本發(fā)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(dǎo)流泄水孔及其施工方法。

背景技術(shù)：

隨著我國煤炭產(chǎn)量的不斷增加，煤礦開采深度和開采厚度不斷增大，綜合機(jī)械化設(shè)備和大采厚采煤方法的應(yīng)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(chǎn)生離層，離層空間形成后可接受上覆含水層的持續(xù)性充水補(bǔ)給，隨著工作面推進(jìn)，覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，離層發(fā)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(nèi)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(chǎn)造成重大危害，甚至造成淹井等災(zāi)難性事故。

西北地區(qū)煤炭資源豐富，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，煤層產(chǎn)狀平緩且發(fā)育穩(wěn)定，賦存條件良好，但由于煤層厚度大，開采強(qiáng)度劇烈等原因，覆巖變形破壞范圍較大，導(dǎo)致該區(qū)域煤礦離層水害較為普遍，其中以彬長、永隴等礦區(qū)最為典型。彬長礦區(qū)開采期間發(fā)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(xiàn)象，并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，離層水在短時間內(nèi)涌突結(jié)束后，隨著煤層覆巖斷裂調(diào)整，離層閉合，砂質(zhì)泥巖重新膠結(jié)恢復(fù)隔水性能，涌水通道封閉，洛河組水位可部分恢復(fù)。根據(jù)綜合鉆孔柱狀圖，西北地區(qū)地層由老到新分別為中生界三疊系中統(tǒng)紙坊組、銅川組；侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組；白堊系下統(tǒng)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(shí)踐表明離層主要發(fā)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(jìn)行持續(xù)且充足的水量補(bǔ)給，形成危險性離層水體，離層水體對下伏砂質(zhì)泥巖相對隔水層產(chǎn)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(zhì)泥巖逐漸劣化，微裂隙不斷產(chǎn)生并持續(xù)擴(kuò)張，其有效隔水層厚度逐漸減小，當(dāng)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(zhì)泥巖相對隔水層通過導(dǎo)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(guān)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(shè)置于離層發(fā)育帶或離層積水帶，對離層水體進(jìn)行控制性疏放，但對于發(fā)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(zhì)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(jié)構(gòu)極易受到破壞，經(jīng)常全面塌孔甚至埋鉆，疏放水效果不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有疏放離層水技術(shù)方法的不足，提供一種煤礦高位離層水疏放的直通式導(dǎo)流泄水方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

礦用高位離層水疏放的直通式導(dǎo)流泄水孔，包括豎直向下鉆設(shè)的變徑直通式導(dǎo)流泄水孔，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔包括第一段鉆孔和第二段鉆孔，第一段鉆孔內(nèi)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(dǎo)流泄水孔的施工方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)工作面周期閉合距、離層發(fā)育層位和離層持續(xù)時間，在工作面回采之前確定變徑直通式導(dǎo)流泄水孔布設(shè)的位置；

步驟二、根據(jù)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(jù)地層發(fā)育情況確定第二段鉆孔孔段的長度；

步驟三、根據(jù)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(biāo)深度，下入第一級套管，并進(jìn)行水泥漿隔離封閉；

步驟五、第一段鉆孔合格后，根據(jù)鉆孔設(shè)計施工第二段鉆孔，施工過程中，不斷往下鉆進(jìn)，穿過洛河組砂巖確保鉆孔達(dá)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(dǎo)致變徑直通式導(dǎo)流泄水孔發(fā)生變形、破壞或堵塞，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔出現(xiàn)孔口吸風(fēng)現(xiàn)象；

步驟七、孔口吸風(fēng)停止時，表明離層空間形成和覆巖調(diào)整穩(wěn)定，此時為變徑直通式導(dǎo)流泄水孔透孔的最佳時間，對變徑直通式導(dǎo)流泄水孔進(jìn)行透孔；

步驟八、根據(jù)變徑直通式導(dǎo)流泄水孔的吸風(fēng)情況，重復(fù)步驟七，進(jìn)行周期性透孔；

步驟九、透孔后，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔結(jié)構(gòu)完整，泄水通道暢通，離層積水通過變徑直通式導(dǎo)流泄水孔均勻持續(xù)下泄；

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

礦用高位離層水疏放的直通式導(dǎo)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(jù)地下水動力學(xué)中非穩(wěn)定流理論可知，在側(cè)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(xù)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(dǎo)水系數(shù)，m²/d；t為抽水延續(xù)時間，d；μ_e為儲水系數(shù)；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(shù)；G(λ)為λ的函數(shù)，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(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，對于不可壓縮黏性流體的穩(wěn)定運(yùn)動而言，沿同一流線上的各點(diǎn)或同一基元流束上的各過水?dāng)嗝骈g的關(guān)系，可知：

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

假設(shè)直通式導(dǎo)流泄水孔出水口為基準(zhǔn)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(shù)；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(nèi)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(dǎo)流泄水孔的第二段鉆孔的孔徑D。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用在洛河組全段設(shè)置裸孔，并根據(jù)鉆孔吸風(fēng)情況進(jìn)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(jié)構(gòu)易被破壞的難題，能保證鉆孔結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定，保證離層水持續(xù)均勻下泄，有效防止離層水體大規(guī)模潰入采掘空間導(dǎo)致的淹工作面、淹井等災(zāi)難性事故發(fā)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(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明直通式導(dǎo)流泄水孔示意圖；

