CN104481587A - 大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，其包括以下程序：采前物探探测、钻探验证、安全评价、推采监测、采后综合分析研究以确定大采深、大跨度工作面导水裂隙带发育规律及高度，指导井田内工作面回采砂岩裂隙水探测、防治。本发明以“采前物探探测、钻探验证、安全评价、推采监测、采后综合分析研究”为手段，有效解除大采深、大跨度综采综放工作面砂岩裂隙水水害威胁。

Description

大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法

技术领域

本发明属于矿业开采技术领域，具体涉及一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法。

背景技术

目前，随着煤层开采不断加深，大厚度煤层开采均采用现代化采煤装备，采深、采后、采煤工艺、顶板岩石岩性、工作面倾角、推采速度、工作面跨度等影响因素均影响着顶板导水裂隙带发育机理及高度。由于山西组含煤地层上覆为巨厚砂岩、砾岩含水层，导水裂隙带发育高度、采矿扰动及顶板围岩运移等影响因素均对防治砂岩裂隙水至关重要。目前，治理顶板砂岩裂隙水的方法，仅仅为采前物探、钻探疏放水，但是对回采过程中顶板水运移、大跨度大埋深采煤工作面导水裂隙带发育机理未进行研究；目前砂岩裂隙水害大多以后方采空区滞后突水并无防治监测措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，解决了现有技术中存在的大采深、大跨度综采综放工作面砂岩裂隙水水害威胁的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采前物探探测，井工采煤工作面形成后，利用井下超高密度三维电阻率方法对工作面上覆、巷道侧帮上方砂岩含水层富水区域探测，根据探测到的电阻率，划分开采工作面顶板、煤壁上方顶板砂岩含水层富水异常区；

步骤2、钻探验证，对物探异常区进行水文钻探验证，同步取得岩芯以备测试岩石力学参数，并利用三轴岩石力学试验机对砂岩裂隙含水层富水区进行疏放；当含水层涌水量大于5m³/h，将水疏干；

步骤3、安全评价，对顶板岩芯岩样进行岩石力学试验，根据取得的岩石力学参数进行回采工作面采场顶底板数值模拟，利用数值模拟结果设计顶板导水裂隙带高度探测钻孔，观测回采工作面顶板原始裂隙发育情况；

步骤4、水害威胁评价，依据物探、钻探结果，采用常规水害威胁评价方法评价砂岩裂隙含水层对工作面开采危险性进行评价；

步骤5、动态监测，工作面每推采300m后，利用超高密度三维电阻率方法对采面前方、后方采空区顶板砂岩富水性探测，监测顶板砂岩富水区随采动围岩压力变化而运移，预防采空区滞后涌水；

步骤6、采后导水裂隙带发育观测及综合分析，回采工作面推采至停采线后，在停采线外侧利用步骤3中数值模拟结果再次设计导水裂隙带发育探测钻孔；根据顶板围岩运动理论，采空区上方岩层划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，根据采动围岩运动理论的上三带理论，设计钻孔方位指向采空区上方，倾角根据回采围岩运动数值模拟试验确定，利用双端封堵测漏、钻孔成像或超声波探测手段进行现场施工。

本发明的特点还在于，

步骤1采前物探具体为：将电位装置的电极布置在工作面的上巷、下巷、切眼的位置处，电极点距为10m，电极点依据工作面走向长度设置；根据探测到的电阻率，划分开采工作面顶板、煤壁上方顶板砂岩含水层富水异常区。

步骤5动态监测具体为：工作面推采300m后，利用井下三维超高密度电阻率法对工作面切眼前方300m进行探测，监测对比工作面前方、后方采空区顶板砂岩裂隙水受采矿扰动、顶板围岩运动的影响而发生运移，再次提前疏放顶板砂岩水，消除采空区滞后突水。

