一种煤层底板水害超前区域治理方法与流程

1.本发明涉及一种煤层底板水害超前区域治理方法，属于煤矿区煤层底板水害防治的技术领域。


背景技术：

2.煤层底板注浆加固是煤层底板岩溶承压水害防治的主要技术手段。主要是将煤层底板的导、含水岩层注浆改造和加固成隔水层，达到增加煤层底板隔水层厚度，提升煤层底板岩层综合阻水能力，以防止底板岩溶水突出。近年来随着大能力定向导斜钻进技术与装备的快速发展与成熟，煤层底板注浆改造与加固从井下局部治理向井上下联合区域化治理转变，超前区域注浆治理技术已大范围应用于华北型煤田底板岩溶水害的防治。2018年颁布的《煤矿防治水细则》提出了“当承压含水层的补给水源充沛，不具备疏水降压和帷幕注浆的条件时，可以采用地面区域治理，或者局部注浆加固底板隔水层、改造含水层的方法”的推广建议。
3.注浆压力是克服浆体流动阻力、静水压力、钻孔壁摩擦阻力，从而驱动浆液在裂隙扩散距离的驱动力，但由于水平孔中沿程流动阻力、钻孔壁摩擦阻力的累积增加，造成水平孔中沿程注浆压力呈现递减趋势变化，因此浆液扩散距离随着水平段沿程注浆压力的降低呈现减小趋势(如图1)。目前，在煤层底板水害治理过程中，无论是井下还是地面施工定向注浆治理钻孔，长距离注浆孔水平段常用等间距平行布孔模式，而注浆孔内沿程注浆压力的衰减致使等间距平行布孔模式在水平注浆段后期浆液扩散距离不足，造成注浆范围无法搭接、交叉，形成注浆盲区，难以达到区域治理全覆盖的目的。
4.因此，发明设计合理的基于注浆压力递减效应的钻孔布置模式是当前底板区域注浆改造亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
6.本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种煤层底板水害超前区域治理方法。该方法重点针对传统平行分支孔间距过大可能造成的孔间注浆盲区问题，充分结合受注层水文地质特征、注浆工艺，根据水平段有效注浆压力逐步线性递减规律，以最大程度消除注浆盲区。
7.为解决上述问题，本发明的方案是：
8.一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：
9.步骤1，分析受注岩层水文地质特征；
10.步骤2，基于所述水文地质特征确定分支孔延伸方向；
11.步骤3，分析注浆钻孔水平段有效注浆压力；
12.步骤4，基于所述注浆钻孔水平段有效注浆压力确定最大注浆钻孔水平段长度；
13.步骤5，确定注浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散范围；
14.步骤6，基于所述注浆扩散范围在受注层施工注浆孔水平段。
15.优选的，上述的一种煤层底板水害超前区域治理方法，所述分支孔延伸方向与等水位线平。
16.优选的，上述的一种煤层底板水害超前区域治理方法，所述分支孔延伸方向垂直于断层走向方向。
17.一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：
18.施工通向受注层的第一注浆孔，在所述第一注浆孔底端施工多个第一分支孔水平段，各第一分支孔水平段的一端与所述第一注浆孔相连，另一端在所述受注层内延伸；
19.施工通向受注层的第二注浆孔，在所述第二注浆孔底端施工多个第二分支孔水平段，各第二分支孔水平段的一端与所述第一注浆孔相连，另一端向所述第一注浆孔的方向延伸；
20.其中，所述第一分支孔水平段的注浆扩散范围和所述第二分支孔水平段的注浆扩散范围部分重叠。
21.优选的，上述的一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：所述第一分支孔水平段与所述第二分支孔水平段在所述受注层内交替设置。
22.优选的，上述一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：所述第一分支孔水平段末端的注浆范围与所述第二分支孔水平段末端的注浆范围重叠。
23.优选的，上述一种煤层底板水害超前区域治理方法，所述第一分支孔水平段至少部分区域与所述第二分支孔水平段的至少部分区域平行设置。
24.一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：
25.施工通向受注层的第一注浆孔，在所述第一注浆孔底端施工多个第一分支孔水平段，各第一分支孔水平段的一端与所述第一注浆孔相连，另一端在所述受注层内延伸；
26.施工通向受注层的第二注浆孔，在所述第二注浆孔底端施工多个第二分支孔水平段，各第二分支孔水平段的一端与所述第一注浆孔相连，另一端向所述第一注浆孔的方向延伸；
27.其中，各第一分支孔水平段之间的间距在朝着第二注浆孔的方向逐渐减小；所述各第二分支孔水平段之间的间距在朝着第一注浆孔的方向逐渐减小；且所述第一分支孔水平段的注浆扩散范围和所述第二分支孔水平段的注浆扩散范围重叠。
28.优选的，上述的一种煤层底板水害超前区域治理方法，第一分支孔水平段和所述第二分支孔水平段构成一受注层注浆扩散区域，所述第一分支孔水平段和或第二分支孔水平段包括一弧形段，并且位于所述受注层注浆扩散区域内侧的弧形段的弧度大于靠近所述的受注层注浆扩散区域的弧度。
29.优选的，上述的一种煤层底板水害超前区域治理方法，所述各第一分支孔水平段与所述第二分支孔水平段呈现中心对称设置。
