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申请/专利权人：中国矿业大学

摘要：本发明公开了一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，涉及矿井水害防治技术领域，包括鄂尔多斯盆地侏罗系煤炭覆岩由上到下依次为第四系Q，第三系N，白垩系K和侏罗系J；考虑到疏放水之后的抽排施工，钻孔确定为直孔，从上至下共计四段，第一段：通过设置套管防止松散层段坍塌堵塞钻孔，首先从地面施工，第一段孔径Φ220‑240mm，套管直径Φ200‑220mm，灌注水泥浆隔离，计算套管长度L1；第二段：施工孔径Φ150‑190mm，下套直径Φ130‑170mm的花管，计算该段钻孔长度L2。第三段：钻孔孔径Φ100‑110mm，下套直径Φ80‑90mm的花管，计算该段钻孔长度L3；第四段：钻孔孔径Φ70‑90mm，钻孔至冒落带顶部，全段裸孔。最后提出工作面钻孔布置方法，由于指导现场打孔施工。本发明通过对含水层抽排来治理煤矿高位顶板水害，提高经济效益。

主权项：1.一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：钻孔结构设计鄂尔多斯盆地侏罗系煤炭覆岩由上到下依次为第四系Q，第三系N，白垩系K和侏罗系J；考虑到疏放水之后的抽排施工，钻孔确定为直孔，从上至下共计四段；第一段：通过设置套管防止松散层段坍塌堵塞钻孔，首先从地面施工，第一段孔径Φ220-240mm，套管直径Φ200-220mm，灌注水泥浆隔离，计算套管长度L1；第二段：施工孔径Φ150-190mm，下套直径Φ130-170mm的花管，计算该段钻孔长度L2；第三段：钻孔孔径Φ100-110mm，下套直径Φ80-90mm的花管，计算该段钻孔长度L3；第四段：钻孔孔径Φ70-90mm，钻孔至冒落带顶部，全段裸孔；步骤二：钻孔布置采动作用下隔水层到达塑性极限后，岩层快速变形下沉并发育裂隙，导致工作面大周期来压，此时积水离层快速发育，容易发育导水裂隙，引发离层突水，因此将相邻钻孔间距设定为隔水层到达塑性极限的距离；钻孔位置应设置在隔水层到达塑性极限之前，同时避开采空区中心压实区，位于突水离层带层位采动裂隙“O型圈”范围内，尽可能保证在突水前对高位离层积水区进行有效疏放；接着，根据弹塑性矩形截面梁本构关系，计算出矩形截面梁发生弹塑性弯曲时的截面弯矩，得到梁全部进入塑性状态时的荷载，即塑性极限荷载，隔水层全部进入塑性状态时揭露长度，根据覆岩垂向几何关系，从切眼到停采线，计算出第1个钻孔距切眼位置；距切眼相同距离下，倾向钻孔数量遵循“只多不少”的原则，单数不少于1个，倾向钻孔位置布置原则如下：1、尽可能布置在含水层渗透系数相对较大处；2、尽可能布置在含水层相对较大处；3、尽可能布置在含水层底板标高最低处；4、尽可能布置在工作面倾向中心位置处；以上原则优先级：1234；首先将位于含水层下部的隔水层视为塑性矩形截面梁，则根据塑性矩形截面梁本构关系式为，式中，为岩层的轴向应力；为含水层的塑性极限；为纵坐标，以几何中心为零点，向下纵坐标正方向，向右横坐标正方向；岩层厚度;为塑性区的边缘到对称轴的距离，是横坐标的函数；为岩层塑性区的边缘的纵坐标；为岩层弹性区的边缘的纵坐标；所述截面弯矩计算公式为，其中式中，为截面弯矩，为截面宽度，为弹性模量，其余符号同前，因此矩形截面梁发生弹塑性弯曲时，即，则截面弯矩写为：；将岩层概化为受均布荷载的简支梁，简支梁弯矩为：；式中，为岩层受到的均布荷载，为岩层的揭露长度；为横坐标，联合上述公式可得出：；为微积分运算符号；为岩层弹性区的应力；为表示岩层物理性质的数学表达式，；令x=0或l，，即可得到塑性极限荷载计算公式：，隔水层全部进入塑性状态时揭露长度计算公式为：，式中，下标g表示隔水层，h表示含水层；为隔水层倾向揭露宽度，，为工作面宽度；为隔水层底板距煤层顶板的垂直距离，为岩层破断角，一般取70°-85°；为岩石塑性强度，取岩石单轴矿压强度的70%；为岩层厚度；为岩层重度；为下覆岩层对隔水层的支撑系数；为施加到隔水层的水压；为岩层塑性强度，为隔水层岩层的塑性强度；所述第1个钻孔距切眼位置计算公式为：，其中；第i+1个钻孔（i=1,2,3...）距切眼距离：，其中；式中，为隔水层到达塑性极限时工作面的推进距离，m；为钻孔距工作面水平距离，为含水层底界面到煤层顶板垂直距离；为钻孔距“O型圈”外边界距离，取5-30m，为岩层破断角，取70°-85°；为煤层走向倾角。

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