一种矿井强含水层的疏放水方法与流程

1.本发明属于煤矿水害防治与水资源利用技术领域，具体涉及一种矿井强含水层的疏放水方法。


背景技术：

2.我国西北地区分布着大面积的煤层火烧区，这些火烧区是地质历史时期煤层自燃形成的。在煤层燃烧煤炭资源湮灭损失之后，煤层顶板一定范围内的岩层经烧融、烧结、烘烤及坍塌后，形成了烧变岩。烧变岩的岩体裂隙发育连通性好，地下水水位以下富水性强，对侧帮尤其是下覆煤层开采威胁和影响极大。
3.西部矿区部分煤矿井田内发育有大范围火烧区，上部煤层全部烧变。同层煤开采遇到保护煤柱厚度不足时，侧帮烧变岩易发生突水事故，下组煤工作面进入火烧区下面时，顶板烧变岩易发生突水事故，烧变岩水害问题日益严重。如榆神矿区已查明火烧区700km2，压覆煤炭储量约为30亿t，随着矿井开采逐步由条件简单区域向条件复杂区域推进，烧变岩水害问题日益凸显。受烧变岩影响，煤矿开采过程中，大量烧变岩水进入矿井，一方面威胁矿井安全生产，另一方面给矿井增加高昂的排水费用和水处理费用，对宝贵地下水资源造成巨大的浪费。
4.为有效防治煤矿烧变岩水害和保护地下水资源，达到保障矿井安全、减少矿井涌水量和有效利用地下水资源的绿色开采目标，亟需开发一种针对烧变岩强含水层的疏放水方法，实现烧变岩水害防治与综合利用，保障煤矿绿色安全高效生产，解决西北地区普遍存在的烧变岩水害问题。
5.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，提供一种矿井强含水层的疏放水方法，该方法能够克服现存关于煤层顶板水害治理技术不足，能够实现在上组煤工作面采煤塌陷区附近层位中施工一个大口径水源井，且水源井的供水量不小于100m3/h，矿从建井至关井期间无顶板水害影响，能够提高下组煤以上地层层位的控制程度，为后序塌陷区治理提供依据。
6.为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
7.一种矿井强含水层的疏放水方法，该方法包括如下步骤：
8.步骤一：根据地形地质条件，结合物探及钻探方法，确定垂直大口径疏降井的平面位置和钻孔结构，所述的垂直大口径疏降井包括单口疏降井或多口疏降联合井，所述的多口疏降联合井包括中心井和多个外围井；
9.步骤二：采用全套管全回转钻进工艺，穿透上部层位，将施工套管跟管钻进的孔底布置于强含水层底板以下位置；
10.步骤三：制作滤水套管，滤水套管长度和孔深相等，将滤水套管对应强含水层段及含水层底板以下深度处设置为可进水的花管段；
11.步骤四：将滤水套管下至孔底，上提施工套管，使施工套管底端略低于含水层底板；滤水套管外侧顺长均匀设置有多根环状注浆管和一根底部注浆管，底部注浆管穿过滤
水套管底端开口处，水平或斜向布置于滤水套管内部；
12.步骤五：通过底部注浆管向滤水套管内进行注浆，将滤水套管下部注死，待注浆液凝固；
13.步骤六：滤水套管底部注浆完成后，通过环状注浆管对滤水套管外侧进行注浆，直至花管段最下端有浆液流进滤水套管中，之后停止注浆；
14.步骤七：依次拔出工具管和施工套管，同时对强含水层底部及强含水层段进行填砾，在填砾的强含水层上部环状填入一段粘土，在粘土上环状间歇注入水泥浆进行固井；
15.步骤八：在滤水套管中花管段以下一定位置下入气囊，并使气囊膨胀；
16.步骤九：在垂直大口径疏降井地面一侧确立周围确定长距离近水平井位置，长距离近水平井包括水平井引孔段和水平井疏水段；
17.步骤十：采用非开挖钻机，在地面施工水平井引孔段，并从滤水套管中气囊以下段贯穿垂直大口径疏降井，直至形成水平井疏水段；
18.步骤十一：通过非开挖钻头由水平井疏水段的疏放水孔回拖水平井套管至垂直大口径疏降井中，然后继续回拖使水平井套管由水平井引孔段拖出至地面；
19.步骤十二：松开气囊的排气阀门，使其放气后将气囊从滤水套管中提出；
20.步骤十三：将垂直大口径疏降井内的水平井套管沿滤水套管的管壁切断，在水平井引孔段一侧的断口处安装堵孔阀门；
21.步骤十四：将垂直大口径疏降井内的钻孔沉渣从滤水套管中打捞出来；
