CN103628914B - 一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法，确定采煤的相关地质参数；确定煤层上分层开采的厚度；对煤层上分层开采；待煤层上分层垮落岩石初步稳定，开始煤层下分层施工工作面，同时在煤层下分层的采煤工作面的地面区域实施垂直探放水钻孔组；在煤层下分层的工作面开采前，开始抽放低渗厚层含水层中的水；开采煤层下分层，依次停止工作面的地面钻孔抽放水并封孔；煤层下分层完成回采；煤层上分层开采后，增大钻孔探放水的效果，下分层开采时无需停止煤层开采等待含水层的探放；采用地面钻孔探放水，无需通过含水层下破碎严重的层位；分层开采产生的导水裂隙带低，进入工作面的水量减小，降低了突水危险性和排水费用。

Description

一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，涉及一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法。

背景技术

煤层顶板含水层是威胁煤炭安全开采的潜在水源，特别是含水层中的水一次性大量涌入工作面，会产生突水事故，轻则造成工作面停产，经济损失巨大，重则造成安全事故。为此，煤层开采前多采用井下钻孔探放水技术，提前对含水层中的水体进行探放，来避免突水事故的发生。但是，当煤层顶板含水层是厚层且低渗时，每个钻孔探放的影响范围小，探放的效果十分有限，无法达到提前大量疏放含水层水体的目的，而煤层开采时由于含水层厚度大一次性释放的水量巨大，易造成突水事故。另外，也有煤层开采采用在每个或多个工作面来压前进行一次井下随采探放含水层的方法，但是含水层探放工作和煤层开采工作相互影响，且来压不易准确判定，不能高效进行探放水，且井下探放钻孔不易实施。

综合以上，目前探放低渗厚层基岩含水层的方法存在以下几点问题：

1）在煤层开采前，探放低渗厚层基岩含水层，低渗的含水层被疏放的影响半径小，含水层疏放效果差；

2）煤层开采的同时对含水层进行井下探放，不利于煤层连续无间断开采，钻探施工直接影响煤炭资源的开采进度；

3）随着煤层开采同步对含水层进行井下探放，由于煤层开采造成含水层下面的部分岩层破碎，不利于钻孔通过，易造成塌孔，成孔施工难度较大；

4）井下探放水量大时，不仅影响生产，还需要施工专门的泄水巷道，影响工作面的布置和煤炭资源的高效开采；

5）一次性开采煤层全厚产生的导水裂隙带的发育高度高，造成含水层进入工作面水量增加，使得工作面突水危险性和排水费用增加；

6）工作面的来压受多种因素影响，即将来压前需要探放水，随着煤层开采的进行含水层井下探放的时机不易把握。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法。

为实现上述目的，本发明方案如下：

步骤一：依据煤田勘探获得的开采区域钻孔柱状图确定采煤的相关地质参数，包括开采的煤层的总厚度M、煤层顶板至低渗厚层含水层底板之间的相对隔水层的厚度D；

步骤二：对煤层的顶板岩石取样，测定顶板岩石饱和单轴抗压极限强度σ；若σ≤20MPa则顶板为软弱顶板，20MPa＜σ≤40MPa则顶板为中硬顶板，40MPa＜σ≤60MPa则顶板为坚硬顶板；

步骤三：确定煤层上分层开采的厚度M₁，若顶板为软弱顶板，则 $M_1=\frac{(5.1n_1+5.2)(H_1-5.1)}{100};$ 若顶板为中硬顶板，则 $M_1=\frac{(3.3n_1+3.8)(H_1-5.1)}{100};$ 若顶板为坚硬顶板，则式中H₁为煤层上分层开采产生的导水裂隙带的最大高度，H₁=D-H_b，H_b为临时保护层厚度，H_b取20～30m，n₁=1；

步骤四：对煤层上分层开采，在煤层上分层开采的同时，在煤层上分层的底板同步铺设顶网，作为煤层下分层开采的假顶；

步骤五：煤层上分层开采完成后，待煤层上分层上面垮落的岩石稳定，顶网作为煤层下分层的假顶形成后，开始煤层下分层上、下顺槽和开切眼施工，同时在煤层下分层的采煤工作面垂直投影的地面区域实施垂直探放水钻孔组，其中工作面垂直投影的倾向长度应大于50m，走向长度应大于500m；探放水钻孔组从工作面始采线至终采线，所有钻孔的垂向终孔位置进入低渗厚层含水层底板以下；

