一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法及施工方法

摘要

本发明公开了一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法及施工方法，包括：S1：推测导水断层带的位置，以平面二维夹角计，按照与导水断层带走向呈45～90°夹角的方向布设主孔，确保与钻孔轨迹与断层走向正交或斜交，主孔与实际导水断层带相交后灌注骨料形成主孔封堵墙，达到要求封堵效果后继续主孔钻进；S2：至少在主孔的两侧分别设置分支孔，分支孔向推测导水断层带的尖灭位置钻进；如果分支孔遇实际导水断层裂隙发育带后，灌注骨料及注浆形成分支孔封堵墙；如果分支孔未遇实际导水断层裂隙发育带，则以靠近主孔20～30m为间距再施工多个分支孔，直至分支孔遇实际导水断层裂隙发育带。有效缩短了治理时间，减少了治理成本。

说明书

技术领域

本发明属于矿山水害治理技术领域，涉及一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法及施工方法。

背景技术

随着煤矿开采向深部延拓，采煤工作面底板受到高水压威胁日益严重，在隐伏导水构造存在的条件下极易造成矿井底板大型突水灾害。而导水断层是一种典型底板隐伏构造，具有特殊的水文地质意义，在一定条件下可以发挥储水空间、集水廊道和导水通道的作用，其导致的突水灾害具有隐蔽性、突发性及破坏性强等特点，对煤矿安全生产和井下人员安全危害极大。

随着高强度的开采，我国中东部地区浅部煤炭资源逐步枯竭，为保障国民经济的稳定发展，多数矿井采掘活动不断向深度延拓，在高地应力、高水压的条件下，来自煤系底板奥陶系灰岩承压水威胁日趋加剧，若底板存在隐伏导水断层，矿井在巷道开拓阶段很可能未揭露底板隐伏断层，但在回采阶段受开采扰动影响，底板产生采动破碎带，与下方隐伏导水断层连通。此时，断层将作为导水通道沟通采煤工作面，将底板强富水含水层水量导入工作面造成大型突水事故。

断层发育具有隐蔽性，不易被常规物探和钻探手段准确探查到，而往往断层突水具有水量大，破坏性强，伤亡率大的特点，所以突水后的快速治理尤其重要。针对大型导水断层带突水的快速堵水方法目前尚未有一套成熟完整的抢险治理方案，常规方法一般是利用直孔对导水断层带进行注浆填充封堵突水通道，但存在以下问题：(1)由于大型断层沟通多个含水层在垂向上发育范围较大，完全封堵整个断层耗时较长；(2)大型导水断层周围一般发育有众多中小断层形成导水断层带，导水断层带本身具有导水通道的作用，但部分断层导水而部分断层不导水，直孔对于突水通道是点式探查，很难一次就探查到断层的准确位置，往往需要施工多个直孔，探查效率低，成本高，严重影响抢险救援速度(3)在高水压动水条件下进行封堵，传统骨料灌注与注浆工艺无法控制骨料与浆液的扩散距离，进入采空区造成材料浪费，影响治理效果。为了解决传统方法工期较长，施工难度大，成本较高，矿井复产慢等缺点，有必要提出针对导水断层带突水后的快速堵水新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法及施工方法，解决了现有技术中断层带突水治理效率不高，施工难度大，成本较高的问题，有效缩短了治理时间，减少了治理成本。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种导水断层带突水水源的高效快速封堵方法，包括：

S1：推测导水断层带的位置，以平面二维夹角计，按照与导水断层带走向呈45～90°夹角的方向布设主孔，确保主孔至少与导水断层带垂直相交或斜交，主孔与实际导水断层带相交后灌注骨料形成主孔封堵墙，达到要求封堵效果后继续主孔钻进，直至主孔孔底位于实际导水断层带边界外20～30m；

S2：至少在主孔的两侧分别设置分支孔，分支孔向推测导水断层带的尖灭位置钻进；如果分支孔遇实际导水断层裂隙发育带，灌注骨料及注浆形成分支孔封堵墙；如果分支孔未遇实际导水断层裂隙发育带，则以靠近主孔20～30m为间距再施工多个分支孔，直至分支孔遇实际导水断层裂隙发育带。

