一种富水含水层长距离钻孔疏放方法

技术领域

本发明属于煤与煤层气开采和水资源保护技术领域，具体涉及一种富水含水层长距离钻孔疏放方法。

背景技术

风化基岩层作为地球关键带的主要组成部分，联系其上层土壤水分变动和地下水补给，在陆地表层生态水文循环中扮演着重要角色，是西北地区主要含水层之一。烧变岩是煤层自燃后形成的一种特殊岩层，在我国西北地区广泛分布，烧变岩裂隙发育，为地下水径流、储存提供了良好的空间，是西部浅埋矿区常见的一种含水层。风化基岩和烧变岩含水层压覆大量煤炭资源，在其下方、侧方采煤时可能导致富水含水层水涌入矿井，给煤矿安全生产带来极大的威胁。目前，通常采用井下施工仰斜钻孔疏放富水含水层水，疏放的烧变岩水与矿其它井水要在混合后进入井下排水管，经排水管路汇集至井下中央水仓，再由中央水仓排至地表水处理厂处理达标后利用或排放。这种方法主要存在以下缺陷：仰斜钻孔施工会破坏煤层顶板岩体的完整性，增加顶板安全风险，导致在煤层开采过程中存在突水威胁；顶板富水含水层井下疏放需施工大量的仰斜钻孔，施工步骤繁琐且成本高；井下抽排水、污水处理等费用高，且洁净的烧变岩水与井下其它水混合后产生污染，需要二次处理，进一步增加了矿井排水工序、排水费用和水处理费用，还浪费了宝贵的地下水资源。

为有效疏放和利用矿山顶板富水含水层水资源，达到保障矿山安全、减少矿井疏排水量、保护和利用顶板水资源的目标，亟需开发一种富水含水层水资源的高效疏放方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种富水含水层长距离钻孔疏放方法，以解决现有技术中煤层开采过程中存在突水威胁，施工复杂且水处理费用高的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种富水含水层长距离钻孔疏放方法，包括以下步骤：

步骤1、在矿区范围内，利用地面物探设备初步圈定富水含水层的边界范围和最低点；

步骤2、在步骤1圈定的富水含水层的边界范围内设置多个探查钻孔，进一步探明富水含水层的边界范围和最低点；

步骤3、在步骤2确定的富水含水层的边界范围内，通过水文地质测试获得富水含水层的水文地质参数，并根据得到的水文地质参数确定富水含水层的疏水量和疏水时间；

步骤4、在下游沟谷中布设定向钻机，通过定向钻机向富水含水层的最低点施工长距离定向钻孔至终孔点停止施工；

步骤5、在位于下游沟谷中的定向钻孔出口位置设置钢筋混凝土墙和泥浆保压防漏装置，所述泥浆保压防漏装置一端与定向钻孔连通，另一端经钢筋混凝土墙中穿出；所述泥浆保压防漏装置内设置有环空，经环空将疏水管道推送到设计位置；

步骤6、在疏水管道头端对应的地表设置垂直钻孔钻机，施工垂直钻孔至与定向钻孔连通，经垂直钻孔向疏水管道与定向钻孔间的空隙灌注固管浆液，借助固管浆液将管道固结在定向钻孔内；

步骤7、经垂直钻孔将炸药送至定向钻孔与富水含水层之间的地层中进行松散爆破，实现疏水管道与富水含水层的连通，借助疏水管道对富水含水层中的水进行疏放。

本发明还具有以下技术特征：

具体的，步骤2所述的水文地质参数包括富水含水层的顶界面位置、底界面位置、渗透系数、初始水位高程、疏放至最低点时的水位高程、外界动态补给量、静态储水量，以及下组煤与上组煤之间岩层的剪切应力τ。

更进一步的，所述终孔点与富水含水层最低点的垂向距离满足以下条件：

式中：

S为定向钻孔与富水含水层最低点的垂向距离，单位为m；

m为安全系数，地层完整时取值1，地层破碎时取值2～3；

γ

H

H

D

τ为下组煤与上组煤之间岩层的剪切应力，单位为Pa。

更进一步的，所述疏水管道的外径为325～660mm，内径为315～650mm。

更进一步的，所述泥浆保压防漏系统包括同轴套设的管体和环状轴，所述管体与环状轴之间设置有钢球，所述钢球分别与管体和环状轴滚动连接。

更进一步的，所述管体包括外管和内管，所述外管内壁上沿周向阵列式布置有多个第一凹槽，所述凹槽内嵌设有钢球，所述钢球经开设在内管上的第二凹槽穿出，所述钢球分别与外管和内管滚动连接。