22.步骤十五：开放水平井疏水段，完成烧变岩含水层的自主疏放水。
23.步骤十中，所述的水平井疏水段的形成方式为：对于单口疏降井则连续近水平定向钻进，直至从混凝土护坡处穿出，形成水平井疏水段；对于多口疏降联合井中的中心井，连续近水平定向钻进，直至从混凝土护坡处穿出，形成水平井疏水段，对于外围井，则连续近水平定向钻进，直至连通中心井或其他外围井，形成多个水平井疏水段。
24.步骤十一中，对于所述的中心井，还包括在水平井套管与混凝土护坡的环状间隙中安装防漏卡垫。
25.步骤十一中，还包括在混凝土护坡处固定水平井套管，并在水平井套管管口处安装阀门。
26.步骤十三中，还包括将垂直大口径疏降井与长距离近水平井的连接处进行焊接。
27.所述的多口疏降联合井中，所述的中心井的烧变岩含水层的水位最高，烧变岩底板以上含水层吃水深度最大。
28.步骤十中，所述的外围井的水平井疏水段与所述的中心井的花管段下方的滤水套管相连通，且外围井的水平井疏水段的疏放水孔高于中心井的水平井引孔段的出口处。
29.所述的步骤一中的垂直大口径疏降井的钻孔结构至少包括工具管和施工套管，其中工具管钻进至基岩以下，施工套管钻至烧变岩底板以下；在施工套管内部设置有滤水管套，滤水管套与施工套管齐平。
30.所述的步骤三中的花管段位于滤水套管在孔内烧变岩段及烧变岩以下3m，形成滤水段。
31.所述的步骤十，在水平井疏水段的疏放水孔处刷坡开挖，之后回填浇筑混凝土护坡。
32.本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
33.1、本发明改变了传统的烧变岩水害防治思路，将烧变岩水井下疏放方式改为地面超前疏放，预先降低了烧变岩水头，减少了烧变岩水对煤炭开采的威胁。
34.2、本发明实现了烧变岩水的治用结合，将地面超前疏放的洁净烧变岩水进行生产、灌溉利用或补给地表河流，大幅度减少了煤矿井下疏放水量、降低了煤矿抽排水费用和水处理的费用。
35.3、本发明的烧变岩强含水层疏放水方法实现了烧变岩水的自流排水，无需泵组抽排，运行过程绿色、高效、环保、安全。
36.4、同时满足煤层工作面采煤塌陷区域治理、生态修复用水需要，能够实现在上组煤工作面采煤塌陷区附近层位单口井疏放供水量不小于100m3/h。
37.5、实现上组煤工作面采煤塌陷区附近层位中心井自流排水。
38.6、还可通过水平定向钻，结合地形、地质条件，实现将多口垂直大口径疏降井联动，实现工作面采煤塌陷区治理及生态修复。
附图说明
39.图1为本发明的工艺流程中单口疏降井固井前结构示意图。
40.图2为本发明的工艺流程中注浆固井结构示意图。
41.图3为本发明的工艺流程中下入气囊并充气结构示意图。
42.图4为本发明的工艺流程中长距离近水平井结构示意图。
43.图5为本发明的工艺流程中切断垂直井内的水平井套管后结构示意图。
44.图6为本发明的垂直大口径疏降井排水状态示意图。
45.图7为本发明的多口疏降联合井并行排布疏放水方式示意图。
46.图中各数字符号分别代表如下含义：
47.1、垂直大口径疏降井，1-1、滤水套管，1-2、花管段，2、施工套管，3、环状注浆管，4、底部注浆管，5、气囊，6、水平井引孔段，7、水平井疏水段，8、水平井套管，9、混凝土护坡，10、防漏卡垫，11、阀门，12、工具管，13、堵孔阀门。
48.以下结合附图及具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细说明。
具体实施方式
49.遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
50.实施例1：
51.参见图1-图6，一种矿井强含水层的疏放水方法，该方法包括如下步骤：
52.步骤一：根据地形地质条件，结合物探及钻探方法，确定垂直大口径疏降井1的平面位置和钻孔结构。
53.本发明可将上组煤工作面煤层烧变岩含水层作为垂直大口径疏降井1的目标含水层。同时烧变岩的含水层水位高，烧变岩底板以上含水层吃水深度大。由于烧变岩积水深度大，富水性强～极强，且同煤层留设有防隔水保护煤柱，因此上组煤工作面回采后上组煤烧
