近水平煤层长距离采空区定向疏水钻孔选择方法研究

摘 要：【目的】为解决近水平煤层长距离采空区定向疏水钻孔选择的难题，需要一套量化评价的方法，为矿井探放水工程施工提供依据。【方法】本研究通过构建近水平煤层长距离采空区定向疏水钻孔水量计算模型，以伯努利方程为基础，综合分析开孔位置、孔径、孔深等参数，推导单孔及分支孔涌水量计算公式。【结果】以母杜柴登煤矿实际施工的采空区定向疏水钻孔为例，分析对比计算公式的准确性，同时对近水平煤层条件下单孔与分支孔水量、经济效益进行对比分析。【结论】得出了近水平煤层长距离采空区定向疏水钻孔布置的影响因素和选择方法。该方法准确性较高、计算简便，为类似矿井采空区水害治理提供了一定的借鉴和参考。

关键词：近水平；采空区定向钻孔；选择方法

中图分类号：TD745" "文献标志码：A" " "文章编号：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

母杜柴登煤矿位于鄂尔多斯东南部呼吉尔特矿区，是近年来新规划发展的大型现代化矿井。井田含煤地层为侏罗系延安组煤层，整体为单斜构造，煤层倾角1°～6°，起伏变化较小。区内地质构造相对简单，未发育大型断层。主要充水含水层为主采3-1煤层上方2-2中煤顶板至直罗组底部中、粗粒砂岩含水层，主要通过煤层开采后形成的导水裂隙向工作面充水。但随着矿井的持续开采形成采空区，水害类型逐步由单一的顶板砂岩水害转变为顶板水害与采空水害相互叠加作用［1］，顶板砂岩水持续向采空区充水，形成了动水补给采空区水害，加大了治理难度。特别是近水平煤层条件下，工作面底板整体起伏变化不大，中部出现一定的波状起伏，采空区涌水无法向一侧或特定区域流动，形成了多点、大面积补给积水，治理难度进一步加大。

近年来，煤矿定向钻探技术不断发展，已应用于瓦斯抽采、掘进工作面超前探放水、顶板疏放水、采空区探查与疏放等多个领域［2］。在采空水害治理方面，一般采空区水头高度大，对放水效果影响不明显。但在近水平煤层条件下，采空区水头高度一般较小，常为2～4 m，在长距离条件下往往出水量较小，不能满足矿井水害治理的需求。本研究以某一工作面为例，通过对定向钻孔出水影响因素进行全面分析，得出了近水平煤层长距离采空区定向疏水钻孔选择方法，可以很好地指导后续钻孔设计与施工。研究成果为近水平煤层条件下采空区水害治理提供了一定的依据。

1 概况

西一工作面位于井田南翼西部边界附近，主采煤层为3-1煤。工作面设计长度为5 888 m，宽度为300 m。煤层底板标高在+626.96～+670.74 m之间，南高北低，整体为单斜构造，工作面煤层倾角为2°左右，起伏变化不大，整体为俯采工作面，工作面内形成的低洼点与周围相对高点最大高差为4.47 m，一般在2 m左右。

该工作面采用单巷布置，胶运巷以西60 m设置一条同层泄水巷。在回采后期工作面中部发育一小型向斜，致使涌水集中在工作面中部，无法向两侧顺槽及泄水巷流动，致使工作面架前水量持续增大，动态补给量最大达805 m³/h，对生产造成了严重的影响。同时区段煤柱宽度为6 m，相邻的西二工作面在巷道掘进阶段需要对采空区涌水进行超前疏放［3］。

为解决采空区水害采用了长距离定向钻孔对采空区涌水进行截流疏放。钻孔布置在煤层底板下0～5.5 m，钻孔孔深112～381 m。在治理过程中，陆续施工9个积水区钻孔，但疏放效果均未达到预期100～150 m³/h的目标。9个钻孔参数见表1。

2 钻孔水量影响因素分析

2.1 建立模型

井下施工的各类钻孔均采用圆形钻头切削煤岩层，进而，形成圆形钻孔［4］，含水层水及采空区涌水通过钻孔形成的圆形空间流至排水点。钻孔涌水类似于管道流［5］，采空区疏水钻孔水量计算模型如图1所示。

