近水平煤層長距離采空區(qū)定向疏水鉆孔選擇方法研究

摘 要：【目的】為解決近水平煤層長距離采空區(qū)定向疏水鉆孔選擇的難題，需要一套量化評價的方法，為礦井探放水工程施工提供依據(jù)。【方法】本研究通過構建近水平煤層長距離采空區(qū)定向疏水鉆孔水量計算模型，以伯努利方程為基礎，綜合分析開孔位置、孔徑、孔深等參數(shù)，推導單孔及分支孔涌水量計算公式?！窘Y果】以母杜柴登煤礦實際施工的采空區(qū)定向疏水鉆孔為例，分析對比計算公式的準確性，同時對近水平煤層條件下單孔與分支孔水量、經(jīng)濟效益進行對比分析?！窘Y論】得出了近水平煤層長距離采空區(qū)定向疏水鉆孔布置的影響因素和選擇方法。該方法準確性較高、計算簡便，為類似礦井采空區(qū)水害治理提供了一定的借鑒和參考。

關鍵詞：近水平；采空區(qū)定向鉆孔；選擇方法

中圖分類號：TD745" "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.009

Study on Selection Method of Directional Drainage Borehole in

Long-Distance Goaf of Near Horizontal Coal Seam

DUAN Haitao

（China Coal Northwest Energy and Chemical Group Co.， Ltd.， Ordos" 017200，China）

Abstract： [Purposes] To solve the problem of selecting directional drainage boreholes for long-distance goaf in near horizontal coal seams， a quantitative evaluation method is needed to provide a basis for the construction of mine water exploration and drainage engineering.[Methods] This article constructs a directional drainage drilling water volume calculation model for long-distance goaf in near horizontal coal seams. Based on the Bernoulli equation， it comprehensively analyzes parameters such as hole position， aperture， and depth， and derives formulas for calculating the water inflow of single and branch holes.[Findings] Taking the directional drainage drilling in the goaf of the Mudu Chaideng coal mine as an example， the accuracy of the calculation formulas was analyzed and compared. At the same time， the water volume and economic benefits of single hole and branch hole under near horizontal coal seam conditions were compared and analyzed.[Conclusions] The influencing factors and selection methods of directional drainage drilling layout in the near horizontal coal seam long-distance goaf have been identified. This method has high accuracy and simple calculation， providing a certain reference and reference for the treatment of water damage in goaf of similar test mines.

Keywords： near horizontal; directional drilling in goaf; selection method

0 引言

母杜柴登煤礦位于鄂爾多斯東南部呼吉爾特礦區(qū)，是近年來新規(guī)劃發(fā)展的大型現(xiàn)代化礦井。井田含煤地層為侏羅系延安組煤層，整體為單斜構造，煤層傾角1°～6°，起伏變化較小。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造相對簡單，未發(fā)育大型斷層。主要充水含水層為主采3-1煤層上方2-2中煤頂板至直羅組底部中、粗粒砂巖含水層，主要通過煤層開采后形成的導水裂隙向工作面充水。但隨著礦井的持續(xù)開采形成采空區(qū)，水害類型逐步由單一的頂板砂巖水害轉(zhuǎn)變?yōu)轫敯逅εc采空水害相互疊加作用［1］，頂板砂巖水持續(xù)向采空區(qū)充水，形成了動水補給采空區(qū)水害，加大了治理難度。特別是近水平煤層條件下，工作面底板整體起伏變化不大，中部出現(xiàn)一定的波狀起伏，采空區(qū)涌水無法向一側或特定區(qū)域流動，形成了多點、大面積補給積水，治理難度進一步加大。

近年來，煤礦定向鉆探技術不斷發(fā)展，已應用于瓦斯抽采、掘進工作面超前探放水、頂板疏放水、采空區(qū)探查與疏放等多個領域［2］。在采空水害治理方面，一般采空區(qū)水頭高度大，對放水效果影響不明顯。但在近水平煤層條件下，采空區(qū)水頭高度一般較小，常為2～4 m，在長距離條件下往往出水量較小，不能滿足礦井水害治理的需求。本研究以某一工作面為例，通過對定向鉆孔出水影響因素進行全面分析，得出了近水平煤層長距離采空區(qū)定向疏水鉆孔選擇方法，可以很好地指導后續(xù)鉆孔設計與施工。研究成果為近水平煤層條件下采空區(qū)水害治理提供了一定的依據(jù)。

1 概況

西一工作面位于井田南翼西部邊界附近，主采煤層為3-1煤。工作面設計長度為5 888 m，寬度為300 m。煤層底板標高在+626.96～+670.74 m之間，南高北低，整體為單斜構造，工作面煤層傾角為2°左右，起伏變化不大，整體為俯采工作面，工作面內(nèi)形成的低洼點與周圍相對高點最大高差為4.47 m，一般在2 m左右。

該工作面采用單巷布置，膠運巷以西60 m設置一條同層泄水巷。在回采后期工作面中部發(fā)育一小型向斜，致使涌水集中在工作面中部，無法向兩側順槽及泄水巷流動，致使工作面架前水量持續(xù)增大，動態(tài)補給量最大達805 m3/h，對生產(chǎn)造成了嚴重的影響。同時區(qū)段煤柱寬度為6 m，相鄰的西二工作面在巷道掘進階段需要對采空區(qū)涌水進行超前疏放［3］。

為解決采空區(qū)水害采用了長距離定向鉆孔對采空區(qū)涌水進行截流疏放。鉆孔布置在煤層底板下0～5.5 m，鉆孔孔深112～381 m。在治理過程中，陸續(xù)施工9個積水區(qū)鉆孔，但疏放效果均未達到預期100～150 m3/h的目標。9個鉆孔參數(shù)見表1。

