钻头、无磁仪器外管A、通缆式信号传输钻杆和通缆式旋转送水器依次连接，其中夜视摄像头靠近自洁钻头一端，并进入自洁钻头内。
一种利用上述的***进行顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，包括：利用所述钻孔信息综合探测***探查含水层赋存信息与采动导水裂隙带发育高度，设计包括沿下含水层延伸的主孔以及穿过上含水层且终孔标高大于顶板采动导水裂隙带发育高度的上向分支孔的枝状定向钻孔；在所述分支孔施工时采集钻孔出水量和出水压力并根据出水量和/或出水压力进行水体疏放。
发明效果
本发明开发了一种煤层顶板多含水层枝状定向钻孔一次超前区域水体探放方法，以精确探查的含水层赋存信息和采动导水裂隙带发育信息为基础，以随钻地层识别导向钻进为依托，利用枝状定向钻孔主孔探放下含水层内水体，利用多个上向分支孔探放上含水层内水体，实现了多含水层水体一次超前区域探放，保障了安全高效采煤，具有以下显著优势：
1、可一次对多个含水层内水体进行探放，探放效率高；
2、枝状定向钻孔可沿含水层长距离准确延伸，有效孔段长，施工工程量小；
3、可实钻精确测量定向钻孔几何轨迹参数和钻遇地层信息，确保钻孔轨迹精确控制，探放精度高，不存在盲区；
4、多个枝状钻孔均匀排列即可满足整个工作面探放水需要，覆盖面积广。
附图说明
图1为煤层顶板多含水层枝状定向钻孔一次超前区域水体探放原理示意图。
图2为枝状定向钻孔平面布置示意图。
图3为钻孔信息综合探测***组成连接示意图。
图4为自洁钻头结构示意图。
图5为随钻地质导向定向钻具组成连接示意图。
下含水层1、上含水层2、采动导水裂隙带3、穿层探查钻孔4、枝状定向钻孔5、主孔6、上向分支孔7、钻场8、工作面9、自洁钻头10、夜视摄像头11、地质信息探测模块12、电源模块13、空间轨迹测量模块A14、信号传输模块A15、无磁仪器外管A16、通缆式信号传输钻杆17、通缆式旋转送水器18、孔口处理***A19、切削刀翼20、轴向水眼21、径向水眼22、耐磨镜片23、连接螺纹24、岩层定向钻头25、近钻头地质信息测量模块26、近距离数据短传模块27、螺杆马达28、近距离数据接收模块29、空间轨迹测量模块B30、信号传输模块B31、无磁仪器外管B32、孔口处理***B33。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
参见图1，一种煤层顶板多含水层枝状定向钻孔一次超前区域水体探放方法，包括以下步骤：
步骤一：含水层赋存信息与采动导水裂隙带3发育高度探查。在矿井已回采工作面9施工一个上向穿层探查钻孔4，然后从钻孔内下入钻孔信息综合探测***，查明顶板含水层标高、厚度等赋存信息和顶板采动导水裂隙带3发育高度。
步骤二：枝状定向钻孔5轨迹设计。根据含水层赋存信息与采动导水裂隙带3发育高度进行枝状定向钻孔5设计，枝状定向钻孔5由主孔6和多个上向分支孔7组成，其中主孔6布置在下含水层1中，并沿下含水层1延伸；上向分支孔7设计间距30～50m，斜穿过上含水层2，且终孔标高大于顶板采动导水裂隙带3发育高度。
步骤三：下含水层1内枝状定向钻孔5主孔6施工。在工作面9巷道内设置钻场8，下入随钻地质导向定向钻具，按照枝状定向钻孔5主孔6设计轨迹进行施工，钻进过程中实时测量出钻孔几何轨迹，并识别出钻遇地层岩性，控制枝状定向钻孔5沿设计轨迹在下含水层1内长距离延伸；钻进过程中每隔30～50m预留一个分支点。
步骤四：上含水层2上向分支孔7施工。主孔6施工完成后，从孔底向孔口退钻，退钻至预留分支点，采用慢速磨削悬空侧钻分支技术侧钻开分支；开出分支孔后，调整钻孔倾角钻进，穿过上含水层2，并超过顶板采动导水裂隙带3发育高度；然后继续退钻，直至完成所有上向分支孔7施工。