本发明的有益效果是：1、本发明使用时，工作面开采顶板水害危险性评价是根据物探、钻探情况对工作面水文地质条件、突水危险性等进行了综合评价，真实可靠，是顶板水害预防、治理一条有效的途径。

2、本发明中包含的岩石力学试验、物探、数值模拟、导水裂隙带高度探测等对同一采区内工作面的水害防治均有指导、借鉴意义。

本发明以大埋深、大跨度工作面综放条件下砂岩裂隙水防治为出发点，以井下三维超高密度直流电法、岩石力学试验、导水裂隙高度探测、综合评价为手段，解除大埋深、大跨度综采工作面顶板砂岩裂隙水害威胁，保证工作面安全回采。该方法分析合理，采用措施综合，适合于大埋深、大跨度工作面综放条件下砂岩裂隙水防治。

附图说明

图1是本发明采煤工作面示意图；

图2是本发明采前矿井超高密度三维电法勘探布置主视图；

图3是本发明矿井地层沿走向剖面(A-A～)；

图4为本发明矿井地层倾向剖面(B-B～)；

图5为每推采300m矿井超高密度三维电法动态监测布置主视图；

图6为本发明采后大采深、大跨度综放工作面顶板导水裂隙带发育高度探测布置主视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，具体按照以下步骤实施：

(1)采前物探

如图1所示，井工采煤工作面101形成后，利用井下超高密度三维电阻率方法对工作面上覆岩层、巷道侧帮上方砂岩含水层富水区域探测，如图2-图4所示，具体为，将电位装置的电极布置在工作面的上巷103、下巷105、切眼104的位置处，电极点距为10m，电极点102依据工作面走向长度设置；根据探测到的电阻率，划分开采工作面顶板、煤壁106上方顶板砂岩(如图5所示)的含水层富水异常区。

其中，如图1所示，探测工作在下巷105时，两个无穷远电极一个布置在上巷103的切眼104位置，一个布置在停采线112位置以适应井下工作面特殊环境，利用非无穷远电极效应校正技术，提高电法探测精度及数据利用率。

其中，非无穷远电极效应校正技术如下：由于二极装置中无穷远电极B、N都是无穷远极，由于两电极与测量电极M的位置是固定不变的，只有供电电极A移动。根据四极装置、三极装置、二极装置的关系，根据二极装置和三极装置之间的视电阻率ρ_s关系，在理论上分析二极观测装置近场效应校正研究。

由三极装置的ρ_s表达式为

${\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AMN}}=K_{\mathrm{AMN}}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{MN}}}{I}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{MN}}}{I}$

由于ΔU_MN＝U_M-U_N，则

${\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AMN}}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}(\frac{U_M}{I}-\frac{U_N}{I})---\left(1\right)$

将AMN装置看成是两个二极装置AM、AN组成的，则因

${\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AM}}=2\mathrm{\πAM}\frac{U_M}{I}$ 或 $\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AM}}}{2\mathrm{\πAM}}=\frac{U_M}{I}$

${\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AN}}=2\mathrm{\πAN}\frac{U_N}{I}$ 或 $\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AN}}}{2\mathrm{\πAN}}=\frac{U_N}{I}$

将上式代入公式(1)，得

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AMN}}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AM}}}{2\mathrm{\πAM}}-\frac{{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AN}}}{2\mathrm{\πAN}})\\ =\frac{1}{\mathrm{MN}}(\mathrm{AN}{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AM}}-\mathrm{AM}{\mathrm{\ρ}}_s^{\mathrm{AN}})\end{array}---\left(\text{2}\right)$

可见，式二即是三极装置AMN与二极装置AM、AN之间的视电阻率值关系。

直流电法观测系统测量的电位差U_测满足下列关系：

公式(3)中，为供电电极A分别在测量电极M、N上产生的电位，为无穷远电极在MN电极间产生的电位差。由二极装置AM视电阻率计算公式得

近场二极观测系统在小供电极距下属于二极装置，而大供电电极距下则为非常规四极观测系统。此时由于A、B电极同时向地下供电，且此段的供电极距与无穷远极极距相差不大，则供电电极A在无穷远电极N产生的电位与无穷远电极B在N极产生的电位相差不大，可以认为相同。即而此时的为二极装置BN的视电阻率值，由于电极B、N位置固定，则整理得