2 鉆孔水量影響因素分析

2.1 建立模型

井下施工的各類鉆孔均采用圓形鉆頭切削煤巖層，進而，形成圓形鉆孔［4］，含水層水及采空區(qū)涌水通過鉆孔形成的圓形空間流至排水點。鉆孔涌水類似于管道流［5］，采空區(qū)疏水鉆孔水量計算模型如圖1所示。

在管道流量計算中，水流大小主要取決于水頭高度、沿程水頭損失、管路過水斷面（管路直徑）。通常采用伯努利方程進行計算［6］。在理想狀態(tài)下有式（1）。

式中：h1、h2分別為過水斷面1-1、2-2上的兩點在基準線上的高度，m；p1、p2分別為過水斷面1-1、2-2上的兩點在基準線上的靜壓，Pa；v1、v2分別為過水斷面1-1、2-2上的兩點的流速，m/s；ρ為液體的密度，g/cm3。

考慮到沿程損失，同時假設以鉆孔出水口為基準線［7］，1-1為采空區(qū)自由水面，2-2為鉆孔出水口，則p1、v1、p2、h2均為零。對兩邊同時除以ρg，則式（1）轉(zhuǎn)化為式（2）。

2.2 影響因素分析及參數(shù)選取

從以上計算可以看出，影響鉆孔出水的因素主要有鉆孔孔徑、深度，采空區(qū)水頭高度及沿程阻力系數(shù)等［9］。而沿程阻力系數(shù)主要與鉆孔粗糙度及雷諾數(shù)有關［10］。

從式（4）中可以看出，鉆孔涌水與管路直徑的2.5次方成正比，與水頭高度的0.5次方成正比，與孔深及沿程阻力系數(shù)的0.5次方成反比。

上述參數(shù)中鉆孔孔徑、水頭高度、孔深為實際施工參數(shù)。沿程阻力系數(shù)根據(jù)莫迪圖［11］及經(jīng)驗值，確定為0.025。

3 模型準確性分析

根據(jù)式（4）及相應參數(shù)數(shù)據(jù)，計算各鉆孔涌水量，具體見表2。

計算水量與實際水量對比情況如圖2所示。通過模型計算結果與實際涌水量對比分析可知，準確率平均為87.5%，該模型可以作為鉆孔涌水量計算依據(jù)。

4 分支鉆孔涌水量分析

定向鉆孔作為一種井下新興的探放水技術，主要特點是能夠精準施工至靶點位置，同時能夠在孔內(nèi)開分支鉆孔，減少一部分鉆探量及孔口管的下設，提高鉆探工作效率及經(jīng)濟效益［12］。擬在孔內(nèi)二分之一位置開分支計算，構建模型如圖3所示。

本研究以定向鉆孔孔徑120 mm、孔深300 m、單價790元/m、水頭高度10 m、在孔深二分之一位置開分支為例，計算單孔與分支鉆孔水量，具體見表3。

由表3可知，在近水平煤層條件下，同層泄水，單孔與分支孔水量相差不大，未能發(fā)揮定向鉆孔的優(yōu)勢，同時經(jīng)濟效益也沒有優(yōu)勢。

5 定向鉆孔選擇方法

近水平煤層條件下采空區(qū)涌積水疏放主要面臨以下問題：①近水平煤層條件下，底板起伏變化不大，有時傾角為2°左右。施工一個150 m的鉆孔，孔口與孔底高差5.2 m左右，有時高差甚至為1～2 m。水頭高度較小，對鉆孔出水量影響較大。②同層鉆孔傾角較小，若選擇短距離鉆孔，則要穿過底板應力影響區(qū)，容易造成鉆孔變形、塌孔。③采空區(qū)低洼點多淤積大量的巖屑，鉆孔傾角越小，越容易造成堵孔現(xiàn)象，需要頻繁透孔。

從實際涌水量及影響因素分析可知，應盡量選擇大口徑短孔，鉆孔深度一般應小于150 m。一般情況下應開挖下山，增大鉆孔出水水頭高度，從而增加鉆孔的出水量及排渣能力。同時鉆孔布置應減少應力增高及破碎區(qū)域，盡量少選擇或不選擇分支鉆孔。在有條件的情況下，應考慮下層泄水，進一步增加水頭高度，降低鉆孔孔深。

6 結論

①本研究通過構建采空區(qū)涌水鉆孔水量計算模型，應用伯努利方程，根據(jù)水頭高度、孔深、孔徑計算了鉆孔水量。通過與實際鉆孔涌水量進行比較分析得出，該模型整體準確性較高，可以計算定向鉆孔涌水量。

②本研究在單孔水量計算的基礎上，構建了定向分支鉆孔水量計算模型，推導了相應的計算公式。通過設定參數(shù)計算了單孔與分支鉆孔的水量，并分析了兩種鉆孔單位水量成本，表明在近水平煤層條件下，分支鉆孔不具備優(yōu)勢。

③通過計算分析和與實際進行對比，確定了近水平煤層條件下，鉆孔涌水量的影響因素，并給出了此條件下，鉆孔選擇的方法。此方法可以為類似礦井在治理采空區(qū)涌積水水害提供參考。

④本研究以二分之一位置開孔對單孔與分支鉆孔進行了比較，并假定了鉆孔深度、水頭高度及孔徑等參數(shù)，結論較為單一。后期可對不同參數(shù)進行比較，得出不同情形下的結果。

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收稿日期：2024-01-31

作者簡介：段海濤（1989—），男，本科，工程師，研究方向：煤礦地測防治水。