步骤六：在煤层下分层的工作面开采前，通过地面探放水钻孔组，开始抽放已经受煤层上分层开采扰动渗透性、导水性增加的低渗厚层含水层中的水；

步骤七：开采煤层下分层，随着煤层下分层工作面的开采推进，依次停止工作面推进到达前的区域的地面钻孔抽放水，并注速凝泥浆快速封孔，直至所有钻孔全部完成快速封孔；

步骤八：煤层下分层完成回采，少量顶板涌水通过工作面排水系统排出。

所述煤层总厚度M≥3.5m，60m＜D＜H，H为煤层各分层全部完成开采产生的导水裂隙带的最大高度。

所述步骤四中在煤层上分层采煤工作面形成后进行开采前，对工作面上方低渗厚层含水层进行地球物理勘探，对探查到的低渗厚层含水层的天然富水异常区域，进行井下钻孔探放水，然后对煤层上分层进行开采。

所述探放水钻孔组相邻钻孔间距为50～80m，两端的钻孔距离对应的边界线的距离应小于50m。

所述探放水钻孔组钻孔的垂向终孔位置进入低渗厚层含水层底板以下2～5m。

所述步骤七中工作面推进到的区域前50～100m的地面钻孔依次停止抽放水并注速凝泥浆快速封孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）煤层上分层开采后，使得低渗厚层基岩含水层发育有以离层为主的水平向裂隙，可以增大钻孔探放水的效果；

2）采用分层开采，在煤层下分层工作面形成的过程同步施工探放水钻孔，下分层开采时，无需停止煤层开采等待含水层的探放；

3）采用地面钻孔探放水，无需通过含水层下破碎严重的层位，探放水钻孔施工难度小；

4）采用地面钻孔探放水，无需施工专门的井下泄水巷道，有利于煤层高效开采；

5）分层开采产生的导水裂隙带低，进入工作面的水量减小，降低了突水危险性和排水费用；

6）在煤层下分层开采前就形成了探放水钻孔组，且工作面推进到适宜距离就停止抽放水，含水层抽放的时机易把握。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中低渗厚层基岩及含水层的断面图；

图中1、低渗厚层含水层，2、煤层上分层，3、煤层下分层，4、探放水钻孔组，5、相对隔水层，6、煤层，7、煤层上分层开采产生的导水裂隙带，8、煤层全部分层开采产生的导水裂隙带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细地描述。

如图1、图2所示，一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法，包括下述步骤：

步骤一：通过煤田勘探获得的钻孔柱状图，依据开采区域的钻孔柱状图确定采煤的相关地质参数，包括开采的煤层6的总厚度M、煤层6的顶板至低渗厚层含水层1的底板之间的相对隔水层5的厚度D。其中，3.5m≤M，60m＜D＜H，H为煤层6各分层全部完成开采产生的导水裂隙带8的最大高度。

步骤二：确定煤层6的顶板岩石类型。对煤层6的顶板岩石取样，测定岩石饱和单轴极限强度σ，σ≤20MPa则顶板为软弱顶板，20MPa＜σ≤40MPa则顶板为中硬顶板，40MPa＜σ≤60MPa则顶板为坚硬顶板。

步骤三：依据经验公式确定煤层上分层2开采的厚度M₁。其中，顶板为软弱顶板则采用公式计算，顶板为中硬顶板则采用公式计算，顶板为坚硬顶板则采用公式计算，式中H₁为煤层上分层2开采产生的导水裂隙带7的最大高度，H₁=D-H_b，H_b为临时保护层厚度，取20～30m，n₁为产生导水裂隙带7所开采的煤层分层数，这里煤层上分层2为第一个开采煤层，因此n₁=1。

步骤四：在煤层上分层2采煤工作面形成后、开采前，对工作面上方低渗厚层含水层1进行地球物理勘探，对探查到的低渗厚层含水层1的天然富水异常区域，进行井下钻孔探放水。

步骤五：对煤层上分层2开采，采用的顶板管理方法为全部垮落，且在煤层上分层2开采的同时，在煤层上分层2的底板同步铺设顶网，作为煤层下分层3开采的假顶。

步骤六：煤层上分层2开采完成后2个月以上，煤层上分层2上面垮落的岩石初步稳定，顶网作为煤层下分层3的假顶形成后。开始煤层下分层3上、下顺槽和开切眼施工，同时在煤层下分层3的采煤工作面垂直投影的地面区域实施垂直探放水钻孔组4，其中工作面垂直投影的倾向长度应大于50m，走向长度应大于500m。探放水钻孔组4从工作面始采线至终采线，沿煤工作面走向依次排布，相邻钻孔间距为50～80m，两端的钻孔距离对应的边界线的距离应小于50m，所有钻孔的垂向终孔位置是进入低渗厚层含水层1底板以下2～5m。

