(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210463384.5 (22)申请日 2022.04.28 (71)申请人 中煤科工集团西安研究院有限公司 地址 710077 陕西省西安市高新区锦业 一 路82号 (72)发明人 王海军　南生辉　黄选明　王世东　 王海　姬中奎　朱开鹏　刘峰　 (74)专利代理 机构 西安恒泰知识产权代理事务 所 61216 专利代理师 王孝明 (51)Int.Cl. E02D 19/16(2006.01) E02D 19/18(2006.01) E21C 41/18(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明公开了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， 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， 并根据结果判断是否需要构筑截水帷幕， 需 要则执行步骤2； 实现了在煤矿开采过程中顶板 砂岩定向钻孔、 切削楔形缝、 高压压裂注浆和截 水帷幕实时在线监测同时进行， 实现了顶板砂岩 水合理分区管控， 采区顶板砂岩水截 水帷幕构成 了大区域的顶板砂岩隔水边界， 解决了现有技术 中顶板砂岩层截 水帷幕构筑困难的技术问题； 无 线微型监测仪器可实时监测截水帷幕的应力、 变 形、 温度和孔隙水压力， 并对外无线传送和接收， 解决现有技术中顶板砂岩层无法实现实时监测 功能的技 术问题。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 115059105 A 2022.09.16 CN 115059105 A 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； 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， 所述的应力要求包括裂缝端部点上的 Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115059105 A 2Ⅱ型应力强度因子KⅡ， 所述的在裂缝端部点上的 Ⅰ型应力强度因子KⅠ和在裂缝端部点上的 Ⅱ型应力强度因子KⅡ分别通过公式1和公式2得到： 式中： KⅠ—在裂缝端部点上的 Ⅰ型应力强度因子； KⅡ—在裂缝端部点上的 Ⅱ型应力强度因子； β —楔形槽方向与最大主应力σ1的夹角； L—楔形槽高度； R—钻孔半径； σ1—地应力场的最大值； σ3—地应力场的最小值； P—钻孔内 高压水或浆液压力。 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， 所述的羽状 裂缝的长度通过公式3确定： 其中： X表示羽状 裂缝发育 长度； V表示浆液注入量； h表示羽状 裂缝高度； S表示压裂段长度； v表示裂缝 单位面积的漏失量； W表示羽状 裂缝平均缝宽 。 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。 5.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5 0～200m。 6.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， 所述的钻进和注浆的分别采用前进式钻进和压裂注浆工艺， 每段钻进或者压裂 注浆段长度为3 0～100m。 7.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， 所述的采区顶板砂岩水截水帷幕位于采动影响区以外10～40m内。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115059105 A 3