顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法

本发明涉及煤矿开采，具体为顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法。

背景技术：

1、煤矿开采过程中，矿井顶板含水层疏放水是一种常见且具有挑战性的问题。随着煤炭资源的开采重心逐渐向中西部转移，煤炭开采深度逐渐增大，大部分矿区水文地质勘察程度较低，通过物探钻探等手段勘探顶板含水特性往往存在“难勘探，探不准”的情况，难以提供准确的煤层顶板含水区域的分布情况及连续性等特征，导致在开采过程中对顶板水害的预防和治理缺乏有效的技术支持，使得矿井顶板含水层疏放水问题更加复杂和棘手。特别是在深部矿井开采过程中，面临顶板含水层的水压更大，水位变化更剧烈，地下水渗透能力增强，矿井顶板含水层的水害问题愈发凸显其挑战性。

2、顶板含水层若不通过合理预测评价和针对性治理，将会对矿井建设及回采过程产生严重的影响。目前，顶板水害突水危险性评价、含水层富水性评价、水文地质参数计算等领域已形成全面的理论基础，能够较准确的预测评价顶板水害。然而，对于煤层顶板砂岩裂隙水富水性好、含水层及导水性不均一、局部性较强、岩体渗透性较差的复杂地质条件，物探精度难以达到工程需求，采用钻孔预疏存在一定的盲目性，而通过加密疏放水钻孔疏放顶板砂岩裂隙水存在工程量大、工期长等问题。钻孔预疏、注浆加固、封孔堵漏等传统治理方法往往效果有限，不能充分疏放及控制顶板砂岩水，工作面回采过程中仍可能出现顶板大面积淋水等现象，对矿井正常作业及安全生产产生影响。

3、特别是在煤层顶板富水性好，但导水性、含水性不均一，局部性较强的地质环境中，通过井下钻孔预疏的探放水方式并不能有效疏放顶板砂岩裂隙水。目前，煤层顶板富水性好，但导水性、含水性不均一的顶板砂岩水探放主要以井下钻孔预疏为主，砂岩渗透性受原位砂岩岩体结构控制，通常条件下致密完整岩体渗透性较差，钻孔疏放效果不佳，工作面回采时可能会出现大面积顶板淋水现象，对工作面正常作业及安全生产产生影响。因此，迫切需要解决富水性好，但导水性、含水性不均一的煤层顶板砂岩水的高效疏放问题。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、确保矿井的充分疏水是实现顺利回采和保证作业安全的基础。在工作面回采前，为有效控制顶板水害，确保工作面安全开采，通常会布置一定数量的探水孔，探水孔既具有超前勘探的功能，也兼备疏水的作用。若要充分疏放顶板富水区还需根据所获的矿区顶板含水区域、富水区域及其连续性等水文地质特征设计疏水钻孔布置方案。疏水钻孔一般分为穿层直孔及定向长钻孔两种类型。

2、对于顶板砂岩裂隙水富水性好、含水区域不连续、致密完整砂岩岩体渗透性差的复杂地质条件，若要通过打设钻孔对所有不连续含水区域充分疏放水，不仅工程量大，而且难以保证能完全疏放顶板砂岩裂隙水。解决该问题的核心是通过布置疏水钻孔并采用技术手段预先通过所布置的疏放水钻孔在砂岩裂隙含水层中形成人工导水通道，改善致密完整砂岩岩体的渗透性，通过疏水钻孔在砂岩裂隙含水层中形成的人工导水通道联通不连续的含水区域及富水区域，将顶板砂岩裂隙水通过人工导水通道疏导至疏放水钻孔，实现钻孔有效疏放水且扩大单孔疏放水辐射区域。