在管道流量计算中，水流大小主要取决于水头高度、沿程水头损失、管路过水断面（管路直径）。通常采用伯努利方程进行计算［6］。在理想状态下有式（1）。

式中：h1、h2分别为过水断面1-1、2-2上的两点在基准线上的高度，m；p1、p2分别为过水断面1-1、2-2上的两点在基准线上的静压，Pa；v1、v2分别为过水断面1-1、2-2上的两点的流速，m/s；ρ为液体的密度，g/cm3。

考虑到沿程损失，同时假设以钻孔出水口为基准线［7］，1-1为采空区自由水面，2-2为钻孔出水口，则p1、v1、p2、h2均为零。对两边同时除以ρg，则式（1）转化为式（2）。

2.2 影响因素分析及参数选取

从以上计算可以看出，影响钻孔出水的因素主要有钻孔孔径、深度，采空区水头高度及沿程阻力系数等［9］。而沿程阻力系数主要与钻孔粗糙度及雷诺数有关［10］。

从式（4）中可以看出，钻孔涌水与管路直径的2.5次方成正比，与水头高度的0.5次方成正比，与孔深及沿程阻力系数的0.5次方成反比。

上述参数中钻孔孔径、水头高度、孔深为实际施工参数。沿程阻力系数根据莫迪图［11］及经验值，确定为0.025。

3 模型准确性分析

根据式（4）及相应参数数据，计算各钻孔涌水量，具体见表2。

计算水量与实际水量对比情况如图2所示。通过模型计算结果与实际涌水量对比分析可知，准确率平均为87.5%，该模型可以作为钻孔涌水量计算依据。

4 分支钻孔涌水量分析

定向钻孔作为一种井下新兴的探放水技术，主要特点是能够精准施工至靶点位置，同时能够在孔内开分支钻孔，减少一部分钻探量及孔口管的下设，提高钻探工作效率及经济效益［12］。拟在孔内二分之一位置开分支计算，构建模型如图3所示。

本研究以定向钻孔孔径120 mm、孔深300 m、单价790元/m、水头高度10 m、在孔深二分之一位置开分支为例，计算单孔与分支钻孔水量，具体见表3。

由表3可知，在近水平煤层条件下，同层泄水，单孔与分支孔水量相差不大，未能发挥定向钻孔的优势，同时经济效益也没有优势。

5 定向钻孔选择方法

近水平煤层条件下采空区涌积水疏放主要面临以下问题：①近水平煤层条件下，底板起伏变化不大，有时倾角为2°左右。施工一个150 m的钻孔，孔口与孔底高差5.2 m左右，有时高差甚至为1～2 m。水头高度较小，对钻孔出水量影响较大。②同层钻孔倾角较小，若选择短距离钻孔，则要穿过底板应力影响区，容易造成钻孔变形、塌孔。③采空区低洼点多淤积大量的岩屑，钻孔倾角越小，越容易造成堵孔现象，需要频繁透孔。

从实际涌水量及影响因素分析可知，应尽量选择大口径短孔，钻孔深度一般应小于150 m。一般情况下应开挖下山，增大钻孔出水水头高度，从而增加钻孔的出水量及排渣能力。同时钻孔布置应减少应力增高及破碎区域，尽量少选择或不选择分支钻孔。在有条件的情况下，应考虑下层泄水，进一步增加水头高度，降低钻孔孔深。

6 结论

①本研究通过构建采空区涌水钻孔水量计算模型，应用伯努利方程，根据水头高度、孔深、孔径计算了钻孔水量。通过与实际钻孔涌水量进行比较分析得出，该模型整体准确性较高，可以计算定向钻孔涌水量。

②本研究在单孔水量计算的基础上，构建了定向分支钻孔水量计算模型，推导了相应的计算公式。通过设定参数计算了单孔与分支钻孔的水量，并分析了两种钻孔单位水量成本，表明在近水平煤层条件下，分支钻孔不具备优势。

③通过计算分析和与实际进行对比，确定了近水平煤层条件下，钻孔涌水量的影响因素，并给出了此条件下，钻孔选择的方法。此方法可以为类似矿井在治理采空区涌积水水害提供参考。

④本研究以二分之一位置开孔对单孔与分支钻孔进行了比较，并假定了钻孔深度、水头高度及孔径等参数，结论较为单一。后期可对不同参数进行比较，得出不同情形下的结果。

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收稿日期：2024-01-31

作者简介：段海涛（1989—），男，本科，工程师，研究方向：煤矿地测防治水。