步骤五：水体探查。枝状定向钻孔5施工时，在孔口实时采集钻孔出水量和出水压力，若钻孔不出水，说明顶板含水层内不含水；若钻孔出水，记录下出水点深度及其空间轨迹参数，并绘制出顶板含水层内水体分布平面图、水压分布等值线图和水量分布等值线图。
步骤六：水体疏放。枝状定向钻孔5施工时，若钻孔出水量和出水压力大于矿方规定值，则停钻进行水体疏放，直至出水量和出水压力小于矿方规定值后继续施工；若钻孔出水量和出水压力小于矿方规定值，则完孔后集中进行水体疏放。
步骤七：工作面9开采。若探明顶板含水层内不含水，或者顶板含水层内水体疏放后出水量及出水压力达到工作面9开采条件，则可进行工作面9回采。
参见图1，所述的上含水层2、下含水层1均位于煤层顶板采动导水裂隙带3发育空间范围内；所述的上含水层2可以是一个或多个含水层。
参见图1，所述的穿层探查钻孔4开孔倾角大于60°，终孔标高比采动导水裂隙带3发育高度理论计算值大10m以上。
参见图2，所述的枝状定向钻孔5在工作面9顶板内成组均匀布置，钻孔间距为30～50m，各组定向钻孔之间水平段彼此搭接；所述的枝状定向钻孔5的上向分支孔7呈枝状排列。
参见图1，所述的分支点预留方法为，将随钻地质导向定向钻具中的螺杆马达28工具面向角调整至0°左右，连续滑动造斜施工6～9m，使钻孔倾角升高2°以上。
参见图3，所述的钻孔信息综合探测***由自洁钻头10、夜视摄像头11、地质信息探测模块12、电源模块13、空间轨迹测量模块A14、信号传输模块A15、无磁仪器外管A16、通缆式信号传输钻杆17、通缆式旋转送水器18和孔口处理***A19组成，其中所述的夜视摄像头11自带照明光源；地质信息探测模块12内安装有可敏感地层自然放射性的探测传感器；空间轨迹测量模块A14内设置了1个加速度传感器组和1个磁传感器组，每个传感器组均由3个相互正交的传感器构成；电源模块13由3个电池组组成，可分别为夜视摄像头11、地质信息探测模块12和空间轨迹测量模块A14供电；信号传输模块A15采用频分多路复用技术进行信号传输；所述的夜视摄像头11、地质信息探测模块12、电源模块13、空间轨迹测量模块A14、信号传输模块A15依次连接组成孔内仪器串，并安装在无磁仪器外管A16中；所述的自洁钻头10、无磁仪器外管A16、通缆式信号传输钻杆17和通缆式旋转送水器18依次连接，其中夜视摄像头11靠近自洁钻头10一端，并进入自洁钻头10内。
参见图4，所述的自洁钻头10为环形结构，顶部设置有多组切削刀翼20，与刀翼平齐间隔设置有轴向水眼21和径向水眼22，中部安装有耐磨镜片23，后部设置有连接螺纹24。
参见图3、图4，利用钻孔信息综合探测***探查含水层赋存信息与采动导水裂隙带3发育高度方法如下：将钻孔信息综合探测***连接好，修正夜视摄像头11安装角，然后下入上向穿层探查钻孔4；下入过程中，采用夜视摄像头11探测孔壁图像信息，采用地质信息探测模块12探查钻孔径向0.5m范围内地层的放射性，采用空间轨迹测量模块A14测量钻孔三维轨迹参数；然后由信号传输模块A15通过通缆式信号传输钻杆17和通缆式旋转送水器18将信号传输至孔外；下入过程中，若孔内遇堵或耐磨镜片23被糊住，则可通过通缆式信号传输钻杆17向钻孔内供水，其中轴向水眼21内冲出的水流将清除孔内堵塞物，径向水眼22内冲出的水流将清除耐磨镜片23上的杂物，确保仪器正常下入和夜视摄像头11清晰拍摄；孔口处理***A19接收到夜视摄像头11拍摄的视频信息、地质信息探测模块12探查的地层自然放射值和空间轨迹测量模块A14测量的钻孔轨迹三维坐标后，以钻孔各测点的标高为纵轴、以地层自然伽马放射值和视频信息为横轴绘制综合分析图，将探查的地层自然伽马放射值与不同地层标准值进行对比识别地层并标示出含水层位置，得到钻孔轨迹地质剖面图和含水层赋存信息；统计不同标高处孔壁裂隙发育数量，得到采动导水裂隙带3发育高度。