可选的，所述的主孔和分支孔均为水平孔。

可选的，每个突水含水层至少设置一个主孔和多个分支孔。

可选的，所述的灌注骨料包括：

灌注粒径0～5mm的砂石，稳定后灌注粒径10～20mm的石子，当突水水源含水层水位上升时灌注粒径10～15mm的石子；骨料灌注过程中，涌水量Q≤100m

可选的，所述的注浆包括：选取比重1.5～1.6的水泥，逐步提高水泥注浆比重，降低注浆流量，直至注浆压力达到设计终压并持续15～30min后候凝；

终压为注浆段含水层静水压力的1.5～2倍。

可选的，扫孔至孔底进行压水试验，若透水率小于1Lu本次注浆结束；若大于1Lu，重复注浆，直至透水率小于1Lu；

所述透水率根据公式1确定：q＝Q/(pL)，式中q为透水率，Lu；Q为每分钟水的流量，L/min；p为作用在试段内的压力，MPa；L为试段长度m。

一种导水断层带突水水源的高效快速封堵施工方法，包括：

S1：施工主孔并形成主孔封堵墙；

推测导水断层带的位置，以平面二维夹角计，按照与导水断层带走向呈45～90°夹角的方向布设主孔，确保主孔至少与导水断层带垂直相交或斜交，主孔与实际导水断层带相交后灌注骨料形成主孔封堵墙，达到要求封堵效果后继续主孔钻进，直至主孔孔底位于实际导水断层带边界外20～30m；

S2：施工分支孔并形成裂隙发育带封堵墙；

至少在主孔的两侧分别设置分支孔，分支孔向推测导水断层带的尖灭位置钻进；如果分支孔遇实际导水断层裂隙发育带，灌注骨料及注浆形成分支孔封堵墙；如果分支孔未遇实际导水断层裂隙发育带，则以靠近主孔20～30m为间距再施工多个分支孔，直至分支孔遇实际导水断层裂隙发育带。

可选的，所述的灌注骨料包括：

灌注粒径0～5mm的砂石，稳定后灌注粒径10～20mm的石子，当突水水源含水层水位上升时灌注粒径10～15mm的石子；骨料灌注过程中，涌水量Q≤100m

可选的，所述的注浆包括：选取比重1.5～1.6的水泥，逐步提高水泥注浆比重，降低注浆流量，直至注浆压力达到设计终压并持续15～30min后候凝；

终压为注浆段含水层静水压力的1.5～2倍。

可选的，扫孔至孔底进行压水试验，若透水率小于1Lu本次注浆结束；若大于1Lu，重复注浆，直至透水率小于1Lu；

所述透水率根据公式1确定：q＝Q/(pL)，式中q为透水率，Lu；Q为每分钟水的流量，L/min；p为作用在试段内的压力，MPa；L为试段长度m。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明是利用地面定向钻快速封堵断层带突水水源，而传统断层带突水封堵方法，具有工期长，施工难度大，成本较高，矿井复产慢等缺点。本发明通过骨料灌注与注浆加固直接封堵突水水源，从源头上切断水量来源，骨料与浆液不仅可以在断层带周围形成堵水墙封堵突水水源，而且沿水流方向在断层带内形成堵水墙封堵突水通道，最终将动水水源变为静水，达到快速封堵导水断层带突水的目的，实现了煤矿的快速复工复产；

2、本发明提出的方法极大地提高了断层带探查封堵效率：直孔为点状探查，盲目性较大，难以快速圈定断层带范围，而本发明给出的方法是利用地面水平孔封堵从断层带流入采空区的突水水源。多个水平孔组可以对断层带沟通的多个含水层同时进行封堵，且封堵方式为面状覆盖导水断层带整个发育范围，不留盲区。只需要少量钻孔就可以达到快速全面阻隔突水水源的目的，钻孔既是堵水钻孔也可以发挥检查加固的作用；

3、本方法适用于存在底板隐伏导水断层带突水危害的各种矿井，特别适用于导水断层带沟通底板多个含水层条件下的突水水源封堵。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为导水断层突水水源高效快速封堵技术流程图；

图2为导水断层带突水水源封堵立体示意图；

图3为导水断层带突水水源封堵平面示意图；

1-工作面、2-第一孔组、3-第二孔组、4-砂岩含水层、5-奥陶系灰岩含水层、6-第一主孔、61-第一分支孔、62-第二分支孔、63-第三分支孔、7-第二主孔、71-第四分支孔、72-第五分支孔、8-堵水墙、9-推测断层带、10-实际断层带；