变岩含水层仍完好无损。
54.上组煤层厚度大，煤层回采后导水裂隙带会发育至基岩顶界面，顶板风化带含水层在上组煤工作面回采会塌陷断裂，含水层稳定性差。基岩风化带不宜做为垂直大口径疏降井1的目标含水层。
55.然而虽然理论上，上组煤采空区也可以作为水源井取水的目标层位，但实际上上组煤采空区不宜做为采煤塌陷区治理的取水层位。原因之一是采空区老空水的水源来自基岩风化带，由于基岩风化带含水层本身的富水性弱，因此水源井的取水量没有保障。原因之二是上组煤采空区老空水的水质差，不能直接抽出使用，需要进行污水处理方可疏放使用。
56.本发明的垂直大口径疏降井1孔径大投入高，确定井位非常重要，正式开钻之前，需要先施工探查孔，查清垂直大口径疏降井1预定位置的地层结构以及烧变岩顶底板的标高和岩性，为水源井孔位选位、钻孔设计和钻孔施工提供依据。
57.首先选定探查孔位置及数量，探查孔为三开孔结构，一开孔要求穿过风积沙进入土层中。二开孔要求进入到烧变岩底部新鲜基岩层。三开孔为裸孔抽水段，孔径不小于φ91
㎜
，钻孔钻进至烧变岩底板新鲜基岩10m终孔。通过对探查孔进行冲洗液消耗、烧变岩揭露和抽水试验情况，综合判断每个探查孔的烧变岩地层的给水能力，选取水量最大的探查孔处做为大口径水源井孔位。
58.垂直大口径疏降井1钻孔结构至少包括工具管12和施工套管2，其中工具管12钻进至基岩以下，施工套管2钻至烧变岩底板以下；在施工套管2内部设置有滤水管套1-1，滤水管套1-1与施工套管2齐平。
59.步骤二：采用全套管全回转钻进工艺，穿透上部层位，将施工套管2跟管钻进孔底布置于强含水层底板以下位置；
60.本发明采用无干扰钻进方法施工中不对地层形成干扰，目前垂直大口径疏降井1一般采用全套管全回转无干扰钻进方法，该方法利用大口径套管全孔段跟管钻进，钻进中通过抓斗或旋挖钻头从套管中部挖取孔底岩土，然后顶管机带动套管干钻下行，如此反复施工成孔。
61.步骤三：制作滤水套管1-1，滤水套管1-1长度和孔深相等，将滤水套管1-1对应烧变岩强含水层段及烧变岩含水层底板以下深度处设置为可进水的花管段1-2；
62.花管段1-2位于滤水套管1-1所在烧变岩段及烧变岩以下3m，在孔内形成滤水段。
63.步骤四：将滤水套管1-1下至孔底，上提施工套管2，使施工套管2底端略低于含水层底板；滤水套管1-1外侧顺长均匀设置有多根环状注浆管3和一根底部注浆管4，底部注浆管4穿过滤水套管1-1底端开口处，水平或斜向布置于滤水套管1-1内部；
64.步骤五：通过底部注浆管4向滤水套管1-1内进行注浆，将滤水套管1-1下部注死，待注浆液凝固；
65.步骤六：滤水套管1-1底部注浆完成后，通过环状注浆管3对滤水套管1-1外侧进行注浆，直至花管段1-2最下端有浆液流进滤水套管1-1中，之后停止注浆；
66.步骤七：依次拔出工具管12和施工套管2，同时对强含水层底部及强含水层段进行填砾，在填砾的强含水层上部环状填入一段粘土，在粘土上环状间歇注入水泥浆进行固井；
67.步骤八：在滤水套管1-1中花管段1-2以下一定位置下入气囊5，并使气囊5膨胀，膨胀的气囊5可将滤水套管1-1径向封堵，滤水段渗出的烧变岩水被气囊5封堵，避免影响后期
施工；
68.步骤九：在垂直大口径疏降井1周围确定长距离近水平井位置，长距离近水平井包括水平井引孔段6和水平井疏水段7；
69.步骤十：采用非开挖钻机，在地面施工水平井引孔段6，并从滤水套管1-1中气囊5以下段贯穿垂直大口径疏降井1，然后继续连续近水平定向钻进，从混凝土护坡9处穿出，形成水平井疏水段7，在水平井疏水段7的疏放水孔处刷坡开挖，之后回填浇筑混凝土护坡9；
70.步骤十一：通过非开挖钻头通过水平井疏水段7的疏放水孔回拖水平井套管8至垂直大口径疏降井1中，然后继续回拖使水平井套管8由水平井引孔段6拖出至地面，在水平井套管8与混凝土护坡9的环状间隙中安装防漏卡垫10，避免排放的烧变岩水从环状间隙中渗入护坡，造成泥土流失乃至护坡坍塌；在混凝土护坡9处固定水平井套管8，并在水平井套管8管口处安装阀门11；
