煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺

摘要

本发明涉及地质及水文地质勘探钻探领域，特别涉及一种煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺。包括以下步骤：步骤一、地面超前对煤层底板承压含水层实施多分支水平井治理水害工程施工注浆孔，具体如下：一开直孔段；二开直孔、造斜段；三开水平段；对斜段技术套管进行割拔管作业；对钻孔进行水泥浆封闭；步骤二、地面超前对煤层或煤层顶部实施“L”型水平井抽放瓦斯工程施工瓦斯抽采孔：二开适配孔径的抽采用套管；三开适配孔径抽采用斜段及“L”型水平井水平孔段；三开适配孔径瓦斯抽采段，下入抽采段套管。优点：达到了降本增效，保护环境的绿色勘查施工效果。

说明书

技术领域

本发明涉及地质及水文地质勘探钻探领域，特别涉及一种煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺。

背景技术

矿井水害属煤矿五大灾害之一，针对煤层底板水害，对含水层实施注浆改造是最直接最有效的技术手段。

注浆改造是改变岩体(层)水文地质条件的方法与手段，基本原理是浆液在一定压力作用下，在一定时间内将受注层原来被水占据的空隙或通道被浆液材料置换、充填，直至脱水、固结或胶凝，使结石体或胶凝体与围岩体形成阻水整体，最终被改造成为不含水或弱含水层的过程，从而改变不利于采矿的水文地质条件。

底板水害探查治理发展历程：在2010年以前，我国主要采用地面直孔或井下斜孔进行底板水害探查与治理；2012年，定向技术用于井下奥灰导水通道探查与治理，该技术在韩城桑树坪煤矿成功应用；2013年，地面定向技术用于底板奥灰水害探查与治理，该技术在冀中能源峰峰矿区成功应用；2014年，定向顺层钻孔薄层灰岩探查与加固技术试验成功，该技术在淮南朱庄煤矿成功应用；2014年至今，该技术先后推广至安徽淮北、淮南、山东邱集、河南焦作、河北邯郸、邢台等大型煤矿区，取得了良好的治理效果。

区域治理关键技术：地面水平顺层定向钻进是利用特殊的井底动力工具和随钻测量技术，钻成井斜大于一定角度，并保持该角度钻进一定岩层段的定向钻井技术，包括随钻测量、井眼轨迹控制、井壁稳定技术等。目前在煤矿防治水领域应用水平定向钻进技术目的是探查复杂的地质构造并加以超前治理，应用水平定向钻进技术对煤层底板承压含水层进行注浆改造。一般先在地面施工垂直井，然后造斜进入目标含水层一定深度变成水平井，对目标含水层进行充分暴露。在钻进中以寻找导水构造、溶隙、溶孔(洞)为主，如遇导水裂隙等造成钻井液大量漏失，立即注浆治理；如进入目标含水层未发现导水裂隙等构造，则施工多水平分支孔继续查找导水裂隙构造。在找到导水裂隙等构造或钻进过程中有钻井液漏失时，要做压水试验，根据吸水量的大小决定注浆量和浓度，从而达到地面超前区域治理的目的。

另外，瓦斯治理一直是我国高瓦斯与突出矿井面临的棘手难题，我国大多数煤矿局部区域煤瓦斯含量较高，矿井仍采用局部通风进行稀释，降低采掘工作面瓦斯浓度，保证生产安全。特别对地质构造复杂、煤层浅埋藏及煤层群开采的条件，矿井多采用了地面对煤层或煤层顶板(构造煤)实施直孔及L型水平井压裂超前抽采卸压瓦斯技术，有效降低瓦斯对矿井安全生产的威胁、有力保障矿工的生命安全。

目前，通过对国内煤矿建成的不同类型水平井瓦斯抽采结果分析，认为受储层压力、煤岩力学性质等因素影响，L型水平井在构造煤层中施工易出现塌孔、卡钻等现象，成井率不理想。针对传统煤层压裂方法的缺点，结合国内外构造煤压裂方法的认识与实践，采用构造煤顶板选择坚硬砂岩内实施L型水平井分段压裂技术是解决构造煤瓦斯预抽的有效手段，完钻后对其顶板进行射孔、分段压裂，使井孔与煤层沟通，后下入排采泵通过地面排水降压预抽煤层中的瓦斯，从而有效降低煤层瓦斯含量。