圖4為本發(fā)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(dǎo)流泄水孔，9-洛河組，10-安定組，11-采空區(qū)，12-煤層，13-離層水體，14-冒落帶頂界。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步表述本發(fā)明技術(shù)方案的細(xì)節(jié)及其有點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明采用在洛河組全段設(shè)置裸孔并根據(jù)鉆孔吸風(fēng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)流泄水孔8、洛河組9、安定組10、采空區(qū)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(tǒng)洛河組，J₂a為中侏羅統(tǒng)安定組(泥巖)，J₂z為中侏羅統(tǒng)直羅組，J₂y為中侏羅統(tǒng)延安組。右側(cè)數(shù)字標(biāo)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(guī)疏放水鉆孔施工困難，故使用直通式導(dǎo)流泄水孔。

如圖3所示，礦用高位離層水疏放的直通式導(dǎo)流泄水孔，包括豎直向下鉆設(shè)的變徑直通式導(dǎo)流泄水孔，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔包括第一段鉆孔和第二段鉆孔，第一段鉆孔內(nèi)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(dǎo)流泄水孔的施工方法，包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)工作面周期閉合距、離層發(fā)育層位和離層持續(xù)時間，在工作面回采之前確定變徑直通式導(dǎo)流泄水孔布設(shè)的位置；

步驟二、根據(jù)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(jù)地層發(fā)育情況確定第二段鉆孔孔段的長度；

步驟三、根據(jù)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(biāo)深度，下入第一級套管，并進(jìn)行水泥漿隔離封閉；

步驟五、第一段鉆孔合格后，根據(jù)鉆孔設(shè)計施工第二段鉆孔，施工過程中，不斷往下鉆進(jìn)，穿過洛河組砂巖確保鉆孔達(dá)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(dǎo)致變徑直通式導(dǎo)流泄水孔發(fā)生變形、破壞或堵塞，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔出現(xiàn)孔口吸風(fēng)現(xiàn)象；

步驟七、孔口吸風(fēng)停止時，表明離層空間形成和覆巖調(diào)整穩(wěn)定，此時為變徑直通式導(dǎo)流泄水孔透孔的最佳時間，對變徑直通式導(dǎo)流泄水孔進(jìn)行透孔；

步驟八、根據(jù)變徑直通式導(dǎo)流泄水孔的吸風(fēng)情況，重復(fù)步驟七，進(jìn)行周期性透孔；

步驟九、透孔后，變徑直通式導(dǎo)流泄水孔結(jié)構(gòu)完整，泄水通道暢通，離層積水通過變徑直通式導(dǎo)流泄水孔均勻持續(xù)下泄；

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

礦用高位離層水疏放的直通式導(dǎo)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(jù)地下水動力學(xué)中非穩(wěn)定流理論可知，在側(cè)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(xù)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(dǎo)水系數(shù)，m²/d；t為抽水延續(xù)時間，d；μ_e為儲水系數(shù)；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(shù)；G(λ)為λ的函數(shù)，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(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，對于不可壓縮黏性流體的穩(wěn)定運(yùn)動而言，沿同一流線上的各點(diǎn)或同一基元流束上的各過水?dāng)嗝骈g的關(guān)系，如圖2所示，可知：

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

假設(shè)直通式導(dǎo)流泄水孔出水口為基準(zhǔn)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(shù)；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(nèi)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(dǎo)流泄水孔的第二段鉆孔的孔徑D。

透孔時機(jī)選擇的原理：

隨著煤層不斷被開采，上覆巖層會發(fā)生不同程度的變形破壞，工作面推進(jìn)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(chǎn)生離層，離層形成后為一個負(fù)壓空間，此時變徑直通式導(dǎo)流泄水孔若處于離層影響范圍則會伴隨孔口吸風(fēng)現(xiàn)象，而離層周圍一定范圍內(nèi)洛河組地下水向離層空間內(nèi)流動。

當(dāng)離層空間發(fā)育完成后，吸風(fēng)現(xiàn)象會減弱，此時洛河組含水層對離層空間持續(xù)充水，待離層空間積滿水后，吸風(fēng)也會停止，離層水體形成。

因此在工作面回采期間，可以根據(jù)變徑直通式導(dǎo)流泄水孔的吸風(fēng)現(xiàn)象決定透孔時間，對變徑直通式導(dǎo)流泄水孔進(jìn)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(fēng)現(xiàn)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(diào)整階段，這會導(dǎo)致變徑直通式導(dǎo)流泄水孔發(fā)生變形、破壞或堵塞?？卓谖L(fēng)停止時，表明離層空間形成和覆巖調(diào)整穩(wěn)定，此時為變徑直通式導(dǎo)流泄水孔的最佳時間，可有效保證變徑直通式導(dǎo)流泄水孔鉆孔結(jié)構(gòu)完整和泄水通道暢通，保證使離層水體能夠均勻持續(xù)下泄，有效防止離層水體大規(guī)模潰入采掘空間導(dǎo)致的淹工作面、淹井等災(zāi)難性事故發(fā)生。

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