一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法技术

本发明专利技术公开一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法：确定三维地震圈定的陷落柱在煤层底板等高线图上的中心位置即为探查主孔的开孔位置；确定陷落柱探查定向分支孔的数量、方位和水平位移；计算煤层底板与奥灰含水层间的距离，及奥灰含水层的水头高度；计算煤层底板的安全隔水层厚度M；计算陷落柱探查主孔的终孔深度、分支孔的终孔标高；确定分支孔的造斜半径及轨迹；主孔施工，根据岩心判定陷落柱顶界位置，进行水文地质试验；分支孔施工，判定陷落柱上部界面与边部界面并进行水文地质试验；圈定陷落柱的空间形态，分析评价陷落柱的富水性、导水性。本发明专利技术为采场和矿井防治水设计提供科学依据，确保矿井安全、高效生产。高效生产。高效生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法


[0001]本专利技术涉及陷落柱探查
具体地说是一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法。

技术介绍

[0002]我国华北型煤田分布较广，北起阴山，南至秦岭、大别山，西抵贺兰山，东面一直到达海边；包括河北、山西、河南、北京、天津等5省市的全部，吉林、辽宁、内蒙古等3省区的南部，山东省的中部及西部，江苏省的西北部，安徽、陕西两省的北部及甘肃、宁夏两省的东部，总面积约15万km2。华北型煤田为石炭系
‑
二叠系煤田，煤系地层基底为巨厚的奥陶系灰岩，与上覆地层呈假整合接触，普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统。中奥陶统马家沟组灰岩岩溶由于水压高、水量大，对煤层开采造成了极大的突水威胁。
[0003]岩溶陷落柱是我国华北型煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象，是由于煤系地层基底厚层易溶灰岩，在强烈溶蚀与机械作用下，形成大型岩溶洞穴而失去对上覆岩层的顶托力，导致上覆岩层不断向下塌落而形成的柱状塌陷体。岩溶陷落柱在华北型煤田广泛发育和分布，陷落柱规模可达到高度500m、直径10～200m。陷落柱的存在，不仅破坏了煤层的稳定性及连续性，减少了煤炭资源储量，煤炭资源大量损失；同时，陷落柱的存在还影响了工作面的常规布置，降低了综采机械的使用效率，给煤矿安全生产带来了重大的不利影响，降低了煤矿的经济效益。如果对导水性陷落柱探查程度不够，有可能引起矿井突水，导致淹井等重大事故，给煤矿的安全生产带来极大的威胁。因为岩溶陷落柱是岩溶地下水活动的主要通道之一，它往往沟通主要含水层，把奥陶系灰岩水引入矿井，造成淹井水害事故。因此，如何采用行之有效的技术方法查明生产矿区内的陷落柱规模及导水性，为煤矿的安全生产提供有效的技术保障具有十分重大的意义。在生产实践中证明，采用“物探先行”，物探(地球物理勘探)、钻探结合的勘查手段是有效查明陷落柱的保证。
[0004]任何物探方法都是对某种物性特征参数(如：重力、电参数、磁参数和地震波参数等)的差异性解释，因此各种方法都有其优缺点及适用范围。实践证明，采用综合物探技术方法进行综合解释分析，各种技术成果互相验证，达到取长补短的目的，是提高物探资料解释成果可靠性及精度的有效方法。三维地震和瞬变电磁法是煤田地面常用物探的方法。三维地震勘探技术对于煤田的构造(断层、陷落柱等)反映比较敏感，而瞬变电磁法对于构造内含水情况比较敏感。将三维地震勘探和瞬变电磁法综合应用，是煤矿探查煤层赋存、构造及解决水文地质问题的有效手段。
[0005]由于陷落柱是一种孤立的地质体，具有空间形态不规整(其在水平面或煤层底板等高线图上的投影一般呈椭圆形、圆形、长条形等)、大小不一、高度各异、隐蔽性强等特征，陷落柱探测的技术难度较大。我国华北煤田二十世纪八十年代末期引入三维地震勘探技术，此后煤矿采用三维地震勘探技术在观测系统设计、数据采集、资料处理、资料解释上都有了很大的提高，但受物探仪器精度、地质条件(如：地形起伏、上覆松散层厚度、煤系地层