地面超前对煤层底板水害区域治理注浆孔和对煤层或煤顶板(构造煤)瓦斯抽放孔均是地面超前灾害治理；一个在煤层底板施工多分支水平井注浆区域治理水害，一个在煤层或煤顶板(构造煤)施工L型水平井抽放瓦斯卸压，这两项工程目前在全国许多煤矿施工，施工工艺已经相当成熟，但都是分开实施，没有很好的结合在一起施工；两项工程分开施工，均投入资金大，设备设施重复采购建设，占地复耕面积多，设备拆卸安装搬运次数多，生产材料物资浪费大，环境污染及破坏等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺，包括以下步骤：

步骤一、地面超前对煤层底板承压含水层实施多分支水平井治理水害工程施工注浆孔，具体如下：

S1、一开直孔段：采用适配径钻头开孔，钻至基岩下，下入表层套管，利用表层套管隔离冲积层，并将表层套管下至稳定基岩处，进行水泥浆固管；

S2、二开直孔、造斜段：采用适配径钻头开孔，钻至完成造斜段进入煤层底板承压含水层，下入斜段技术套管，进行水泥浆固管，并计算孔壁水泥浆液返高；

S3、三开水平段：采用适配径钻头裸孔钻进，沿含水层位水平顺层分段钻进注浆；

S4、对斜段技术套管进行割拔管作业，其中拔管位置在煤层顶部；

S5、拔管完成后，对钻孔进行水泥浆封闭，封闭至煤层上方适宜瓦斯抽采斜孔侧钻造孔位置，侯凝；

步骤二、地面超前对煤层或煤层顶部实施“L”型水平井抽放瓦斯工程施工瓦斯抽采孔，具体如下：

S6、二开侧钻施工造斜段，钻至煤层或煤层顶板，下入抽采斜段套管，进行水泥浆固管，并使水泥浆固井返出S5的封闭表层；

S7、三开抽采用水平井水平孔段，并下入抽采用抽采段套管，进行水泥浆固管，并使水泥浆固井返出抽采段内部地表。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述步骤二还包括：S9、对抽采段套管向下煤层单方向多段多簇定向射孔，射开套管及导通煤层的弹道。

进一步，上述步骤二还包括：S10、对逐段分步定向压裂技术，使井孔与煤层天然裂隙沟通形成的裂隙通道。

本发明的有益效果是：该发明能很好的把两个项目施工工艺结合在一起，采用“一场多用，一孔多用，一机多用”的原则，在同一井场、同一个钻孔、使用同一套设备超前施工完成两个项目的工作内容，实现了占地少并集中、现场设备及设施可重复利用、减少了环境污染及破坏、成本投入相对较少等目的，达到了降本增效，保护环境的绿色勘查施工效果。

附图说明

图1为本发明的煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺的施工示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：如图1所示，本实施例的煤层底板水害区治理注浆孔兼做瓦斯抽采孔施工工艺，包括以下步骤：

步骤一(第一阶段)：地面超前对煤层底板承压含水层实施多分支水平井治理水害工程施工注浆孔。

注浆孔采用1个注浆主钻孔，经直孔段、造斜段施工，使钻孔进入煤层底板注浆承压含水层位，并沿含水层位水平顺层钻进；主孔施工完成后，进行各分支孔施工注浆，注浆钻孔孔身结构分三级；孔身结构及工序如下

S1、一开直孔段：采用Φ444.5mm径开孔(孔1)钻至基岩下10m，下入Φ339.7×9.65mm表层套管2(J55)；表层套管2隔离冲积层，下入稳定基岩处(进入完整基岩5m)，进行水泥浆固管(该固管管层结构3指代)；

S2、二开直孔、造斜段：采用Φ311.1mm孔径(图中4指代该钻孔)钻至完成造斜段进入煤层底板承压含水层，下入Φ177.8×8.05mm(N80)斜段技术套管5，进行水泥浆固管，计算孔壁水泥浆液返高位置7(套管外上返至煤层顶位置，为下步割拔管作业做好前期准备)；