3、通常用于钻探的钻孔数量相对较少，难以满足疏放数量多且不连续的顶板砂岩裂隙水，因此，为有效疏放顶板砂岩裂隙水只能通过设计补打疏水钻孔，通过布置长短孔交替的倾斜疏水钻孔并压裂，不仅能够通过单孔联通压裂裂缝扩展半径的所有含水区域，有效增大顶板疏放水面积，而且，采用倾斜的方式布置疏水钻孔，能够保障在回采过程中，受开采引起的岩层活动作用，未充分疏放的顶板裂隙水沿采动裂隙流动至疏水钻孔，实现工作面超前放水。

4、压裂是指通过钻孔注入高压流体(水、气体等)，在流固耦合作用下，钻孔孔壁产生破裂并扩展。通过对顶板疏放水钻孔预先进行压裂，在砂岩裂隙含水层中形成裂缝，构建人工导水通道，是高效疏放顶板砂岩裂隙水的有效技术途径。常规水压致裂泵注排量恒定，水压裂缝的扩展方向受控于三维地应力场，垂直于最小主应力方向扩展，形成的水压裂缝数目少。脉冲泵注压裂利用高压脉冲泵输出高频脉冲压力水，冲击岩石钻孔孔壁，使岩石产生疲劳损伤，可克服地应力场对水压裂缝起裂及扩展方向的影响，在岩石中形成密集裂缝网络。

5、因此，提出顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法，该方法不仅能避免布置过多的疏水钻孔，显著提高探放水孔的疏水效率，还能在回采过程中起到超前疏放水的作用。通过这种方法，即使在地质条件不理想的情况下，也能有效地控制矿井水害，保障矿山的安全生产。

6、本发明的目的在于提供一种顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法，以解决上述背景技术中所提及的问题。

7、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

8、顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法，包括如下步骤：

9、s100、收集矿区水文地质信息，并勘探顶板砂岩裂隙含水层的具体层位和水量情况；

10、s200、取顶板砂岩裂隙含水层的岩样进行分段脉冲压裂模拟实验，通过脉冲压力峰值、脉冲频率、分段长度、分段间隔长度及压裂时间与裂缝发育情况的关系，确定在疏放水作业区进行分段脉冲压裂的最佳脉冲频率、脉冲压力峰值、分段长度、分段间隔长度及压裂时间；

11、s300、根据分段脉冲压裂模拟实验中的裂缝发育规律及探顶板砂岩裂隙含水层的具体层位和水量情况，确定疏放水钻孔布置参数、疏放水钻孔布置形式及分段脉冲压裂参数；

12、s400、根据疏放水钻孔布置参数、疏放水钻孔布置形式施工钻孔，钻孔施工完毕后勘探现场，确定脉冲压裂设备摆放位置；

13、s500、在施工完毕的疏放水钻孔孔口安装止水套管及配套孔口阀，以防止压裂联通多个含水区域后孔口出水量过大的情况；孔口阀外接流量计，监测孔口返水量，通过脉冲泵注水量和岩层滤失量与孔口返水量之差判断是否通过脉冲压裂形成的人工导水通道联通顶板裂隙水，并估算人工导水通道联通的顶板含水区域水量；

14、s600、压裂作业前，在疏放水钻孔孔口附近的巷道布置人工导水水槽，以防止压裂联通多个含水区域后孔口出水量过大的情况；待脉冲压裂设备运至作业位置，检查设备数量及完好性，连接设备；

15、s700、脉冲压裂设备连接检查完毕后，用钻机依次将截止阀、近孔底封隔器、单向阀、近孔口封隔器、高压密封钻送至设计的第一段压裂位置开始分段脉冲压裂作业，第一段脉冲压裂完毕后用钻机退出部分高压密封钻杆，退出的高压密封钻杆总长度应与分段间隔长度相等；然后进行下一段脉冲压裂，单孔的分段脉冲压裂重复前述操作，直至完成单孔内设计的所有压裂段的脉冲压裂；

16、s800、脉冲压裂作业结束后，关闭脉冲压裂泵，打开管路中的卸压阀放出管路中的残存压裂液，待管路中的压力降为0后，依次推出高压密封钻杆、近孔口封隔器、单向阀、近孔底封隔器、截止阀等设备并检查其完好性；重复上述脉冲压裂流程依次完成所有钻孔的分段脉冲压裂；