倾角变化、构造复杂程度等)、数据处理软件性能和资料解释人员经验等诸多因素的影响，构造解释成果、煤层厚度的预测与煤矿生产要求的控制精度还不相适应。根据煤矿探采对比结果的不完全统计，目前，三维地震技术对于长轴直径25m以上陷落柱解释的准确率仅为40％～50％。瞬变电磁探测结果主要反映的是体积效应，对陷落柱及其富水性等往往只能进行定性解释，解释的准确率也较低。因此，有必要开发一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，以提高对长轴直径25m以上陷落柱解释的准确率。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，以解决现有陷落柱探查和评价方法对长轴直径25m以上陷落柱解释的准确率低的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，包括如下步骤：
[0009](1)利用三维地震勘探圈定陷落柱(Collapse column)在可采煤层(Coal seam)底板等高线图上的延展分布，确定陷落柱在可采煤层底板等高线图上的中心位置点O(x，y，z)，根据中心位置点确定探查主孔(Main hole)的开孔位置；
[0010](2)确定陷落柱定向分支孔(Branch hole)的数量，并确定定向分支孔的水平投影方位和水平位移(或水平长度)；
[0011](3)分析计算以确定陷落柱附近煤层底板与奥陶系灰岩(简称奥灰)含水层之间的距离，以及奥陶系灰岩含水层的水头高度；
[0012](4)确定临界突水系数，计算煤层底板安全隔水层厚度M；
[0013](5)计算陷落柱探查主孔的终孔深度，确定各定向分支孔的终孔标高(Final hole elevation)；
[0014](6)确定定向分支孔造斜段的造斜半径或狗腿角(Dogleg angle)，设计各定向分支钻孔的轨迹(包括侧钻标高、终孔标高等)；
[0015](7)施工主孔，主孔钻进取芯后根据岩心判定陷落柱顶界位置，并对陷落柱段进行水文地质试验；
[0016](8)施工定向分支孔，判定陷落柱上部界面与边部界面，并对陷落柱段进行水文地质试验；
[0017](9)根据确定的陷落柱顶界位置、陷落柱上部界面和边部界面，确定煤层底板以下M深度至陷落柱顶界的陷落柱实际空间形态，与三维地震勘探圈定的陷落柱位置进行对比分析；并根据水文地质试验的结果对陷落柱的富水性、导水性以及对周围煤层开采突水危险性进行分析和评价。
[0018]本专利技术利用地面定向钻孔技术和钻孔水文地质试验(抽水试验，或注水试验、压水试验)对华北型煤田陷落柱进行探查与评价，该方法在物探圈定陷落柱异常区范围的基础上，进一步查明陷落柱的空间形态及富水性、导水性，避免了井下钻探施工的突水风险，为采场和矿井防治水设计提供科学依据。
[0019]上述基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，步骤(1)中，探查主孔的开孔位置为三维地震勘探圈定的陷落柱中心位置点O(x，y，z)点在地面的投影点；
探查主孔为垂直孔；
[0020]步骤(2)中，根据三维地震勘探圈定的陷落柱在可采煤层底板等高线图上的延展范围来确定定向分支孔的数量以及定向分支孔水平投影的方位和水平位移(或水平长度)；定向分支孔的数量为4～8个；各定向分支孔由探查主孔侧钻而成；定向分支孔水平投影长度超过陷落柱在煤层底板上的投影边界10～20m；
[0021]各定向分支孔的水平位移(Horizontal displacement)的计算公式为：
[0022][0023]式(1)中：H
i
——定向分支孔的水平位移(i＝1，2，3
……
)，m；
[0024]——陷落柱在煤层底板等高线图上投影的中心到定向分支孔与陷落柱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用三维地震勘探圈定陷落柱在可采煤层底板等高线图上的延展分布，确定陷落柱在可采煤层底板等高线图上的中心位置点O(x，y，z)，根据中心位置点确定探查主孔的开孔位置；(2)确定陷落柱定向分支孔的数量，并设计定向分支孔的水平投影方位和水平位移；(3)分析计算以确定陷落柱附近煤层底板与奥灰含水层之间的距离，以及奥灰含水层的水头高度；(4)确定临界突水系数，计算煤层底板安全隔水层厚度M；(5)计算陷落柱探查主孔的终孔深度，确定定向分支孔的终孔标高；(6)确定定向分支孔造斜段的造斜半径或狗腿角，以及各定向分支钻孔的轨迹；(7)施工主孔，主孔钻进取芯后根据岩心判定陷落柱顶界位置，并对陷落柱段进行水文地质试验；(8)施工定向分支孔，判定陷落柱上部界面与边部界面，并对陷落柱段进行水文地质试验；(9)根据确定的陷落柱顶界位置、陷落柱上部界面和边部界面，确定煤层底板以下M深度至陷落柱顶界的陷落柱实际空间形态，与三维地震勘探圈定的陷落柱位置进行对比分析；并根据水文地质试验的结果对陷落柱的富水性、导水性以及对周围煤层开采突水危险性进行分析和评价。2.