参见图5，随钻地质导向定向钻具由岩层定向钻头25、近钻头地质信息测量模块26、近距离数据短传模块27、螺杆马达28、近距离数据接收模块29、空间轨迹测量模块B30、信号传输模块B31、无磁仪器外管B32、通缆式信号传输钻杆17、通缆式旋转送水器18和孔口处理***B33组成，其中近钻头地质信息测量模块26内安装有可敏感地层自然放射性的探测传感器,可测量钻头后0.5m左右位置处的地层信息；空间轨迹测量模块B14内设置了1个加速度传感器组和1个磁传感器组，每个传感器组均由3个相互正交的传感器构成,可测量的钻孔轨迹三维坐标；近距离数据短传模块27用于将测量数据穿过螺杆马达28传输至近距离数据接收模块29，并与空间轨迹测量模块B30测量得到的钻孔轨迹参数一起，通过信号传输模块B31，采用载波信号传输方式，以通缆式信号传输钻杆17和通缆式旋转送水器18为信号传输通道传递给孔口处理***B33，经由孔口处理***B33处理后进行显示，得到实钻地层岩性及与设计轨迹的偏差，为施工人员钻孔轨迹调控参考依据，确保钻孔沿设计轨迹和设计地层长距离延伸。
尽管本文较多地使用了下含水层1、上含水层2、采动导水裂隙带3、穿层探查钻孔4、枝状定向钻孔5、主孔6、上向分支孔7、钻场8、工作面9、自洁钻头10、夜视摄像头11、地质信息探测模块12、电源模块13、空间轨迹测量模块A14、信号传输模块A15、无磁仪器外管A16、通缆式信号传输钻杆17、通缆式旋转送水器18、孔口处理***A19、切削刀翼20、轴向水眼21、径向水眼22、耐磨镜片23、连接螺纹24、岩层定向钻头25、近钻头地质信息测量模块26、近距离数据短传模块27、螺杆马达28、近距离数据接收模块29、空间轨迹测量模块B30、信号传输模块B31、无磁仪器外管B32、孔口处理***B33等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，包括：
信息勘探步骤，探查含水层赋存信息与采动导水裂隙带(3)发育高度；
钻孔设计步骤，根据探查结果设计包括枝状定向钻孔(5)，所述枝状定向钻孔(5)包括沿下含水层(1)延伸的主孔(6)以及穿过上含水层(2)且终孔标高大于顶板采动导水裂隙带(3)发育高度的上向分支孔(7)；
主孔施工步骤，施工枝状定向钻孔(5)的主孔(6)；
支孔施工步骤，施工枝状定向钻孔(5)的上向分支孔(7)，采集钻孔出水量和出水压力并根据出水量和/或出水压力进行水体疏放；
回采施工步骤，探明顶板含水层内不含水，或者顶板含水层内水体疏放后出水量及出水压力达到工作面(9)开采条件，则可进行工作面(9)回采。
2.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述信息勘探步骤包括：在矿井已回采工作面(9)施工一个上向穿层探查钻孔(4)，然后从钻孔内下入钻孔信息综合探测***，查明顶板含水层标高、厚度等赋存信息和顶板采动导水裂隙带(3)发育高度。
3.根据权利要求2所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述的穿层探查钻孔(4)开孔倾角大于60°，终孔标高比采动导水裂隙带(3)发育高度理论计算值大10m以上。
4.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述主孔施工步骤包括：在工作面(9)巷道内设置钻场(8)，下入随钻地质导向定向钻具，按照枝状定向钻孔(5)主孔(6)设计轨迹进行施工，钻进过程中实时测量出钻孔几何轨迹，并识别出钻遇地层岩性，控制枝状定向钻孔(5)沿设计轨迹在下含水层(1)内长距离延伸；钻进过程中每隔预定间隔预留一个分支点。