30.因此，相对于现有技术相比，本发明重点针对传统平行分支孔间距过大可能造成的孔间注浆盲区问题，根据注浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散形态，采用长距离错位平行分
支孔模式、长距离逆向互补弧形分支孔模式，可最大程度消除注浆盲区，保障煤层底板区域注浆改造效果和高效防治煤层底板水害，实现煤炭资源安全开采，具有实际意义。
附图说明
31.并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
32.图1例示了本发明实施例中的水平注浆孔水平段注浆压力与扩散半径示意图，图中(a)注浆压力沿程衰减情况，(b)为浆液扩散范围；
33.图2例示了本发明实施例中的水平注浆孔注浆示意图(剖面)；
34.图3例示了本发明实施例中的注浆孔水平段与受注岩层水位线、导水构造空间关系，图中，(a)定向孔与等水位线垂直，(b)定向孔与等水位线近水平；
35.图4例示了本发明实施例中的注浆水平段分支孔平面布置示意图，图中，(a)传统长距离平行分支孔，(b)长距离错位平行分支孔，(c)长距离逆向互补弧形分支孔；
36.将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
37.本实施例，提供了一种煤层底板水害超前区域治理方法，包括：
38.步骤一：分析受注岩层水文地质特征。根据注浆钻孔与注浆改造岩层空间关系，以及受注地层地下水位hw、厚度等分布信息，分析注浆区域注浆钻孔周边受注岩层空间展布、静水压力分布特征(图2)。
39.步骤二：确定分支孔延伸方向。从注浆压力公式可以看出，由于浆液在岩层中扩散流动时需要克服静水压力和钻孔、裂隙中综合黏滞阻力，当定向孔水平注浆段延伸方向与等水位线增加段垂直时(图3a)，即随着钻孔延伸静水压力逐步增加，则进一步加剧了分支孔水平段有效注浆压力的衰减，则超前注浆治理效率不高，因此根据治理区域受注层水动力场分布特征，注浆治理水平段分支孔各孔主体延伸方向尽量与等水位线平行(图3b)，可降低分支孔水平段有效注浆压力的衰减能力，达到更好的治理效率。
40.另外，煤层底板的导水构造(断层、裂隙)是注浆治理主要对象，往往控制着地层的渗透性能大小和主渗透方向，断层带内空隙介质的开启性好、联通性强、过浆阻力小，断层内的浆液扩散能力会好于断层带外正常岩层。因此，注浆治理水平段分支孔各孔延伸方向尽量与断层走向方向正交，由于单分支注浆孔易揭露导水通道(图2b)，需要克服的注浆阻力较小，可实现利用较少的注浆孔数、水平段长度对导水断层达到较好的注浆效率。
41.步骤三：分析注浆钻孔水平段有效注浆压力，根据公式:
42.p(l)＝p0+γg×h1-γw×hw-ξ
×h1-ξ
×
l，
43.根据上式确定水平段沿程有效压力。式中，p0为注浆孔孔口压力表读数，l为注浆孔水平段长度；γg、γw为浆体与水的重度；h1注浆孔孔口与水平段间的垂直距离；hw受注层静水压力；ξ为浆液与孔壁以及孔壁揭露的裂隙中流动时的综合阻力系数。
44.步骤四：确定注浆钻孔水平段最大长度，在孔口最大注浆压力一定时(孔口注浆压力由注浆泵能力确定)，区域注浆改造过程中垂直段综合阻力ξ*h1与受注层静水阻力γw*hw相对固定，而随着注浆孔水平段l延伸，沿程阻力ξ*l线性增加，当p(l)＝0时，水平段长度
l
max
即为最大注浆钻孔水平段长度。
45.步骤五：确定注浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散范围，根据有效注浆压力公式可见，如图1所示以孔口最大扩散半径r
max
为起点，以最大注浆钻孔水平段lmax为终端，以水平段为轴，连线可得到注浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散范围。
46.步骤六：考虑水平孔沿程注浆压力衰减布孔，针对传统平行分支孔间距过大可能造成的注浆孔间盲区问题(图4a)，充分结合受注层水文地质特征、注浆工艺，根据步骤四确定的最大注浆孔水平段最大长度l
max
设计最大水平段长度，根据步骤五确定的浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散范围，以最大程度消除注浆盲区为目标，可采用3种超前区域治理高效布孔模式：
47.(1)长距离错位平行分支孔模式(图4b)，减少一序孔分支孔水平段长度，在对侧错位施工2序孔，在一序孔各分支孔水平段注浆扩散盲区形成交叉重叠区域，以消除注浆盲区。
48.(2)长距离逆向互补弧形分支孔模式(图4c)，充分依靠定向钻探能力，根据注浆孔水平段注浆扩散范围缩减形态，两序孔均以“弧”形施工各分支孔水平段与开展注浆治理，以消除注浆盲区。
49.通过上述内容可知，本发明的一种考虑水平孔沿程注浆压力衰减的煤层底板水害超前区域治理布孔方法具有如下效果：
50.重点针对传统平行分支孔间距过大可能造成的孔间注浆盲区问题，根据注浆钻孔水平段“锥形”注浆扩散形态，发明提出长距离错位平行分支孔模式、长距离逆向互补弧形分支孔模式2中布孔设计方法，可最大程度消除注浆盲区，保障煤层底板区域注浆改造效果和高效防治煤层底板水害，实现煤炭资源安全开采，具有实际意义。
51.注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
52.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。