CN104386409A - 一种煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,适用于煤炭开采与环境保护技术领域使用。先采集矿井各采煤区域的覆岩钻孔柱状,采用关键层判别软件进行具体钻孔柱状条件下覆岩关键层位置的判别,之后根据各区域覆岩关键层位置的判别结果,使用导水裂隙带高度的预计方法,对各区域采动覆岩导水裂隙带高度进行计算;最后根据各区域覆岩导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系,分别确定是否需要施工水源引流钻孔,以及钻孔的布置位置、施工深度和施工方法。其步骤简单,实施方便,用于缺水矿区煤炭生产过程中,利用井下采空区进行水资源保护与循环利用的保水采煤实践,具有很高的可靠性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种保水方法,尤其是一种适用于煤炭开采与环境保护技术领域中的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法。
背景技术
我国西部大多是干旱半干旱的水资源匮乏地区,年均降水量低于400mm,但蒸发量却达到2500mm左右。近年来,随着该地区煤炭开采强度的不断加大,导致该地区水域环境及生态系统遭到严重破坏,主要表现为:地下水位下降,河湖萎缩;天然植被枯死,自然生态系统退化;水土流失严重,土地荒漠化加剧。我国西部水资源量仅占全国的1.6%,水资源与生态环境相互作用,互相影响,生态环境十分脆弱,已成为制约西部干旱半干旱地区煤炭可持续开发的重大因素。因此,如何能在煤炭开采的过程中最大限度的防止生态环境遭到破坏、有效保护水资源,是我国西部煤炭开发过程中面临的重大技术问题,也是保水采煤所需解决的关键科学问题。
目前,已有相关发明提出利用煤矿井下采空区作为储水和净化水的空间,依靠采动岩体的破断裂隙作为水源流动的通道,将雨水、地表水、基岩含水层储水等水源收集至采空区,进行矿区水资源系统的统筹蓄储和循环利用,取得了较大成功,参考CN1221479C,煤矿井下采空区水的净化方法,2005;CN102862775A,一种矿井地下水的分布式存储方法,2013。然而,事实上并非所有情况下煤层开采后其上覆岩层的采动裂隙均能导通水源。如,对于开采煤层厚度较小、基岩较厚的开采条件,覆岩采动裂隙发育的高度有限,其仅能将基岩中部分含水层中的水源导入采空区储存,而对于水源相对丰富的大气降水以及地表水,却无法收集利用。由此,地表水源将会在巨大的蒸发作用下而损耗、浪费。为了充分利用地表水资源,尤其是大气降水,防止地表蒸发造成水资源损失,有必要针对采动裂隙无法沟通地表的开采条件,开展将煤矿区地表水源引流至采空区进行蓄存的保水方法的专门设计。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存的问题,通过对矿井各开采区域具体的煤层赋存条件及地表地形各因素的采集,提供一种步骤简单,实施方便,且成本低,既考虑了直接利用井下采空区蓄水的保水采煤适用条件,还考虑了区域地表地形及开采沉陷盆地分布特征对水源引流钻孔选址的影响,方法可靠,实用性强的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法。
为实现上述目的,本发明的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,包括以下步骤:
a.在矿井各采煤区域的向下施工钻孔取芯,通过取芯样本获取各个钻孔处的覆岩信息,并从钻孔取岩样进行岩石物理力学参数测试,获得各岩层的弹性模量,抗拉强度,容重等参数信息;
b.利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别,从而确定钻孔处覆岩关键层位置;
c.根据确定的各钻孔处覆岩关键层位置,采用导水裂隙带高度的预计方法,通过覆岩主关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断,从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系;