更进一步的，所述环状轴的内腔中设置有密封抗压材料层。

更进一步的，步骤3所述的疏水量通过以下公式确定：

式中：

Q

K

H

H

R为爆破松散区汇水影响半径，m；

D为爆破松散区直径，m。

更进一步的，所述富水含水层的疏放时间通过以下公式确定：

式中：

Q

Q

Q

N为疏放水时间，单位为年。

更进一步的，将疏水管道推送到设计位置的过程中，疏放管道推送力满足以下条件：

式中：

F

F为疏水管道在定向钻孔中的前行阻力；

f为管道与钻孔孔壁的摩擦系数；

γ

γ

D

D

L为输送管道长度，单位为m。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明方法通过计算富水含水层的疏水量和疏水时间，并构建了与富水含水层相连的定向钻孔，确定了长距离定向钻孔的开孔位置和终孔位置、钻孔终点位置与含水层之间的最小垂向距离，保障定向钻孔施工过程中顶板岩体的稳定性，避免因水压过大、隔水岩层太薄而导致钻孔坍塌和烧变岩水溃入钻孔，然后可以根据下游使用需求对矿山顶板富水含水层水进行利用，实现了矿山顶板富水含水层水的超前疏放与利用。

(2)本发明方法通过设置泥浆保压防漏系统，避免了长距离定向钻孔中泥浆的外溢和外漏，实现了管道推送过程中维持钻孔中泥浆满孔的状态，大幅提升了泥浆对长距离管道的浮托力，减小了外侧定向钻机对管道的推送力，将传统的管道回拖方法变革为管道推送模式，提高了施工效率，大幅度缩短了施工工期。

(3)本发明方法通过定向松散爆破使得长距离定向钻孔中疏水管道入口端岩体裂隙的渗透系数大幅度增加，加大了疏水管道与富水含水层之间的水力联系，提高了疏送效率，确保了下游农业灌溉、工业用水或生活用水的量，同时可根据富水含水层的水质情况精准对接使用方和使用途径，实现了水资源的分质利用。

附图说明

图1为实施例1的富水含水层物探探测示意图；

图2为实施例1的富水含水层检测孔边界探查示意图；

图3为实施例1的长距离定向钻孔施工示意图；

图4为实施例1的钢筋混凝土墙与长距离钻孔连接示意图；

图5为实施例1的钢筋混凝土墙截面图；

图6为实施例1的泥浆保压防漏系统剖视图；

图7为实施例1的疏水管道安装示意图；

图8为实施例1的富水含水层水疏放示意图。

图中符号含义：

1、沙层；2、上覆土层；3、风化基岩层；4、上覆岩层；4-1、未烧变岩层；4-2、烧变岩层；5、上组煤；5-1、实体煤；5-2、燃烧后煤层；6、下组煤与上组煤之间岩层；7、下组煤；8、富水含水层；9、导水裂缝带；10、物探仪器；11、探查钻孔；12、定向钻机；13、定向钻孔；14、钢筋混凝土墙；14-1、纵向钢筋；14-2、横向钢筋；14-3、混凝土；15、泥浆保压防漏系统；151、管体；152、环状周；153、钢球，154密封抗压材料层；16、泥浆，17、疏水管道；18、闸阀；19、垂直钻孔；20、炸药；21、爆破松散区；

1511、外管；1512、内管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

需要说明的是，本实施例中的物探设备均为现有设备或，物探方法均为现有技术中的常规方法。

实施例1

遵循上述技术方案，本实施例提供了一种富水含水层长距离钻孔疏放方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在矿区范围内，利用地面物探设备初步圈定富水含水层的边界范围和最低点；

如图1所示，在矿区范围内的地面、钻孔布置物探仪器10，对矿区范围内自上而下排布的沙层1、上覆土层2、风化基岩层3、未烧变岩层4-1、烧变岩层4-2、上组煤实体煤5-1、燃烧后煤层5-2、下组煤与上组煤之间岩层6、下组煤7进行探查，并初步确定富水含水层8的边界范围和和最低点。

受富水含水层8的影响，下组煤7开采时，煤层上覆岩层垮落形成导水裂缝带9，波及富水含水层8，富水含水层8的水将通过导水裂缝带9溃入下组煤7的回采面，进而发生淹井事故，因此，需要进行疏水处理。

步骤2、如图2所示，在步骤1圈定的富水含水层的边界范围内设置多个探查钻孔，进一步探明富水含水层的边界范围和最低点；

步骤3、在步骤2确定的富水含水层的边界范围内，通过水文地质测试获得富水含水层的水文地质参数，并根据得到的水文地质参数确定富水含水层的疏水量和疏水时间；

所述的水文地质参数包括富水含水层的顶界面位置、底界面位置、渗透系数、初始水位高程、疏放至最低点时的水位高程、外界动态补给量、静态储水量，以及下组煤与上组煤之间岩层的剪切应力τ。

本实施例中所用的水文地质测试包括钻孔抽水试验、水化学测试、示踪试验、室内岩石力学测试，以及其他能够获取上述参数的现有测试方法。

所述的疏水量通过以下公式确定：

式中：

Q

K

H

H

R为爆破松散区汇水影响半径，m；

D为爆破松散区直径，m。

其中，K

所述富水含水层的疏放时间通过以下公式确定：

式中：

Q

Q

Q

N为疏放水时间，单位为年。

步骤4、如图3所示，在下游沟谷中布设定向钻机，通过定向钻机向富水含水层的最低点施工长距离定向钻孔至终孔点停止施工；在设计长距离定向钻孔时，长距离定向钻孔13的直径0.50m≤D