将公式(5)代入公式(4)中，得

由测量系统测量的视电阻率值且代入公式(6)得

即

上式即为近场效应影响下电位观测系统的校正公式。

(2)钻探验证

通过对物探异常区进行水文钻探验证，同步取得岩芯以备测试岩石力学参数，利用三轴岩石力学试验机并对砂岩裂隙含水层富水区进行疏放；其中，水文钻探验证是指钻探揭露含水层，观测钻孔涌水情况，如果涌水量大于5m³/h，就需要将水疏干；岩石力学参数主要包括抗拉强度(MPa)、抗压强度(MPa)、抗剪强度(MPa)、内聚力(MPa)、内摩擦角(°)、体积模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m^-3)。

(3)室内试验及原始裂隙发育观测

对顶板砂岩岩芯的岩样进行步骤2中的岩石力学试验，根据取得的岩石力学参数进行回采工作面采场顶底板数值模拟，具体为：利用FLAC3D岩石力学试验软件，对采煤工作面回采进行模拟，模拟的结果为划分介质弹性、塑性区域。利用数值模拟结果设计顶板导水裂隙带109高度探测钻孔(该孔设计在数值模拟结果裂隙带发育最高部位)，观测回采工作面顶板原始裂隙发育情况，以探测导水裂隙带发育的最高距离；

其顶板导水裂隙带发育高度受采煤厚度、煤层顶板岩性、工作面跨度、煤层倾角、推进速度等参数影响，消除规程中导水裂隙带高度计算公式(如表1)中仅与采厚及顶板岩性参数影响的单一性。

表1“三下采煤规程”计算顶板导水裂隙带高度

(4)水害威胁评价

依据物探、钻探结果，砂岩裂隙含水层对工作面开采危险性进行评价；根据工作面附近钻孔或相邻工作面水文地质情况预计工作面涌水量，并安排回采工作面疏水措施；上述采用常规水害威胁评价方法；在此不再赘述；

(5)动态监测

如图5所示，工作面每推采300m后，利用超高密度三维电阻率方法对采面前方116、后方采空区107顶板砂岩富水性探测，监测顶板砂岩富水区随采动围岩压力变化而运移，提前做好防治水措施，预防采空区滞后涌水；

(6)采后导水裂隙带发育观测及综合分析

如图6所示，回采工作面推采至停采线112后，在停采线112外侧利用步骤3中数值模拟结果再次设计导水裂隙带发育探测钻孔113。根据顶板围岩运动理论，采空区上方岩层划分为冒落带110、裂隙带109、弯曲下沉带108，对工作面回采产生水害威胁的主要为冒落带110及裂隙带109范围，其裂隙将形成导水通道，将其发育范围内的含水层水源导通至采空区内，造成涌水。根据采动围岩运动理论(上三带理论)，设计钻孔方位指向采空区上方114，倾角根据回采围岩运动数值模拟试验确定，利用双端封堵测漏、钻孔成像、超声波探测等手段进行现场施工，以确定大采深、大跨度工作面导水裂隙带发育规律及高度，指导井田内工作面回采砂岩裂隙水探测、防治。