图3中的箭头表示水流方向。

具体实施方式

以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明。

下面将结合实施例和附图对本发明进行详细地说明。

结合图1，本发明的导水断层带突水水源的高效快速封堵方法，包括：S1：推测导水断层带的位置，以平面二维夹角计，按照与导水断层带走向呈45～90°夹角的方向布设主孔，确保主孔至少与导水断层带垂直相交或斜交，主孔与实际导水断层带相交后灌注骨料形成主孔封堵墙，达到要求封堵效果后继续主孔钻进，直至主孔孔底位于实际导水断层带边界外20～30m；S2：至少在主孔的两侧分别设置分支孔，分支孔向推测导水断层带的尖灭位置钻进；如果分支孔遇实际导水断层裂隙发育带，灌注骨料及注浆形成分支孔封堵墙；如果分支孔未遇实际导水断层裂隙发育带，则以靠近主孔20～30m为间距再施工多个分支孔，直至分支孔遇实际导水断层裂隙发育带。本发明中的推测导水断层带指的是根据实际的勘探条件推断导水断层带的大致位置，而实际导水断层带指的是在施工过程中实际遇到的导水断层带，两者通常会有一定的偏差；导水断层裂隙发育带指的是在实际的导水断层带附件出现的切层、离层和断裂隙，该带不会透砂但能透水，冒落带和裂隙带统称裂隙发育带。

在本公开中，主孔和分支孔均为水平孔。探查治理断层的范围广，一个水平孔是线状探查，多个水平孔就可以快速形成面状探查，缩短工期，封堵效果显著。

在本公开中，每个突水含水层至少设置一个主孔和多个分支孔。当实施施工中，断层沟通多个突水含水层的时候，可以同时施工，缩短工期，提高封堵效率。

具体的步骤包括：

步骤1：根据工作面突水情况，结合前期勘探资料，推断断层发育产状与断层性质；根据断层带大致位置，选择合理场地，在地下水流向断层带的上游合适位置布置定向孔组。其中定向孔组有N个，N个定向孔组同时施工。每个孔组分别施工3～M个钻孔。其中孔组个数N由导水断层带沟通的主要含水层个数确定。各孔组分别封堵不同含水层的突水水源。孔组主要由主孔和分支孔组成。

步骤2：首先施工主孔，主孔与推测断层走向夹角45～90°，钻进过程中钻遇断层带起钻准备灌注骨料，

步骤3：选择不同粒径骨料对突水水源所在含水层进行灌注，形成封堵段骨架。(1)灌注粒径0～5mm砂石，达到稳定地下灌注通道，防止堵孔的目的；(2)待骨料运移通道稳定后，灌注粒径10～20mm石子，骨料灌注过程中，根据工作面涌水量及地面孔口负压表变化进行注骨料流量及过滤网尺寸调整，保证灌注过程中尽量不混入空气，避免造成孔内压强过高，为骨料正常灌注提供保障。(3)当突水水源含水层水位观测孔内水位上升时灌注粒径10～15mm石子。

骨料灌注过程中，涌水量Q≤100m

步骤4：进行水泥单液浆注浆。水泥比重选取1.5～1.6，水泥浆液经地面注浆泵注入钻孔内逐步提高注浆比重，降低注浆流量，直至注浆压力达到设计终压并持续15～30min后，候凝。

终压为注浆段含水层静水压力的1.5～2倍；

注浆过程逐步提高注浆比重，降低注浆流量，防止浆液沿水流方向扩散过多，达到加固堵水墙主体骨架和封堵细小裂隙的作用。

步骤5：扫孔至孔底进行压水试验，若透水率小于1Lu本次注浆结束；若大于1Lu，重复步骤4，直至透水率小于1Lu。

透水率根据公式1确定：q＝Q/(pL)，式中q为透水率(Lu)；Q为每分钟流量(L/min)；p为作用在试段内的压力(MPa)；L为试段长度(m)

步骤6：继续钻进至终孔位置，若发生钻井液漏失量大于5m

其中所述终孔位置为断层带边界外20～30m。

步骤7：在主孔合适位置侧钻，分别施工2～M个分支孔，呈扇状对本含水层突水水源进行加固封堵并检验封堵效果，分支孔向推测断层尖灭位置施工，钻遇断层带边界外侧裂隙发育带后重复步骤4～5。

若分支孔施工过程中未钻遇裂隙发育带，则再施工分支孔轨迹向主孔方向偏20m，钻遇断层带边界外侧裂隙发育带后重复步骤4～5。

其中确定断层带边界外侧裂隙发育带的方法为：(1)未发生严重塌孔或岩性杂乱的现象(2)钻井液大量漏失，漏失量超过20m

步骤8：待堵水墙建成后，井下涌水量显著减少，对工作面内突水进行疏干，直至水位至安全水位以下。

另外，本发明还给出了导水断层带突水水源的高效快速封堵施工方法，包括：

S1：施工主孔并形成主孔封堵墙；推测导水断层带的位置，以平面二维夹角计，按照与导水断层带走向呈45～90°夹角的方向布设主孔，主孔与实际导水断层带相交后灌注骨料形成主孔封堵墙，达到要求封堵效果后继续主孔钻进，直至主孔孔底位于实际导水断层带边界外20～30m；