d.根据各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系,分别判断导水裂隙带是否沟通基岩顶界面,当导水裂隙带高度H d大于等于基岩厚度H j,则判断该区域导水裂隙带沟通基岩顶界面,无需施工引流钻孔,当导水裂隙带高度H d小于基岩厚度H j,则判断该区域判断导水裂隙带不沟通基岩顶界面,需要在该区域施工引流钻孔;
e.在需要施工引流钻孔区域内,根据地表地形和开采沉陷盆地的分布确定引流钻孔的施工位置,根据区域内煤层埋深和导水裂隙带高度H d关系或随钻头注入的钻孔冲洗液突然漏失位置确定钻孔施工的深度,并根据需要在钻孔施工的同时构建引流水槽。
其特征在于,所述确定水源引流钻孔的施工深度为煤层埋深H与导水裂隙带高度H d之差h,或为随钻头钻孔注入用以冷却钻头的冲洗液在钻进至冲洗液突然从钻孔中快速漏失时的位置;
所述确定引流钻孔的施工位置方法如下:
若地表地形为平缓地形,在开采区域的中心位置即开采沉陷盆地中心处施工一个钻孔;
若地表地形为起伏较大的沟谷地形,则在便于水源的汇集的地势低洼处施工一个钻孔;如果区域内地表存在多个沟谷时,则在每个沟谷谷底施工一个钻孔或在沟谷间施工引流水槽,将水源汇集到地势最低处增强水源的汇集,并在地势最低处施工钻孔;
所述引流钻孔施工方法为:
在表土层段施工直径130mm的钻孔,当钻进至基岩界面以下5~10m时,在钻孔中下套管进行表土封闭止沙,所述套管包括花管,花管外包裹一层防止堵孔的滤水挡沙膜,所述基岩段钻孔施工为直径91mm的裸孔,钻孔施工后,在孔口上覆盖防止砂石、杂物堵孔的渗水盖板;所述引流水槽为高强度PVC管,PVC管两端上设有封口用的滤水挡沙膜。
有益效果:由于采用了上述技术方案,本发明根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征,通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料,采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位,之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法,确定各区域不同覆岩关键层赋存条件下的导水裂隙带发育高度,最后,通过对比导水裂隙带高度与基岩厚度的大小关系,确定是否需要施工水源引流钻孔以及钻孔的施工参数;若导水裂隙带高度大于等于基岩厚度,则该区域无需施工引流钻孔;若导水裂隙带高度小于基岩厚度,则该区域需要施工引流钻孔;所述引流钻孔的施工深度可按煤层埋深与导水裂隙带高度之差确定,或为钻孔钻进至冲洗液突然漏失时的位置。引流钻孔位置布置时,综合考虑地表地形和开采沉陷盆地的分布,当地表为平缓地形时,钻孔应布置在开采区域的中心位置;当地表为沟谷地形时,钻孔应布置在地形与开采沉陷引起的最低位置处,且当地表存在多个沟谷时,可通过在每个沟谷谷底施工钻孔或在沟谷间施工引流水槽等措施,以增强水源的汇集、补给能力。
本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数对覆岩导水裂隙带发育的影响,不但考虑了直接利用井下采空区蓄水的保水采煤适用条件,而且还考虑了区域地表地形及开采沉陷盆地分布特征对水源引流钻孔选址的影响,本发明将能够适应不同开采条件下地面钻孔引导水源蓄存采空区保水采煤方法的确定,可为矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展提供保障,其使用方法可靠,实用性强。与现有技术相比于,本发明具有以下优点:
(1)基于煤层地质赋存条件与开采参数对覆岩导水裂隙带发育的影响,不但考虑了直接利用井下采空区蓄水的保水采煤适用条件,而且还考虑了区域地表地形及开采沉陷盆地分布特征对水源引流钻孔选址的影响,其可靠性得到了工程实测的验证;
(2)能够适应不同开采条件下地面钻孔引导水源蓄存采空区保水采煤方法的确定,可为我国西部矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展提供保障,其使用方法可靠,实用性强。
附图说明
图1是本发明煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法的实施步骤流程图;
