[发明专利]煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法

权利要求书

1.一种煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，根据区域构造、煤矿地质条件和水文地质特征评估煤矿开采对顶板砂岩水、顶板水渗漏量和水位变化的影响，并根据评估结果判断是否需要构筑截水帷幕，需要则执行步骤2；

步骤2，根据煤矿地质和采煤工艺条件分别规划采区和工作面的位置、范围以及开采顺序，确定顶板砂岩水截水帷幕位置，并在煤矿采区采动影响范围以外构筑闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕；

步骤3，在地面架设定向钻机，并采用定向钻机沿设计轨迹在采区顶板砂岩层施工垂直钻孔和定向钻孔，完成水平钻孔施工后，提起钻杆；

步骤4，在已施工的区顶板砂岩层的水平钻孔的顶部和底部通过楔形槽切削结构分别切削出上行楔形槽和下行楔形槽，在满足应力要求时水平钻孔顶部和底部形成连续的高度L的楔形槽后，取出楔形槽切削结构；

所述的应力要求包括裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子，所述的在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子和在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子分别通过公式1和公式2得到：

（1）

（2）

式中：

—在裂缝端部点上的Ⅰ型应力强度因子；

—在裂缝端部点上的Ⅱ型应力强度因子；

—楔形槽方向与最大主应力的夹角；

—楔形槽高度；

—钻孔半径；

—地应力场的最大值；

—地应力场的最小值；

—钻孔内高压水或浆液压力；

步骤5，制备截水帷幕材料，采用压裂注浆一体泵将截水帷幕注浆材料通过采区顶板砂岩的垂直钻孔的套管后输送至采区顶板砂岩的水平钻孔中的每一段压裂注浆段中，截水帷幕注浆材料沿着水平钻孔的顶部和底部的上楔形槽和下行楔形槽压裂顶板砂岩并发育出羽状裂缝，截水帷幕注浆材料沿羽状裂缝扩散形成竖向的截水墙体；

步骤6，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；

步骤7，重复步骤3~6，构筑连续且闭环的采区顶板砂岩水截水帷幕和监测预报系统；

步骤8，通过步骤3至步骤5的工序在采区顶板砂岩水截水帷幕内部构筑n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕，所述的n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区划分为n个工作面；

所述的工作面顶板砂岩水截水帷幕的两端与采区顶板砂岩水截水帷幕相连；

步骤9，在定向水平钻孔内安设无线微型监测仪器，构成工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统；

步骤10，顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统和n-1个工作面顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报分系统构成顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统；

所述的顶板砂岩水截水帷幕性能监测预报总系统实时监控采区顶板砂岩水截水帷幕和工作面顶板砂岩水截水帷幕的运行情况，发现异常情况及时预警，并根据监测数据采区相应的处理措施；

步骤11，对n个工作面进行回采，当回采至第m工作面时，回采过程中的顶板砂岩水渗漏至采空区，经巷道汇流后由潜水泵抽排并转移至第m工作面的井下储水单元；采区内的n个工作面全部回采完成时，工作面顶板砂岩水截水帷幕将采区隔离成n-1个完全独立的顶板砂岩储水单元；

所述的第m工作面的井下储水单元为已回采的第m-1工作面的采空区和顶板砂岩孔隙裂隙区；

其中：1≤m≤n。

2.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的羽状裂缝的长度通过公式3确定：

（3）

其中：

表示羽状裂缝发育长度；

表示浆液注入量；

表示羽状裂缝高度；

表示压裂段长度；

表示裂缝单位面积的漏失量；

表示羽状裂缝平均缝宽。

3.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的无线微型监测仪器为球形结构，包括依次设置的热能转换端、无线传输端、无线接收端、应力计、温度计、位移计和水压计。

4.如权利要求1所述的煤矿顶板砂岩水定向钻孔随采随注随监截水帷幕保水方法，其特征在于，所述的无线微型监测仪器间的距离在50~200m。