所述终孔点与富水含水层最低点的垂向距离满足以下条件：

式中：

S为定向钻孔与富水含水层最低点的垂向距离，单位为m；

m为安全系数；

γ

H

H

D

τ为下组煤与上组煤之间岩层的剪切应力，单位为Pa。

其中，m根据地层破碎程度进行取值，当岩体完整性指数＞0.75时，岩体完整，m取值1；当岩体完整性指数介于0.55～0.75时，岩体较完整，m取值1.5；当岩体完整性指数介于0.35～0.55时，岩体较破碎，m取值2；岩体完整性指数介于0.15～0.15时，岩体破碎，m取值2.5；岩体完整性指数＜0.15时，岩体极破碎，m取值3。

γ

本实施例中，考虑到实际施工成本和施工时间，取

步骤5、如图4所示，在位于下游沟谷中的定向钻孔出口位置设置钢筋混凝土墙和泥浆保压防漏装置，所述泥浆保压防漏装置一端与定向钻孔连通，另一端经钢筋混凝土墙中穿出；所述泥浆保压防漏装置内设置有环空，经环空将疏水管道送入定向钻孔；

具体的，如图5和图6所示，钢筋混凝土墙用于支撑泥浆保压防漏装置，由纵向钢筋14-1、横向钢筋14-2和混凝土14-3构成，纵向钢筋14-1间距150～300mm，横向钢筋14-2间距150～300mm，纵向钢筋14-1和横向钢筋14-2交叉部位采用钢丝绑扎为一体，钢筋绑扎完成后，浇筑混凝土14-3。

所述泥浆保压防漏系统15包括同轴套设的管体151和环状轴152，所述管体151与环状轴152之间设置有钢球153，所述钢球153分别与管体151和环状轴152滚动连接。环状轴152中间设置有贯通的通孔，形成可供疏水管道穿过的环空，且环状轴152包括同轴套设的环状轴外壁和环状轴内壁，环状轴外壁和环状轴内壁之间形成内腔。所述内腔中设置有密封抗压材料层。密封抗压材料层能够与输送管贴合。

所述管体151包括外管1511和内管1512，所述外管1511内壁上沿周向阵列式布置有多个第一凹槽，所述凹槽内嵌设有钢球153，所述钢球13经开设在内管1512上的第二凹槽穿出，所述钢球153分别与外管1511和内管1512滚动连接。

如图7所示，所述疏水管道的外径为325～660mm，内径为315～650mm。疏水管道17的前端加工为圆球形尖头，便于在定向钻孔13中前行，避免与孔壁摩擦，阻滞前行。送入定向钻孔13中的疏水管道17是密封的，泥浆无法进入管道17内部。

所述疏水管道17在定向钻孔13中受泥浆16的浮力作用，疏水管道17像船一样漂浮在定向钻孔13的泥浆16中，疏放管道17推送力满足以下条件，就可以保障长距离管道顺利推送至设计位置。

式中：

F

F为疏水管道在定向钻孔中的前行阻力；

f为管道与钻孔孔壁的摩擦系数；

γ

γ

D

D

L为输送管道长度，单位为m。

通过计算疏水管道在定向钻孔中的前行阻力可以确定调整钻具的推力，进而可以指导现场泥浆调配，保障输水管道在定向钻孔中的前行阻力最低，减少定向钻机的推送力，在最小推力和最优组合情况下推动输水管道安放在设计位置。在疏水管道达到设计位置后，关闭设置在疏水管道出口端的闸阀18，闸阀18位于钢筋混凝土墙外侧。

步骤6、在疏水管道头端对应的地表设置垂直钻孔钻机，施工垂直钻孔至与定向钻孔连通，经垂直钻孔向疏水管道与定向钻孔间的空隙灌注固管浆液，借助固管浆液将管道固结在定向钻孔内；

步骤7、如图8所示，经垂直钻孔19将炸药20送至定向钻孔与富水含水层之间的地层中进行松散爆破，实现疏水管道17与富水含水层的连通，借助疏水管道17对富水含水层中的水进行疏放。

从疏放量计算公式还可以看出，渗透系数越大，疏放量越大，通过松散爆破使得渗透系数变大，通过定向钻孔疏放的水量也就大大增加。

传统管道采用的回拖方式，即通过定向钻孔从一端拉着疏水管道回拖至另一端，回拖过程中，定向钻孔内的泥浆与外侧是连通的，泥浆会不断流出定向钻孔的孔口，达不到满孔状态，疏水管道一直与钻孔底部接触，摩擦力大，回拖的阻力大。

本实施例中，将传统的管道回拖方法变革为管道推送模式，提高了施工效率，大幅度缩短了施工工期。此外，本实施例中，通过定向爆破，使得长距离定向钻孔中疏水管道入口端岩体裂隙的渗透系数大幅度增加，加大了疏水管道与富水含水层之间的水力联系，提高了水疏送效率约3～10倍，缩短了疏放时间约40％～90％，确保了能够满足下游农业灌溉、工业用水或生活用水的量的需求，同时可根据富水含水层的水质情况，精准对接使用方和使用途径，实现了水资源的分质利用。

上述实施过程仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。