图2是本发明平缓地表时的水源引流钻孔布置示意图;
图3是本发明沟谷地表时的水源引流钻孔布置示意图;
图4是引流钻孔布置剖面图;
图5是本发明实际应用过程中补连塔煤矿12401工作面b261钻孔柱状及关键层位置判别结果示意图;
图6是本发明实际应用过程中补连塔煤矿12401工作面b257钻孔柱状及关键层位置判别结果示意图;
图7是本发明实际应用过程中补连塔煤矿12401工作面井上下对照及地表地形图。
图中:1—花管;2—滤水挡沙膜;3—裸孔;4—渗水盖板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的的实施例作进行进一步说明:
如图1~图3所示,本发明的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,包括以下步骤:
a.在矿井各采煤区域的向下施工钻孔取芯,通过取芯样本获取各个钻孔处的覆岩信息,所述覆岩为地面到煤层顶板岩土层的统称,并从钻孔取岩样进行岩石物理力学参数测试,获得各岩层的弹性模量,抗拉强度,容重等参数信息;
b.利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别,从而确定钻孔处覆岩关键层位置;
c.根据确定的各钻孔处覆岩关键层位置,采用导水裂隙带高度的预计方法,通过覆岩主关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断,从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系;
d.根据各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系,分别判断导水裂隙带是否沟通基岩顶界面,当导水裂隙带高度H d大于等于基岩厚度H j,则判断该区域导水裂隙带沟通基岩顶界面,无需施工引流钻孔,当导水裂隙带高度H d小于基岩厚度H j,则判断该区域判断导水裂隙带不沟通基岩顶界面,需要在该区域施工引流钻孔;
e.在需要施工引流钻孔区域内,根据地表地形和开采沉陷盆地的分布确定引流钻孔的施工位置,根据区域内煤层埋深和导水裂隙带高度H d关系或随钻头注入的钻孔冲洗液突然漏失位置确定钻孔施工的深度,所述确定水源引流钻孔的施工深度为煤层埋深H与导水裂隙带高度H d之差h,或为随钻头钻孔注入用以冷却钻头的冲洗液在钻进至冲洗液突然从钻孔中快速漏失时的位置,并根据需要在钻孔施工的同时构建引流水槽。
所述确定引流钻孔的施工位置方法如下:
若地表地形为平缓地形,在开采区域的中心位置即开采沉陷盆地中心处施工一个钻孔;
若地表地形为起伏较大的沟谷地形,则在便于水源的汇集的地势低洼处施工一个钻孔;如果区域内地表存在多个沟谷时,则在每个沟谷谷底施工一个钻孔或在沟谷间施工引流水槽,将水源汇集到地势最低处增强水源的汇集,并在地势最低处施工钻孔。
所述引流钻孔施工方法为:
如图4所示,在表土层段施工直径130mm的钻孔,当钻进至基岩界面以下5~10m时,在钻孔中下套管进行表土封闭止沙,所述套管包括花管1,花管1外包裹一层防止堵孔的滤水挡沙膜2,所述基岩段钻孔施工为直径91mm的裸孔3,钻孔施工后,在孔口上覆盖防止砂石、杂物堵孔的渗水盖板4;所述引流水槽为高强度PVC管,PVC管两端上设有封口用的滤水挡沙膜2。
如图5、图6所示,图中为补连塔煤矿12401工作面实际应用过程中不同开采区域钻孔柱状的关键层位置判别结果,从柱状的关键层位置判别结果可以看出,12401工作面在这两个钻孔区域的岩层赋存存在明显不同的特征。由此,可对两钻孔区域的覆岩导水裂隙带发育高度进行判断。根据工作面6.0m的采高可知,对于b261钻孔区域,覆岩主关键层正好处于7~10采高之内,因此,该区域覆岩导水裂隙发育至基岩顶界面,即H d=215.23m;对于b257钻孔区域,按照同样的方法,覆岩主关键层位于7~10倍采高之外,进而计算出该区域覆岩导水裂隙带高度为H d = 48.73~95.16m。所以,b261钻孔区域无需实施引流钻孔,而b257钻孔区域则需实施引流钻孔。