17、s900、完成脉冲压裂作业后，监测并统计疏放水钻孔的返水量，评价脉冲压裂改善顶板砂岩裂隙含水层疏放水效果，如出现疏放水钻孔出水量过大的情况，及时调节孔口球形止水阀，控制疏放水钻孔出水量。

18、优选地，在所述步骤s100中：

19、所述矿区水文地质信息通过水文地质勘察、三维地震勘探、地理信息系统空间分析的手段收集；

20、所述顶板砂岩裂隙含水层的具体层位和水量情况通过在矿区布设若干探放孔进行超前勘探。

21、优选地，在所述步骤s300中：

22、疏放水钻孔布置参数包括钻孔长度、倾角、间距、方位角及直径；

23、疏放水钻孔布置的末端终点位于朝向脉冲压裂裂缝发育辐射区域所能包含的多个不连续含水区域中心点连线构成的几何图形的几何中心点。

24、优选地，在所述步骤s300中：

25、疏放水钻孔间距依据含水区域分布及连续情况进行设计；

26、若含水区域分布均匀且连续性好，疏放水钻孔间距为30～50m；

27、若含水区域分布不均匀且连续性不好，疏放水钻孔按照单个钻孔脉冲压裂后能充分联通裂缝发育辐射区域内的含水区域布置，相邻疏放水钻孔间距应能保证相邻两钻孔间所有不连续含水区域均在裂缝发育辐射范围，以防止压裂联通多个含水区域后孔口出水量过大的情况。

28、优选地，在所述步骤s300中：

29、疏放水钻孔的方位角向工作面切眼处偏移30°～60°，使疏放水钻孔具备在工作面回采过程中超前疏水；疏放水钻孔直径为94mm～120mm；单段压裂时间为20～60min。

30、优选地，在所述步骤s300中：

31、所述疏放水钻孔布置形式包括穿层直孔布置、定向长钻孔布置及穿层直孔与定向长钻孔结合布置。

32、优选地，在所述步骤s300中：

33、所述穿层直孔布置包括扇形布孔、平行布孔及扇形布孔与平行布孔相结合。

34、优选地，在所述步骤s300中：

35、所述扇形布孔是指在一个钻场布置多个钻孔，钻孔分布为扇形；采用扇形布孔方式具有钻机移动次数少、钻孔施工效率高的优点，适用于分布较为集中的局部不连续含水区域疏放水。

36、平行布孔是指在采煤工作面两顺槽斜向工作面切眼布置多组长短相间的钻孔，长短相间的钻孔在平面投影相互平行。平行钻孔的优势在于施工量小，作业时间短，并且在工作面回采时能起到超前引流疏放水的作用。采用长短孔相间布置方式是为了减小含水层脉冲压裂改造盲区。

37、优选地，在所述步骤s300中：

38、定向长钻孔布置是指在工作面顺槽中采用定向钻机向煤层顶板砂岩含水层布置定向长钻孔，钻孔长度大于200m，钻孔走向与工作面推进方向平行。因定向长钻孔孔眼轨迹绝大部分都在顶板砂岩含水层中，在定向长钻孔中进行分段脉冲压裂，对含水层的改造范围大，在含水层中形成的人工导水裂隙多，因此，单个钻孔的疏放水覆盖范围大。同时，钻孔走向与工作面推进方向平行，在工作面回采时也可以起到超前引流疏放水的作用。

39、优选地，在所述步骤s300中：

40、穿层直孔与定向长钻孔结合布置是指在工作顺槽中布置穿层直孔与定向长钻孔两种形式的钻孔，首先采用定向长钻孔分段脉冲压裂形成大范围人工导水裂隙，进行顶板裂隙含水层的整体疏放水，然后针对定向长钻孔未辐射的含水区域或局部性较强的含水区域，采用穿层直孔脉冲压裂进行局部疏放水，作为补充保障措施，减少人工导水裂隙的盲区，更加充分的联通顶板不连续含水区域。