在本方法中，包括以下程序：一，井工采煤工作面形成后，利用井下超高密度三维电阻率方法对工作面上覆、巷道侧帮上方砂岩含水层富水区域探测；二，对物探异常区进行水文钻探验证，同步取得岩芯以备测试岩石力学参数，并对砂岩裂隙含水层富水区进行疏放；三，对顶板岩芯岩样进行岩石力学试验，根据取得的岩石力学参数进行回采工作面采场顶底板数值模拟，利用数值模拟结果设计顶板导水裂隙带高度探测钻孔，观测回采工作面顶板原始裂隙发育情况；四，依据物探、钻探结果，评价砂岩裂隙含水层对工作面开采危险性进行评价；五，根据工作面附近钻孔或相邻工作面水文地质情况预计工作面涌水量，并安排回采工作面疏水措施；六，工作面每推采300m后，次利用井下超高密度三维电阻率方法对采面前方、后方采空区顶板砂岩富水性探测，监测顶板砂岩富水区随采动围岩压力变化而运移，提前做好防治水措施，预防采空区滞后涌水；七，回采工作面推采至停采线后，在停采线外侧再次设计导水裂隙带发育探测钻孔，钻孔方位指向采空区上方，倾角根据回采围岩运动数值模拟试验确定，利用双端封堵测漏、钻孔成像、超声波探测等手段进行现场施工，以确定大采深、大跨度工作面导水裂隙带发育规律及高度，指导井田内工作面回采砂岩裂隙水探测、防治。本发明以“采前物探探测、钻探验证、安全评价、推采监测、采后综合分析研究”为手段，有效解除大采深、大跨度综采综放工作面砂岩裂隙水水害威胁。

Claims (2)

1.一种大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、采前物探探测，井工采煤工作面(101)形成后，利用井下超高密度三维电阻率方法对工作面上覆、巷道侧帮上方砂岩含水层富水区域探测，根据探测到的电阻率，划分开采工作面顶板、煤壁(106)上方顶板砂岩含水层富水异常区；

步骤2、钻探验证，对物探异常区进行水文钻探验证，同步取得岩芯以备测试岩石力学参数，并利用三轴岩石力学试验机对砂岩裂隙含水层富水区进行疏放；当含水层涌水量大于5m³/h，将水疏干；

步骤3、安全评价，对顶板岩芯岩样进行岩石力学试验，根据取得的岩石力学参数进行回采工作面采场顶底板数值模拟，利用数值模拟结果设计顶板导水裂隙带高度探测钻孔，观测回采工作面顶板原始裂隙发育情况；

步骤4、水害威胁评价，依据物探、钻探结果，采用常规水害威胁评价方法评价砂岩裂隙含水层对工作面开采危险性进行评价；

步骤5、动态监测，工作面每推采300m后，利用超高密度三维电阻率方法对采面前方(115)、后方采空区(107)顶板砂岩富水性探测，监测顶板砂岩富水区随采动围岩压力变化而运移，预防采空区滞后涌水；

步骤6、采后导水裂隙带发育观测及综合分析，回采工作面推采至停采线(112)后，在停采线(112)外侧利用步骤3中数值模拟结果再次设计导水裂隙带发育探测钻孔(113)；根据顶板围岩运动理论，采空区上方岩层划分为冒落带(110)、裂隙带(109)、弯曲下沉带(108)，根据采动围岩运动理论的上三带理论，设计钻孔方位指向采空区上方(114)，倾角根据回采围岩运动数值模拟试验确定，利用双端封堵测漏、钻孔成像或超声波探测手段进行现场施工。

2.根据权利要求1所述的大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，其特征在于，所述步骤1采前物探具体为：将电位装置的电极布置在工作面的上巷(103)、下巷(105)、切眼(104)的位置处，电极点距为10m，电极点(102)依据工作面走向长度设置；根据探测到的电阻率，划分开采工作面顶板、煤壁(106)上方顶板砂岩含水层富水异常区。

根据权利要求1所述的大采深、大跨度综放采煤工作面顶板砂岩裂隙水探防方法，其特征在于，所述步骤5动态监测具体为：工作面推采300m后，利用井下三维超高密度电阻率法对工作面切眼前方300m进行探测，监测对比工作面前方、后方采空区顶板砂岩裂隙水受采矿扰动、顶板围岩运动的影响而发生运移，再次提前疏放顶板砂岩水，消除采空区滞后突水。