在b257钻孔区域附近施工引流钻孔时,其布置位置应设置在地势较低处;根据图7(a)7(b)所示的工作面井上下对照图及地表地形图,地形最低位置处于b257钻孔和b261钻孔之间;又因开采引起的沉陷盆地最低点为工作面倾向中部,因此,钻孔应布置在如图7(b)所示的位置,即地表地形最低点、同时为工作面倾向中部。而对于钻孔施工深度,根据公式h = H - H d,该地区煤层埋深为H=1284-1063=221m,覆岩导水裂隙带高度H d = 48.73~95.16m,则h=125.84~172.27 m,实际施工过程中可将钻孔钻进时冲洗液突然漏失的位置作为终孔位置。
在本发明实施例中,不但考虑了不同采煤区域覆岩导水裂隙带发育高度对利用井下采空区蓄水进行保水采煤的影响,而且还考虑了区域地表地形及开采沉陷盆地分布特征对水源引流钻孔选址的影响,其可靠性得到了工程实测的验证。本发明将能够适应不同开采条件下地面钻孔引导水源蓄存采空区保水采煤方法的确定,可为我国西部矿区煤炭开采与水资源保护的协调发展提供保障,其使用方法可靠,实用性强。
Claims (5)
1.一种煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,其特征在于包括以下步骤:
a.在矿井各采煤区域的向下施工钻孔取芯,通过取芯样本获取各个钻孔处的覆岩信息,并从钻孔取岩样进行岩石物理力学参数测试,获得各岩层的弹性模量,抗拉强度,容重等参数信息;
b.利用关键层判别软件KSPB对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别,从而确定钻孔处覆岩关键层位置;
c.根据确定的各钻孔处覆岩关键层位置,采用导水裂隙带高度的预计方法,通过覆岩主关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断,从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系;
d.根据各区域覆岩导水裂隙带高度H d与基岩厚度H j的大小关系,分别判断导水裂隙带是否沟通基岩顶界面,当导水裂隙带高度H d大于等于基岩厚度H j,则判断该区域导水裂隙带沟通基岩顶界面,无需施工引流钻孔,当导水裂隙带高度H d小于基岩厚度H j,则判断该区域判断导水裂隙带不沟通基岩顶界面,需要在该区域施工引流钻孔;
e.在需要施工引流钻孔区域内,根据地表地形和开采沉陷盆地的分布确定引流钻孔的施工位置,根据区域内煤层埋深和导水裂隙带高度H d关系或随钻头注入的钻孔冲洗液突然漏失位置确定钻孔施工的深度,并根据需要在钻孔施工的同时构建引流水槽。
2.如权利要求1所述的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,其特征在于,所述确定水源引流钻孔的施工深度为煤层埋深H与导水裂隙带高度H d之差h,或为随钻头钻孔注入用以冷却钻头的冲洗液在钻进至冲洗液突然从钻孔中快速漏失时的位置。
3.如权利要求1所述的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,其特征在于,所述确定引流钻孔的施工位置方法如下:
若地表地形为平缓地形,在开采区域的中心位置即开采沉陷盆地中心处施工一个钻孔;
若地表地形为起伏较大的沟谷地形,则在便于水源的汇集的地势低洼处施工一个钻孔;如果区域内地表存在多个沟谷时,则在每个沟谷谷底施工一个钻孔或在沟谷间施工引流水槽,将水源汇集到地势最低处增强水源的汇集,并在地势最低处施工钻孔。
4.如权利要求1或3所述的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,其特征在于,所述引流钻孔施工方法为:
在表土层段施工直径130mm的钻孔,当钻进至基岩界面以下5~10m时,在钻孔中下套管进行表土封闭止沙,所述套管包括花管(1),花管(1)外包裹一层防止堵孔的滤水挡沙膜(2),所述基岩段钻孔施工为直径91mm的裸孔(3),钻孔施工后,在孔口上覆盖防止砂石、杂物堵孔的渗水盖板(4)。
5.如权利要求1或3所述的煤矿区地面钻孔引导水源蓄存采空区的保水方法,其特征在于,所述引流水槽为高强度PVC管,PVC管两端上设有封口用的滤水挡沙膜(2)。
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