71.步骤十二：松开气囊5的排气阀门，使其放气后将气囊5从滤水套管1-1中提出；
72.步骤十三：专业人员下潜至垂直大口径疏降井1底部，将垂直大口径疏降井1内的水平井套管8沿滤水套管1-1的管壁切断，并在水平井引孔段6一侧的断口处安装堵孔阀门13，堵孔阀门13的设置避免井内的烧变岩水在水平井引孔段6蓄积，且在后期维修时可随时打开堵孔阀门13来维修和替换损坏的水平井套管8；
73.专业人员在井下将垂直大口径疏降井1与长距离近水平井的连接处进行焊接，避免蓄积在井内的烧变岩水由断口处渗入地层乃至矿井，减少烧变岩水对煤炭开采的威胁；
74.步骤十四：将垂直大口径疏降井1内的钻孔沉渣从滤水套管1-1中打捞出来；
75.步骤十五：打开阀门11，开放水平井疏水段7，完成烧变岩含水层的自主疏放水。
76.实施例2：
77.本发明还可以实现由多个单口疏降井组成的多口疏降联合井，如图7所示，多口疏降联合井中以垂直大口径疏降井所在烧变岩的含水层水位最高，烧变岩底板以上含水层吃水深度最大为中心井，根据地形地质条件通过水平钻围绕排布多个外围井，中心井水位到其本身的水平井疏水段7的疏放水孔的水头差大，水压高，利于排水，多口外围井的水平井疏水段7的疏放水孔分别与中心井的花管段1-2下方的滤水套管1-1的管壁相连通，也可多口外围井通过水平井疏水段7相连通，最终再于中心井相连通，最终将外围井所收集到的烧变岩水汇集至中心井，再由中心井一并排出，实现工作面采煤塌陷区治理及生态修复。
78.需要说明的是，外围井的水平井疏水段7的疏放水孔高于中心井的水平井引孔段6的出口处，避免中心井内的烧变岩水回灌至外围井内。

技术特征：
1.一种矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一：根据地形地质条件，结合物探及钻探方法，确定垂直大口径疏降井(1)的平面位置和钻孔结构，所述的垂直大口径疏降井(1)包括单口疏降井或多口疏降联合井，所述的多口疏降联合井包括中心井和多个外围井；步骤二：采用全套管全回转钻进工艺，穿透上部层位，将施工套管(2)跟管钻进的孔底布置于强含水层底板以下位置；步骤三：制作滤水套管(1-1)，滤水套管(1-1)长度和孔深相等，将滤水套管(1-1)对应强含水层段及含水层底板以下深度处设置为可进水的花管段(1-2)；步骤四：将滤水套管(1-1)下至孔底，上提施工套管(2)，使施工套管(2)底端略低于含水层底板；滤水套管(1-1)外侧顺长均匀设置有多根环状注浆管(3)和一根底部注浆管(4)，底部注浆管(4)穿过滤水套管(1-1)底端开口处，水平或斜向布置于滤水套管(1-1)内部；步骤五：通过底部注浆管(4)向滤水套管(1-1)内进行注浆，将滤水套管(1-1)下部注死，待注浆液凝固；步骤六：滤水套管(1-1)底部注浆完成后，通过环状注浆管(3)对滤水套管(1-1)外侧进行注浆，直至花管段(1-2)最下端有浆液流进滤水套管(1-1)中，之后停止注浆；步骤七：依次拔出工具管(12)和施工套管(2)，同时对强含水层底部及强含水层段进行填砾，在填砾的强含水层上部环状填入一段粘土，在粘土上环状间歇注入水泥浆进行固井；步骤八：在滤水套管(1-1)中花管段(1-2)以下一定位置下入气囊(5)，并使气囊(5)膨胀；步骤九：在垂直大口径疏降井(1)地面一侧确立周围确定长距离近水平井位置，长距离近水平井包括水平井引孔段(6)和水平井疏水段(7)；步骤十：采用非开挖钻机，在地面施工水平井引孔段(6)，并从滤水套管(1-1)中气囊(5)以下段贯穿垂直大口径疏降井(1)，直至形成水平井疏水段(7)；步骤十一：通过非开挖钻头由水平井疏水段(7)的疏放水孔回拖水平井套管(8)至垂直大口径疏降井(1)中，然后继续回拖使水平井套管(8)由水平井引孔段(6)拖出至地面；步骤十二：松开气囊(5)的排气阀门，使其放气后将气囊(5)从滤水套管(1-1)中提出；步骤十三：将垂直大口径疏降井(1)内的水平井套管(8)沿滤水套管(1-1)的管壁切断，在水平井引孔段(6)一侧的断口处安装堵孔阀门(13)；步骤十四：将垂直大口径疏降井(1)内的钻孔沉渣从滤水套管(1-1)中打捞出来；步骤十五：开放水平井疏水段(7)，完成烧变岩含水层的自主疏放水。