CN113107589B - 一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，包括：施工地面多分支上倾式水平井，所述上倾式水平井的每个分支孔穿越顶板含水层的富集水区域；施工通向所述顶板含水的富集水区域的大直径排水井，所述大直径排水井与所述上倾式水平井相连通；在所述大直径排水井中下入排水装置，利用所述排水装置进行排水处理。该方法能够克服现存关于煤层顶板水害治理技术不足，能够完全实现区域煤矿未建井之前将所要开采煤层顶板含水层隐患清除，保障整个煤矿从建井至关井期间无顶板水害影响，实现煤层安全高效连续开采。

Description

一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法

技术领域

本发明涉及一种预疏放水方法，属于煤矿水害防治技术领域，具体是涉及一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法。

背景技术

水害作为影响煤矿安全开采因素之一，尤其位于富含水区域煤矿开采期间，如果水害发生，实施救援难度及耗时较大，矿井恢复生产需时较长，可能造成严重生命及财产损失，因此针对于煤矿区域水害超前治理是保障煤矿安全高效连续开采关键工作。造成煤矿开采期间产生水害的水源主要来自于两方面，其一是煤层顶板富集含水岩层，煤层掘进过程产生冒落带或扰动裂隙，致使煤层顶板产生导水通道，造成掘进煤层巷道水害淹井；其二是煤层底板高压含水岩层，煤层掘进过程，造成含水岩层上覆压力减小，致使原有地应力平衡状态遭受破坏，产生扰动裂隙导水通道，从而致使煤矿水害淹井。

现今，针对于煤层底板高压含水岩层水害治理方法主要有两种，其一，通过在煤矿井下沿含水层实施多分支水平定向孔钻进，各分支孔钻进至设计孔深，然后实施注纯水泥或粉煤灰与水泥的混合浆等，替换及封堵含水层水源；其二，通过在煤矿区域地面实施沿含水层实施多分支水平井钻进，各分支孔钻进至设计井深，然后实施注纯水泥或粉煤灰与水泥的混合浆等，替换及封堵含水层水源，第一种方法的实施受限于煤矿井下空间，同时煤矿井下工作环境较差，明显第二种方法优于第一种方法，实施工作空间较大，方便快捷，能够依靠地震勘探等地质资料，完全实现区域煤矿未建井之前针对煤层底板水害治理工作。

目前，针对于煤层顶板富集含水岩层水害治理方法，主要通过在煤矿井下沿着煤层顶板含水层实施多分支水平定向孔钻进，各分支定向孔穿越富集水区域，实现疏放排出含水层的富集水，虽然该方法能够解除煤层顶板水害隐患，但是该方法实施受限于煤矿井下空间，工人矿井下工作环境较差，尤其针对于煤层顶板高压含水岩层，实施煤矿井下定向钻进穿越高压富集水区域期间，富集水沿着定向孔自带高压喷射而出，造成高压水伤人或水淹设备等事故，同时该方法难以实现煤矿建井前的煤层开采工作面顶板水害隐患治理工作，使得计划急需开采煤层工作面停止掘进，待解除煤层顶板水害威胁后，方可进行掘进工作，因此难以保障煤矿连续开采。

发明内容

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。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，该方法能够克服现存关于煤层顶板水害治理技术不足，能够完全实现区域煤矿未建井之前将所要开采煤层顶板含水层隐患清除，保障整个煤矿从建井至关井期间无顶板水害影响，实现煤层安全高效连续开采。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，包括：