41、优选地，在所述步骤s600中：

42、连接设备具体包括：水箱与供水管路通过水箱供水胶管连接，为水箱供液；脉冲压裂泵与水箱通过脉冲泵回水胶管及供水胶管连接，为脉冲压裂泵供液；脉冲压裂泵与高压胶管连接，输出脉冲压裂水并注入钻孔；高压胶管之间接有三通接头和卸压阀，用于卸除管路内的水压力；压力传感器、流量传感器与高压胶管连接，用于监测脉冲压裂过程中管路内的脉冲压力和流量；压力传感器通过压力传感器信号传输线与压裂测控仪连接，流量传感器通过流量传感器信号线与压裂测控仪连接，用于将监测到的管路中的脉冲压力和流量信号传输至压裂测控仪，实时显示脉冲压力及流量曲线并存储数据。

43、优选地，孔口球形止水阀与返水流量计之间的连接，用钢带卡扣将返水流量计固定在巷帮，返水流量计与孔口排水胶管连接，孔口排水胶管接到两顺槽的排水渠中。

44、优选地，在所述步骤s900中：

45、监测及评价作业效果包括顶板裂隙含水层脉冲压裂效果监测评价和疏放水效果监测；

46、顶板裂隙含水层脉冲压裂效果监测包括疏放水钻孔孔壁脉冲压裂裂缝数目及分布形态监测、脉冲压裂裂缝扩展范围监测；

47、疏放水效果监测主要包括脉冲压裂后钻孔返水量统计及工作面正常回采过程中巷道顶板淋水情况统计。

48、优选地，在所述步骤s900中：

49、疏放水钻孔脉冲压裂裂缝扩展范围监测采用相邻钻孔互为观测孔的方法进行观测，若脉冲压裂过程中相邻钻孔出现出水或出水量增大的现象，则表明脉冲压裂裂缝已扩展至相邻钻孔；

50、疏放水钻孔孔壁脉冲压裂裂缝数目及分布形态监测通过钻孔窥视仪进行观测，钻孔施工完成后，在脉冲压裂前采用钻孔窥视仪观测压裂段孔壁形态，脉冲压裂后再进行一次压裂段孔壁窥视观测，对比分析疏放水钻孔脉冲压裂裂缝数目及分布形态。

51、优选地，在所述步骤s900中：

52、所述脉冲压裂后钻孔返水量统计是指通过流量传感器监测压裂期间泵注流量，根据实验室做的室内压裂相似模拟实验计算岩层滤失量，通过孔口返水流量计监测脉冲压裂完成后孔口返水量，通过脉冲泵注水量和岩层滤失量与孔口返水量之差判断是否通过脉冲压裂形成的人工导水通道联通顶板裂隙水，并估算人工导水通道联通的顶板含水区域水量；

53、所述工作面正常回采过程中巷道顶板淋水情况统计是指观测记录压裂前后顶板淋水情况及工作面回采过程中的顶板淋水情况，通过宏观现象直观评价脉冲压裂对促进顶板砂岩裂隙含水区域疏放水的效果。

54、与现有技术相比较，本发明提出的一种顶板含水层疏放水钻孔脉冲压裂构建人工导水通道的方法，不仅能避免布置过多的疏水钻孔，显著提高探放水孔的疏水效率，还能在回采过程中起到超前疏放水的作用。通过这种方法，即使在地质条件不理想的情况下，也能有效地控制矿井水害，保障矿山的安全生产。

55、同时，顶板裂隙含水层疏放水钻孔脉冲压裂兼具疏放水及矿压治理的双重作用，不仅能促进顶板砂岩裂隙含水区域疏放水的效果，还能对煤层顶板进行预裂，减小工作面回采过程中顶板的垮落步距，降低工作面回采期间的矿压显现。

56、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。