S3、三开水平段：孔径Φ152.4mm裸孔，沿含水层位施工各分支水平顺层分段钻进注浆，为裸孔段6；

S4、各分支孔施工注浆合格验收完成后，对Φ177.8×8.05mm(N80)技术套管进行割拔管位置8(拔管位置在煤层顶位置)。

为了确保套管起拔顺利，二开Φ311.1mm孔4设计孔径大，下管时在套管割拔管位置8选择一根套管，套管两端分别设计正反丝扣型，套管割拔管位置8以上套管丝扣均设计为正丝扣型，以下套管丝扣均设计为反丝扣型，起拔套管前先转动套管，若在套管割拔管位置8打开，则直接拔起；若打不开套管则采用水力割刀在此位置割开套管起拔。

S5、拔管完成后，对注浆钻孔进行水泥浆封闭，封闭至第二阶段需要侧钻的孔深位置9(根据计算确定封孔侧钻位置)，侯凝即可；

步骤二(第二阶段)：地面超前对煤层或煤层顶部实施“L”型水平井抽放瓦斯工程施工瓦斯抽放孔。

瓦斯抽放孔还在原注浆孔内施工，采用“一场多用，一孔多用，一机多用”的原则；经水泥浆对注浆孔封孔位置(第二阶段侧钻点位置)9侧钻点造斜段施工，使钻孔进入煤层或煤层顶板(构造煤)水平顺层钻进；L型水平井施工完成后，下入套管固井、射孔、压裂等手段抽放瓦斯，瓦斯抽放孔孔身结构分三级；孔身结构及工序如下：

S6、第一阶段完成后，侯凝7h后(确保侧钻成功)，继续二开采用Φ311.1mm径4定向侧钻施工造斜段，钻至煤层或煤层顶板(构造煤)，下入Φ244.5×8.94mm(N80)抽采斜段套管，进行水泥浆固管，水泥浆返出地表10；

S7、三开采用Φ215.9mm径在煤层或煤层顶板(构造煤)施工水平段11，钻至设计孔深完钻，下入Φ139.7×7.72mm(P110)抽采段套管，进行水泥浆固管，水泥浆返出地表12。

在水泥浆固管侯凝完成后，对L型水平孔段Φ139.7×7.72mm(P110)抽采段套管向下煤层单方向多段多簇定向射孔，射开套管及导通煤层的弹道13。

另外，整个方案还需采用逐段分步定向压裂技术，压裂技术改造能有效的将井孔与煤层天然裂隙沟通起来，增大气体解吸速率；形成裂隙通道14。

最后，采用“泵送桥塞封隔分段、多段多簇定向射孔、逐段分步定向压裂”等成套开发技术手段，L型水平井水平段在施工时始终保持水平段略向上倾，便于排水降压产气。

需要说明的是：该技术适用于井下开采煤层埋深大于300米及以上(根据水平井施工经验：垂深较浅水平井施工难度大且水平距离短，为保证垂深造斜段，垂深与水平位移之比一般选择为1:2.5～1:3左右)的煤层底板水害和瓦斯突出矿井；第一阶段超前采用“地面定向近水平顺层分支钻孔群”注浆技术，主要对煤层底板带压含水层进行探查及注浆改造，阻断煤层底板承压水垂向导水通道，降低采掘期间底板水害威胁。第二阶段在同一井场、同一个钻孔、使用同一套设备超前施工煤层或煤顶板(构造煤)施工“L型”水平井并进行分段压裂改造，抽放煤层瓦斯并释放地层应力。

整个方案结合水害区治理和瓦斯抽采两个项目的共同点，以及国家对绿色勘查施工和环境保护的要求，能很好的把两个项目施工工艺结合在一起，采用“一场多用，一孔多用，一机多用”的原则，在同一井场、同一个钻孔、使用同一套设备超前施工完成两个项目的工作内容，实现了占地少并集中、现场设备及设施可重复利用、减少了环境污染及破坏、成本投入相对较少等，达到了降本增效，保护环境的绿色勘查施工效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。