2.如权利要求1所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：步骤十中，所述的水平井疏水段(7)的形成方式为：对于单口疏降井则连续近水平定向钻进，直至从混凝土护坡(9)处穿出，形成水平井疏水段(7)；对于多口疏降联合井中的中心井，连续近水平定向钻进，直至从混凝土护坡(9)处穿出，形成水平井疏水段(7)，对于外围井，则连续近水平定向钻进，直至连通中心井或其他外围井，形成多个水平井疏水段(7)。3.如权利要求2所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：步骤十一中，对于所述的中心井，还包括在水平井套管(8)与混凝土护坡(9)的环状间隙中安装防漏卡垫(10)。4.如权利要求3所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：步骤十一中，还包括在混凝土护坡(9)处固定水平井套管(8)，并在水平井套管(8)管口处安装阀门(11)。
5.如权利要求2所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：步骤十三中，还包括将垂直大口径疏降井(1)与长距离近水平井的连接处进行焊接。6.如权利要求2所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：所述的多口疏降联合井中，所述的中心井的烧变岩含水层的水位最高，烧变岩底板以上含水层吃水深度最大。7.如权利要求2所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：步骤十中，所述的外围井的水平井疏水段(7)与所述的中心井的花管段(1-2)下方的滤水套管(1-1)相连通，且外围井的水平井疏水段(7)的疏放水孔高于中心井的水平井引孔段(6)的出口处。8.如权利要求1所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：所述的步骤一中的垂直大口径疏降井(1)的钻孔结构至少包括工具管(12)和施工套管(2)，其中工具管(12)钻进至基岩以下，施工套管(2)钻至烧变岩底板以下；在施工套管(2)内部设置有滤水管套(1-1)，滤水管套(1-1)与施工套管(2)齐平。9.如权利要求1所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：所述的步骤三中的花管段(1-2)位于滤水套管(1-1)在孔内烧变岩段及烧变岩以下3m，形成滤水段。10.如权利要求2所述的矿井强含水层的疏放水方法，其特征在于：所述的步骤十，在水平井疏水段(7)的疏放水孔处刷坡开挖，之后回填浇筑混凝土护坡(9)。

技术总结
本发明公开了一种矿井强含水层的疏放水方法，包括步骤一：确定垂直大口径疏降井的位置和钻孔结构；步骤二：跟管钻进开挖垂直井至强含水层底板以下；步骤三：制作滤水套管；步骤四：下放滤水套管，布设注浆管；步骤五～七：填砾注浆固井；步骤八：下入气囊并充气；步骤九：确定长距离近水平井位置；步骤十：开挖水平井引孔段和水平井疏水段；步骤十一：回拖水平井套管；步骤十二：取出气囊；步骤十三：切断垂直井内的水平井套管；步骤十四：打捞沉渣；步骤十五：开放水平井疏水段。本发明垂直大口径疏降井以及多口疏降联合井，实现了烧变岩水的治用结合，烧变岩水可自流排水，降低烧变岩水头，减少烧变岩水对煤炭开采的威胁，降低治水排水成本。本。本。


技术研发人员：姬中奎 胡俭 陈盼 杨帆 薛小渊 张池 韩强 任智智 王海 贺晓忠
受保护的技术使用者：陕煤集团神木张家峁矿业有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/20