施工地面多分支上倾式水平井，所述上倾式水平井的每个分支孔穿越顶板含水层的富集水区域；

施工通向所述顶板含水的富集水区域的大直径排水井，所述大直径排水井与所述上倾式水平井相连通；

在所述大直径排水井中下入排水装置，利用所述排水装置进行排水处理。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，在所述大直径排水井底部从外至内依次设置有大直径排水井表层套管(4)、大直径排水井技术套管(5)、大直径排水井三开大尺寸钢筛管(6)；所述上倾式水平井通过所述三开大尺寸钢筛管(6)与大直径排水井连通。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，所述大直径排水井的中心位于所述上倾式水平井的着陆点和侧钻点连线的中点上；所述着陆点为所述上倾式水平井的造斜段在顶板含水层底部的着陆点，所述侧钻点为所述上倾式水平井的分支孔的起点。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，所述多分支上倾式水平井所有分支孔均从同一个侧钻点侧钻钻取多分支水平分支孔，所述各分支孔均为从侧钻点开始增井斜、调整方位钻取获得的多个上倾式分支孔。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，所述多分支上倾式水平井采用三开井身设计，其中，一开设计Φ349.25mm钻头钻入稳定基岩5m，下入Φ273.05mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面；二开主孔设计Φ222.25mm钻头定向钻进至设计水平着陆点于顶板含水层底部，下入Φ200.03mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面；三开主孔设计Φ152.4mm钻头从着陆点沿顶板含水层底部水平钻进约5m处即侧钻点；所述上倾式水平井所有分支孔均从同一个侧钻点侧钻钻取多分支水平分支孔。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，所述大直径排水井钻进至顶板含水层以下的过渡层顶界面以下。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，在所述多分支上倾式水平井的分支孔前端下入易溶于碱性液体的反向可溶式桥塞；在所述大直径排水井钻穿桥塞后，向循环钻井液中加入碱性材料以溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞。

优选的，上述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，所述大直径排水井采用三开井深结构，其中：一开采用小尺寸Φ152.4mm钻头沿着多分支上倾式水平井二开主孔着陆点与三开侧钻点之间的垂直中轴线实施先导孔钻进，实现先导孔与多分支水平井连通，位于顶板含水层顶界面上1m处，下入可钻性桥塞封堵，保障后续大直径井分级扩孔钻进正常循环作业；一开分级扩钻进至稳定基岩，井径扩至900mm，下入Φ720mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面，二开分级扩至顶板含水层顶界面处，井径扩至650mm，下入Φ540mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面，三开钻穿桥塞后分级扩孔钻进至顶板含水层以下的过渡层顶界面下5m处，设计作为储水仓，具体水仓深度可根据实际情况确定，但是需要确保水仓底面距离煤层顶界面厚度不少于3m，三开井径扩至500mm，然后向循环钻井液中加入纯碱将钻井液PH值调至碱性，溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞，使得富集于顶板含水层的水流经各分支孔进入大直径排水井内，通过将循环钻井液的泥浆泵排量调大，清洗大直径排水井内沉渣，然后下入大尺寸Φ460mm钢筛管到至井底。

因此，相对于现有技术，本发明具备有以下优点：(1)能够实现煤矿建井前治理煤层顶板水害威胁，即地面超前治理煤层顶板水害威胁；(2)将煤层底板水害治理施工环境从煤矿井下转移至地面，工人工作施工环境更加友好；(3)采用可溶式桥塞封堵已钻分支，能够避免地层水影响钻井液性能，同时钻进完成后溶解桥塞，避免了磨铣桥塞的工序；(4)依据煤矿区域地震及其它勘探地质资料，本发明联合地面多分支水平定向井沿煤层底板含水岩层钻进及注浆治理水害的方法，能够完全实现整个区域煤矿未建矿井之前将所要开采煤层的顶、底板水害威胁消除，即实现煤矿区域化水害治理，能够保证整个煤矿从建井至关井期间无水害影响，实现煤层安全高效连续开采。

附图说明

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。

图1为本发明的垂直井井身结构示意图。

图2为本发明的水平投影井位及井轨迹部署示意图。

图3为本发明的水平投影井位及井轨迹部署示意图局部放大图。

将参照附图描述本发明的实施例。

图中，多分支上倾式水平井表层套管1、多分支上倾式水平井技术套管2、多分支上倾式水平井三开小尺寸钢筛管3、大直径排水井表层套管4、大直径排水井技术套管5、大直径排水井三开大尺寸钢筛管6、潜水泵7、排水管8、顶板含水层9、过渡层10、煤层11、悬挂器12、着陆点13、侧钻点14。