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，步骤(1)中，探查主孔的开孔位置为三维地5震勘探圈定的陷落柱中心位置点O(x，y，z)在地面的投影点；探查主孔为垂直孔；步骤(2)中，根据三维地震勘探圈定的陷落柱在可采煤层底板等高线图上的延展范围来确定定向分支孔的数量以及定向分支孔水平投影的方位和水平位移；定向分支孔的数量为4～8个；各定向分支孔由探查主孔侧钻而成；定向分支孔水平投影长度超过陷落柱在煤层底板上的投影边界10～20m；步骤(3)中，根据煤矿地质资料和水文地质资料推算陷落柱附近正常可采煤层底板与下伏奥陶系灰岩含水层之间的距离，以及陷落柱中心位置的奥陶系灰岩含水层水头高度；煤矿地质资料和水文地质资料包括煤层底板等高线图、钻孔柱状图、矿井充水性图、奥灰岩含层等水位线图和奥灰顶板等高线图。3.根据权利要求2所述的基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，各定向分支孔的水平位移的计算公式为：式(1)中：H
i
——定向分支孔的水平位移(i＝1，2，3
……
)，m；——陷落柱在煤层底板等高线图上投影的中心到定向分支孔与陷落柱边界交点水平距离，m；l——定向分支孔超过的长度，m；l取10～20；对于长轴直径小于100m的陷落柱，在主孔段侧钻4个定向分支孔，4个定向分支孔的水
平投影分别在长轴、短轴方向；对于长轴直径大于100m的近椭圆陷落柱，在主孔段侧钻8个定向分支孔，以陷落柱水平面投影与正北方向夹角小于90
°
的长轴方位为第一个分支孔的方位，按顺时针或逆时针方向，每45
°
设计一个定向分支孔；对于长轴直径大于100m的形状不甚规则的陷落柱，根据陷落柱平面投影形状设计定向分支孔的数量，使任意相邻两个定向分支孔的终孔位置在水平面上的投影间距相等。4.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，步骤(4)中，煤层底板受构造破坏的地段的临界突水系数为0.06MPa/m，煤层底板隔水层完整且无断裂构造破坏的地段的临界突水系数为0.10MPa/m；煤层底板安全隔水层厚度M的计算公式为：式(2)中：P
S
——底板隔水层安全水头值，m；T
S
——临界突水系数，MPa/m；A0——安全系数，取值为1.2～1.5。5.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，步骤(5)中，根据陷落柱附近可采煤层底板等高线推算主孔位置陷落柱未发育时的煤层底板标高c
M
、各定向分支孔水平投影与陷落柱边界交点C
i
(i＝1，2，3
……
)位置处的煤层底板标高C
Ci
，并根据M和C
Ci
计算主孔的终孔深度，并确定各定向分支孔的终孔标高F
Ci
；
①
主孔的终孔深度的计算公式为：d
M
＝z
M
‑
c
M
+M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；式(3)中：d
M
——主孔终孔深度，m；z
M
——主孔开孔位置地面标高，m；c
M
——主孔位置陷落柱未发育时的煤层底板标高，m；M——煤层底板安全隔水层厚度；
②
各定向分支孔的终孔标高的计算公式为：F
Ci
＝C
Ci
‑
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；式(4)中：C
Ci
——定向分支孔水平投影与陷落柱边界交点C
i
(i＝1，2，3
……
)位置处的煤层底板标高，m；F
Ci
——定向分支孔的终孔标高，m。6.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔技术的华北型煤田陷落柱探查与评价方法，其特征在于，步骤(6)中：
①
各定向分支孔的垂向位移V
i
的计算公式为：式(5)中：V
i
——定向分支孔的垂向位移(i＝1，2，3
……
)，m；r——定向分支孔的造斜半径，大于或等于200m，即狗腿角小于或等于8.60
°
/30m；H
i
——定向分支孔的水平位移(i＝1，2，3
……
)，m；
②
各定向分支孔的长度L
i
的计算公式为：
式(6)中：L
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桦，黄井武，王厚柱，刘书杰，梁茂亮，左永江，孙晓宇，黄安东，杨雪，种欲伟，戴亚男，
申请(专利权)人：单县丰源实业有限公司中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：