5.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述支孔施工步骤包括：在主孔(6)施工完成后，从孔底向孔口退钻，退钻至预留分支点，采用慢速磨削悬空侧钻分支技术侧钻开分支；开出分支孔后，调整钻孔倾角钻进，穿过上含水层(2)，并超过顶板采动导水裂隙带(3)发育高度；然后继续退钻，直至完成所有上向分支孔(7)施工。
6.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述主孔施工步骤和支孔施工步骤包括：在枝状定向钻孔(5)施工时，在孔口实时采集钻孔出水量和出水压力，若钻孔不出水，说明顶板含水层内不含水；若钻孔出水，记录下出水点深度及其空间轨迹参数，并绘制出顶板含水层内水体分布平面图、水压分布等值线图和水量分布等值线图。
7.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述主孔施工步骤和支孔施工步骤包括：在枝状定向钻孔(5)施工时，若钻孔出水量和出水压力大于矿方规定值，则停钻进行水体疏放，直至出水量和出水压力小于矿方规定值后继续施工；若钻孔出水量和出水压力小于矿方规定值，则完孔后集中进行水体疏放。
8.根据权利要求1所述的一种顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，所述的枝状定向钻孔(5)在工作面(9)顶板内成组均匀布置，钻孔间距为30～50m，各组定向钻孔之间水平段彼此搭接；所述的枝状定向钻孔(5)的上向分支孔(7)呈枝状排列。
9.一种钻孔信息综合探测***，其特征在于，包括：由自洁钻头(10)、夜视摄像头(11)、地质信息探测模块(12)、电源模块(13)、空间轨迹测量模块A(14)、信号传输模块A(15)、无磁仪器外管A(16)、通缆式信号传输钻杆(17)、通缆式旋转送水器(18)和孔口处理***A(19)，其中所述的夜视摄像头(11)自带照明光源；地质信息探测模块(12)内安装有可敏感地层自然放射性的探测传感器；空间轨迹测量模块A(14)内设置加速度传感器组和磁传感器组，每个传感器组均由3个相互正交的传感器构成；电源模块(13)由3个电池组组成，可分别为夜视摄像头(11)、地质信息探测模块(12)和空间轨迹测量模块A(14)供电；信号传输模块A(15)采用频分多路复用技术进行信号传输；所述的夜视摄像头(11)、地质信息探测模块(12)、电源模块(13)、空间轨迹测量模块A(14)、信号传输模块A(15)依次连接组成孔内仪器串，并安装在无磁仪器外管A(16)中；所述的自洁钻头(10)、无磁仪器外管A(16)、通缆式信号传输钻杆(17)和通缆式旋转送水器(18)依次连接，其中夜视摄像头(11)靠近自洁钻头(10)一端，并进入自洁钻头(10)内。
10.一种利用权利要求9所述的***进行顶板多含水层枝状定向钻孔超前区域水体探放方法，其特征在于，包括：利用所述钻孔信息综合探测***探查含水层赋存信息与采动导水裂隙带(3)发育高度，设计包括沿下含水层(1)延伸的主孔(6)以及穿过上含水层(2)且终孔标高大于顶板采动导水裂隙带(3)发育高度的上向分支孔(7)的枝状定向钻孔(5)；在所述分支孔(7)施工时采集钻孔出水量和出水压力并根据出水量和/或出水压力进行水体疏放。
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