具体实施方式

实施例

下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法通过钻取一口地面多分支上倾式水平井与一口大直径排水井，位于大直径井内下入大功率、大扬程潜水泵，将流经多分支上倾式水平井三开筛管内的顶板富集水从大直径排水井井底排出地面加以利用，以此实现煤层顶板含水层地面超前预疏放水。

所述地面多分支上倾式水平井设计三开井身结构，一开设计Φ349.25mm钻头钻入稳定基岩5m，下入Φ273.05mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面，二开主孔设计Φ222.25mm钻头定向钻进至设计水平着陆点于顶板含水层底部，下入Φ200.03mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面，三开主孔设计Φ152.4mm钻头从着陆点沿顶板含水层底部水平钻进约5m处即侧钻点，三开所有分支孔均从同一个侧钻点侧钻钻取多分支水平分支孔，能够高效控制侧钻成功几率，同时可借鉴该侧钻点上个分支孔侧钻数据，能够方便快捷实时监测本分支孔侧钻成功与否。

各分支孔均从侧钻点开始增井斜、调整方位钻取多个上倾式分支孔，多个上倾式分支孔水平面布孔孔间距约为30～45m，设计每个分支孔穿越顶板含水层的富集水区域，每个分支孔钻进至设计深度，下入三开小尺寸抗高压Φ130mm钢筛管，无需注纯水泥固井，着陆点与侧钻点之间不下入三开小尺寸钢筛管，对位于各分支孔最前端(距离竖井近端)下入易溶于碱性液体的反向可溶式桥塞，分支孔内水压越大，桥塞坐封越紧密，以免所钻成分支孔疏放顶板含水层的水影响下一个分支孔钻进过程钻井液性能，以此类推钻取所设计的多个分支孔。着陆点与侧钻点之间将通过大直径排水井下入大尺寸钢筛管，因此，着陆点与侧钻点之间不下入三开小尺寸钢筛管必须保证着陆点与侧钻点之间空余，以便于大尺寸钢筛管下入。

所述大直径排水井采用三开井深结构，首先采用小尺寸Φ152.4mm钻头沿着多分支上倾式水平井二开主孔着陆点与三开侧钻点之间的垂直中轴线实施先导孔钻进，实现先导孔与多分支水平井连通，位于顶板含水层顶界面上1m处，下入可钻性桥塞封堵，保障后续大直径井分级扩孔钻进正常循环作业。一开分级扩钻进至稳定基岩，井径扩至900mm，下入Φ720mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面，二开分级扩至顶板含水层顶界面处，井径扩至650mm，下入Φ540mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面，三开钻穿桥塞后分级扩孔钻进至顶板含水层以下的过渡层顶界面下5m处，设计作为储水仓，具体水仓深度可根据实际情况确定，但是需要确保水仓底面距离煤层顶界面厚度不少于3m，三开井径扩至500mm，然后向循环钻井液中加入纯碱将钻井液PH值调至碱性，溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞，使得富集于顶板含水层的水流经各分支孔进入大直径排水井内，通过将循环钻井液的泥浆泵排量调大，清洗大直径排水井内沉渣，然后下入大尺寸Φ460mm钢筛管到至井底，大尺寸钢筛管于上端通过悬挂装器悬挂于大直径井技术套管鞋处。

下面结合附图1-2，具体介绍本实施例的流程。本实施例的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，包括：

(1)根据前期煤矿区域地震及其它勘探地质资料，确定所需要疏放水的煤层顶板层位，进行地面多分支上倾式水平井与大直径井的井位部署，确定具体的各井口相对位置坐标，进行各井的井身结构及轨道设计。