S2：施工分支孔并形成裂隙发育带封堵墙；至少在主孔的两侧分别设置分支孔，分支孔向推测导水断层带的尖灭位置钻进；如果分支孔遇实际导水断层裂隙发育带后，灌注骨料及注浆形成分支孔封堵墙；如果分支孔未遇实际导水断层裂隙发育带，则以靠近主孔20～30m为间距再施工多个分支孔，直至分支孔遇实际导水断层裂隙发育带。

从施工角度，本发明的技术方案地面场地选择性大、效率高、材料消耗少、治理成本低，一次可以同时治理多个突水水源。

实施例一：

某煤矿开采二叠系山西组3#煤层，煤层平均厚度8.5m，矿井综合排水能力约1200m

利用本发明提供的导水断层突水水源的高效快速封堵方法进行上述突水的治理，包括如下步骤：

步骤1：根据工作面1突水情况，结合前期勘探资料，推测断层带9发育产状与断层性质；根据断层带大致位置，选择合理场地，在地下水流向断层带的上游合适位置布置2个定向孔组。

步骤2：同时施工2个定向孔组，第一孔组2一次性钻进至基岩下入孔径244.5mm壁厚8.05mm套管，钻进至煤底砂岩含水层4顶板中，下入孔径177.8mm壁厚8.94mm套管，第一主孔6与推断断层带9呈夹角58°夹角钻进，钻进至1100m时发生钻井液失返，顶漏向前继续钻进5m，钻井液仍失返并伴随塌孔，说明钻遇断层带起钻准备灌注骨料。第二孔组3一次性钻进至基岩下入孔径244.5mm壁厚8.05mm套管，钻进至奥陶系灰岩含水层5顶板中，下入孔径177.8mm壁厚8.94mm套管，第二主孔7与推断断层带9呈62°夹角钻进，钻进至1150m时发生钻井液失返，顶漏向前继续钻进10m，钻井液仍失返且地层破碎严重，说明钻遇断层带起钻准备灌注骨料。

步骤3：选择不同粒径骨料经地面注浆泵注入钻孔内对突水水源所在含水层进行灌注。灌注粒径0～5mm砂石，灌注1500m

步骤4：进行水泥注浆。采用纯水泥单液浆经地面注浆泵注入钻孔内，浆液比重1.5，流量500L/min，注浆3000t时注浆压力达到2MPa时，比重升高至1.55，流量降低至320L/min。注浆4100t时注浆压力达到4MPa时，浆液比重1.55，注浆流量降低至180L/min，注浆5300t时注浆压力达到5MPa，比重升高至1.6，注浆流量降低至52L/min。注浆6000t时，注浆压力达到设计终压6MPa并持续30min后完成注浆，停止注浆，涌水量减少至50m

步骤5：扫孔至孔底进行压水试验，透水率根据公式1确定：q＝Q/(pL)式中q为透水率(Lu)；Q为每分钟流量(L/min)，取250L/min；p为作用在试段内的压力(MPa)，取2MPa；L为试段长度(m)500m。经计算后q＝0.25Lu，满足透水率小于1Lu的要求认为本次注浆结束。

步骤6：继续钻进至终孔位置1250m，未发生钻井液漏失量大于5m

步骤7：在第一孔组2的第一主孔6合适位置侧钻施工第一分支孔61，第一分支孔61向推测断层带9尖灭位置钻进至终孔1200m，未发生钻井液消耗或地层破碎现象，说明钻探轨迹在断层带裂隙发育带范围外，封孔。

步骤8：在第一孔组2的第一主孔6合适位置侧钻施工第而分支孔62，轨迹向主孔方向偏25m，第二分支孔62钻进至1050m钻井液漏失量30m

步骤9：在第一孔组2的第一主孔6合适位置侧钻施工第三分支孔63，对本含水层突水水源进行封堵。第三分支孔63钻进至1080m钻井液漏失量25m

步骤10：第一孔组2结束后，施工第二孔组3的分支孔，第二孔组3有2个分支孔，分别为第四分支孔71和第五分支孔72重复步骤7～9。

步骤11：待第一孔组2与第二孔组3注浆结束后，在主要含水层中的堵水墙8已建成，工作面残余涌水量3m

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。