地面水平定向钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙的合理层位研究

发布时间：2020-08-17 19:21

【摘要】：高家堡煤矿煤系地层中普遍赋存一层巨厚、富水的洛河组含水层,是井下涌(突)水主要水源。该矿一盘区在实施限高开采与超前探放水条件下,采空区涌水量仍达到800m~3/h左右。为了最大限度降低井下涌水量、减轻水害威胁,矿井开展了利用地面水平定向钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙的堵水工程试验。由于采动裂隙在不同岩层层位会呈现不同的发育特征,而水平定向钻孔施工层位的不同将造成注浆材料在不同层位不同裂隙通道中的滞留特征,从而影响最终的堵水效果;因此研究确定水平定向钻孔的合理层位对于提高注浆堵水效果尤为重要。综合采用模拟实验、理论分析与现场实测等手段,对高家堡煤矿一盘区导水裂隙带分布、不同层位定向钻孔揭露的裂隙发育特征及其导浆表征以及最优注浆层位选择等问题开展了研究。利用基于关键层位置的“导高”判别方法以及数值模拟实验,对一盘区工作面不同开采条件下覆岩导水裂隙带发育高度进行研究,得到了一盘区导水裂隙带空间分布特征。由于不同区域导水裂隙发育存在明显差异,导致同一水平定向钻孔钻进会揭露不同发育特征的采动裂隙,从而引起不同的导浆特征和封堵特性。据此利用物理模拟实验对不同层位钻孔揭露的裂隙发育及其浆液导流特征进行了研究,得到了钻孔在不同层位由采区外侧向内钻进过程中揭露采动裂隙的3种典型类型:第一,钻孔钻进首先揭露超前支承压力引起的压剪裂隙,因其开度小、沟通性较差,故易于封堵;其次揭露岩层破断回转引起的V型上端张拉裂隙,裂隙开度大、且注浆浆液极易沿裂隙平面延展方向扩散,难以封堵;再次揭露岩层破断回转引起的倒V型下端张拉裂隙,因其易与下部离层裂隙沟通,浆液需达到其在离层中的平面扩散半径才能实现封堵;最后揭露中部压实区开度较小的闭合裂隙。第二,在第一种类型基础上,钻孔揭露上端张拉裂隙后还可能出现因穿层而揭露其与上部邻近岩层间的离层裂隙,注浆浆液封堵此类离层裂隙时,需使得注浆浆液达到其扩散半径才能实现顺利钻进。第三,在导水裂隙带以上区域穿层钻进揭露离层裂隙,此区域离层裂隙相对封闭空间量较小,因此在此轨迹下离层裂隙注浆相对容易封堵。综合考虑采动裂隙对注浆材料的滞留能力、注浆封堵的有效性、钻进施工的可靠性等3方面原则提出了水平定向钻孔注浆堵水的最优层位确定方法。即所选层位应利于堵水材料在裂隙通道中滞留而不至于跑浆,对应层位钻孔钻进应能揭露导水的主要裂隙通道,且钻进岩层岩性应能保持钻孔壁围岩稳定。据此对高家堡煤矿水平定向钻孔注浆堵水的最优钻进层位进行了确定,为堵水工程实施提供了参考和借鉴。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD745.2
【图文】：

技术路线图

示意图,示意图,气象区,月份

图 2-1 高家堡煤矿位置示意图Figure 2-1 Location sketch map of GaoJiabao Coal Mine3）气象区地处中纬带高原区，属暖温带半干旱大陆性季风气候区，冬长而冷，夏短而凉5 月份为西北季风期，最大风速 12.7m/s。据长武气象站资料，本区极端最高℃（1966 年 6 月 19 日），极端最低气温-24.9℃（1975 年 13 日），年平均气年均最高气温 14.9℃，年均最低气温 4.1℃，一月平均气温-5.1℃（气温最低月平均气温 22.4℃（气温最高月份）。霜期一般为 10 月中旬至来年 4 月下旬开始于 10 月，解冻期为来年 3 月，个别年份延长至 4 月。年均冻土层厚度 0.35最大厚度 0.68m。全区年平均降水量 587.8mm，一般雨热同季，年蒸发量m。盘区地质开采条件（Geological Mining Conditions in First Pan 一盘区水文地质特征

示意图,位置关系,示意图,直接充水含水层

图 2-2 4 煤与各含隔水层位置关系示意图chematic diagram of the relationship between the fourth coal seam and water-resistin水层的煤层底板为侏罗系下统富县组隔水层组（ⅩⅡ），一般厚度 10～25m为三叠系上统胡家村组砂岩裂隙含水层，为一弱含水层。水裂隙带数据，103 工作面的直接充水含水层为侏罗系中统延安组系中统直罗组含水层（Ⅹ）、白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层段（洛河组下段孔隙～裂隙承压含水层。白垩系下统洛河组上段孔隙～裂定的条件下也有可能成为直接充水含水层。中统延安组煤层及其顶板砂岩承压含水层（ⅩⅠ）地质资料，首采区钻孔揭露厚度为 0～82.78m，平均 39.58m。单位.0187L/(s·m)，渗透系数 0.00271～0.03168m/d，为弱富水性。中统直罗组砂岩裂隙承压含水层（Ⅹ）质资料显示，该含水层钻孔出水率 12.5%，最大水量 5.4m3/h，该含透系数 0.0069m/d。平均出水量 3.9m3/h，为弱富水性含水层。

【参考文献】