(2)实施地面多分支上倾式水平井钻进，多分支上倾式水平井采用三开井身结构，一开采用Φ349.25mm钻头钻入稳定基岩5m，下入Φ273.05mm表层套管1，固井纯水泥浆返至地面，二开主孔采用Φ222.25mm钻头定向钻进至设计水平着陆点13于顶板含水层9底部，下入Φ200.03mm技术套管2，固井纯水泥浆返至地面，三开采用Φ152.4mm钻头从着陆点13沿顶板含水层9底部水平钻进约5m处即侧钻点14，开始增井斜、调整方位钻取多个上倾式分支孔，多个上倾式分支孔水平面布孔(如附图2)孔间距约为30～50m，设计每个分支孔穿越顶板含水层9的富集水区域，每个分支孔钻进至设计深度，下入三开小尺寸Φ130mm钢筛管3无需注纯水泥固井，着陆点13与侧钻点14之间不下入三开小尺寸钢筛管3，对位于各分支孔最前端下入易溶于碱性液体的反向可溶式桥塞，分支孔内水压越大，桥塞坐封越紧密，以免所钻成分支孔疏放顶板含水层9的水影响下一个分支孔钻进过程钻井液性能，以此类推钻取所设计的多个分支孔。

(3)实施大直径排水井钻进，大直径排水井采用三开井身结构，大直径排水井的实施首先采用小尺寸Φ152.4mm钻头沿着多分支上倾式水平井二开主孔着陆点13与三开侧钻点14之间的垂直中轴线实施先导孔钻进，实现先导孔与多分支上倾式水平井连通，位于顶板含水层9顶界面下1m处，下入可钻性桥塞封堵，保障后续大直径排水井分级扩孔钻进正常循环作业。其中，先导孔钻穿含水层后，先导孔与多分支上倾式水平孔相连通，下入可钻性桥塞，使得位于煤层顶板含水层顶界面以上的先导孔暂时封闭，能够保障后续先导孔通过分级扩孔成为大直径排水井的正常钻进过程钻井液循环正常，扩孔结束，钻穿桥塞。一开分级扩钻进至稳定基岩，井径扩至900mm，下入Φ720mm表层套管4，固井纯水泥浆返至地面，二开分级扩至顶板含水层9顶界面处，井径扩至650mm，下入Φ540mm技术套管5，固井纯水泥浆返至地面，三开钻穿桥塞后分级扩孔钻进至顶板含水层9以下过渡层10顶界面下5m处，作为储水仓，具体水仓深度可根据实际情况确定，但是需要确保水仓底面距离煤层11顶界面厚度不少于3m，三开井径扩至500mm，然后向循环钻井液中加入纯碱将钻井液PH值调至碱性，溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞，使得富集于顶板含水层9的水流经各分支孔进入大直径排水井内，通过将循环钻井液的泥浆泵排量调大，清洗大直径排水井内沉渣，然后下入大尺寸Φ460mm钢筛管6至井底，大尺寸钢筛管6于上端通过悬挂器12悬挂于大直径井技术套管5套管鞋处。

(4)在位于大直径排水井内下入大功率、大扬程的潜水泵7、安装连接防水电缆、排水管线8等，通过利用潜水泵7将流经多分支上倾式水平井三开筛管3内顶板含水层9的富集水从大直径排水井井底水仓排至地面加以利用，以此实现煤层11顶板含水层9地面超前预疏放水，潜水泵7下入储水仓内，下入深度距离井底2m，所剩余2m空间用于砂石沉积。