步骤七：在煤层下分层3的工作面开采前，通过地面探放水钻孔组4，开始抽放已经受煤层上分层2开采扰动渗透性、导水性增加的低渗厚层含水层1中的水。

步骤七：采用顶板全部垮落的顶板管理方法，开采煤层下分层3，随着煤层下分层3的工作面的开采推进，工作面推进到的区域前50～100m的地面钻孔依次停止抽放水并注速凝泥浆快速封孔，直至所有钻孔全部完成快速封孔。

步骤八：煤层下分层3安全完成回采，少量顶板涌水通过工作面排水系统排出，未发生顶板突水事故。

采用分层开采，煤层上分层2开采后，煤层6上覆岩层中垂向裂隙为主的导水裂隙带7发育到低渗厚层含水层1及其临时保护层以下，避免含水层1的水通过垂向裂隙为主的导水裂隙带7进入煤层上分层2的开采工作面。此时，含水层1由于层厚易产生离层为主的水平裂隙，使得低渗的含水层1渗透性、导水性增强，因此提高了地面探放钻孔组4抽水的效率，保证了在煤层下分层3开采产生的导水裂隙带8发育到低渗厚层含水层1时，含水层1中的静储水量已经大幅减少，开采过程中一次性释放水量较小，从而有效控制水害的发生。另外，分层开采技术相比较一次性采煤层全高开采技术产生的导水裂隙带最大高度有所降低，有效减少了含水层1的导水裂隙发育厚度，减少初期涌入煤层下分层3工作面的水量，有效控制水害发生。

Claims (6)

1.一种缓倾角煤层分层开采探放低渗厚层基岩含水层的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：依据煤田勘探获得的开采区域钻孔柱状图确定采煤的相关地质参数，包括开采的煤层(6)的总厚度M、煤层(6)顶板至低渗厚层含水层(1)底板之间的相对隔水层(5)的厚度D；

步骤二：对煤层(6)的顶板岩石取样，测定顶板岩石饱和单轴抗压极限强度σ；若σ≤20MPa则顶板为软弱顶板，20MPa＜σ≤40MPa则顶板为中硬顶板，40MPa＜σ≤60MPa则顶板为坚硬顶板；

步骤三：确定煤层上分层(2)开采的厚度M₁，若顶板为软弱顶板，则 $M_1=\frac{(5.1n_1+5.2)(H_1-5.1)}{100};$ 若顶板为中硬顶板，则 $M_1=\frac{(3.3n_1+3.8)(H_1-5.1)}{100};$ 若顶板为坚硬顶板，则式中H₁为煤层上分层(2)开采产生的导水裂隙带(7)的最大高度，H₁＝D-H_b，H_b为临时保护层厚度，H_b取20～30m，n₁＝1；

步骤四：对煤层上分层(2)开采，在煤层上分层(2)开采的同时，在煤层上分层(2)的底板同步铺设顶网，作为煤层下分层(3)开采的假顶；

步骤五：煤层上分层(2)开采完成后，待煤层上分层(2)上面垮落的岩石稳定，顶网作为煤层下分层(3)的假顶形成后，开始煤层下分层(3)上、下顺槽和开切眼施工，同时在煤层下分层(3)的采煤工作面垂直投影的地面区域实施垂直探放水钻孔组(4)，其中工作面垂直投影的倾向长度应大于50m，走向长度应大于500m；探放水钻孔组(4)从工作面始采线至终采线，所有钻孔的垂向终孔位置进入低渗厚层含水层(1)底板以下；

步骤六：在煤层下分层(3)的工作面开采前，通过地面探放水钻孔组(4)，开始抽放已经受煤层上分层(2)开采扰动渗透性、导水性增加的低渗厚层含水层(1)中的水；

步骤七：开采煤层下分层(3)，随着煤层下分层(3)工作面的开采推进，依次停止工作面推进到达前的区域的地面钻孔抽放水，并注速凝泥浆快速封孔，直至所有钻孔全部完成快速封孔；

步骤八：煤层下分层(3)完成回采，少量顶板涌水通过工作面排水系统排出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述煤层(6)总厚度M≥3.5m，60m＜D＜H，H为完成煤层全部分层开采产生的导水裂隙带(8)的最大高度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤四中在煤层上分层(2)采煤工作面形成后进行开采前，对工作面上方低渗厚层含水层(1)进行地球物理勘探，对探查到的低渗厚层含水层(1)的天然富水异常区域，进行井下钻孔探放水，然后对煤层上分层(2)进行开采。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述探放水钻孔组(4)相邻钻孔间距为50～80m，两端的钻孔距离对应的边界线的距离应小于50m。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述探放水钻孔组(4)钻孔的垂向终孔位置进入低渗厚层含水层(1)底板以下2～5m。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤七中工作面推进到的区域前50～100m的地面钻孔依次停止抽放水并注速凝泥浆快速封孔。