通过以上描述可知，本实施例能够实现煤矿建井前治理煤层顶板水害威胁，即地面超前治理煤层顶板水害威胁；本实施例将煤层底板水害治理施工环境从煤矿井下转移至地面，工人工作施工环境更加友好；本实施例采用可溶式桥塞封堵已钻分支，能够避免地层水影响钻井液性能，同时钻进完成后溶解桥塞，避免了磨铣桥塞的工序；本实施例依据煤矿区域地震及其它勘探地质资料，本发明联合地面多分支水平定向井沿煤层底板含水岩层钻进及注浆治理水害的方法，能够完全实现整个区域煤矿未建矿井之前将所要开采煤层的顶、底板水害威胁消除，即实现煤矿区域化水害治理，能够保证整个煤矿从建井至关井期间无水害影响，实现煤层安全高效连续开采。

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。

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。

Claims (4)

1.一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，其特征在于，包括：

施工地面多分支上倾式水平井，所述上倾式水平井的每个分支孔穿越顶板含水层的富集水区域；

施工通向所述顶板含水的富集水区域的大直径排水井，所述大直径排水井与所述上倾式水平井相连通；

在所述大直径排水井中下入排水装置，利用所述排水装置进行排水处理;

在所述大直径排水井底部从外至内依次设置有大直径排水井表层套管（4）、大直径排水井技术套管（5）、大直径排水井三开大尺寸钢筛管（6）；所述上倾式水平井通过所述三开大尺寸钢筛管（6）与大直径排水井连通；

所述大直径排水井的中心位于所述上倾式水平井的着陆点和侧钻点连线的中点上；所述着陆点为所述上倾式水平井的造斜段在顶板含水层底部的着陆点，所述侧钻点为所述上倾式水平井的分支孔的起点;

所述多分支上倾式水平井所有分支孔均从同一个侧钻点侧钻钻取多分支水平分支孔，所述各分支孔均为从侧钻点开始增井斜、调整方位钻取获得的多个上倾式分支孔;

所述多分支上倾式水平井采用三开井身设计，其中，一开设计Φ349.25mm钻头钻入稳定基岩5m，下入Φ273.05mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面；二开主孔设计Φ222.25mm钻头定向钻进至设计水平着陆点于顶板含水层底部，下入Φ200.03mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面；三开主孔设计Φ152.4mm钻头从着陆点沿顶板含水层底部水平钻进约5m处即侧钻点；所述上倾式水平井所有分支孔均从同一个侧钻点侧钻钻取多分支水平分支孔。

2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，其特征在于，所述大直径排水井钻进至顶板含水层以下的过渡层顶界面以下。

3.根据权利要求1所述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，其特征在于，在所述多分支上倾式水平井的分支孔前端下入易溶于碱性液体的反向可溶式桥塞；在所述大直径排水井钻穿桥塞后，向循环钻井液中加入碱性材料以溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞。

4.根据权利要求1所述的一种煤层顶板含水层地面超前预疏放水方法，其特征在于，所述大直径排水井采用三开井深结构，其中：一开采用小尺寸Φ152.4mm钻头沿着多分支上倾式水平井二开主孔着陆点与三开侧钻点之间的垂直中轴线实施先导孔钻进，实现先导孔与多分支水平井连通，位于顶板含水层顶界面上1m处，下入可钻性桥塞封堵，保障后续大直径井分级扩孔钻进正常循环作业；一开分级扩钻进至稳定基岩，井径扩至900mm，下入Φ720mm表层套管，固井纯水泥浆返至地面，二开分级扩至顶板含水层顶界面处，井径扩至650mm，下入Φ540mm技术套管，固井纯水泥浆返至地面，三开钻穿桥塞后分级扩孔钻进至顶板含水层以下的过渡层顶界面下5m处，设计作为储水仓，具体水仓深度可根据实际情况确定，但是需要确保水仓底面距离煤层顶界面厚度不少于3m，三开井径扩至500mm，然后向循环钻井液中加入纯碱将钻井液PH值调至碱性，溶解各上倾式分支水平孔前端桥塞，使得富集于顶板含水层的水流经各分支孔进入大直径排水井内，通过将循环钻井液的泥浆泵排量调大，清洗大直径排水井内沉渣，然后下入大尺寸Φ460mm钢筛管到至井底。