CN106150501B - 利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法，所述方法是利用开槽、垂直分段爆破进行预裂诱导上覆采空区废水进入主控煤岩层，预防采场支架异常压力、顶板突水等煤岩失稳灾变现象。本方法充分利用上覆采空区多年沉积的矿井废水，让采空区废水逐渐渗透进需要软化的坚硬煤岩层，实现了主控煤岩层悬顶长度的控制以及对采空区灾害进行预防和治理，具有明显的效果。

Description

利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法

技术领域

本发明涉及一种矿井主控煤岩层废水弱化方法，具体是一种利用采空区废水原位弱化主控煤岩层并主动预防控制灾变的方法。

背景技术

采空区下煤炭开采采空区废水和坚硬顶板及厚煤层不易垮落问题一直是制约煤矿高产高效的主要问题之一。经过几十年的现场实践经验积累和理论研究发展，采空区下煤炭开采技术得到了很大的发展，取得了一些成果。现有针对采空区废水问题主要采用的方式为在顺槽布置密集放水钻孔，再以废水形式排出地表。

杨春林等人在论文《老采空区积水立体综合集成探放水技术》中通过利用FDG-A型防爆多功能高密度电法探测法、反射共偏移探测法、单点探测法等井下物探、钻探和巷探相结合的方法，圈定老采空区积水边界、确定古小窑含水系数，并且通过安装特殊孔口管、压力表、流量表和放水装置实现了对采空积水的探放。对于厚及特厚煤层开采而言，上覆采空区的积水对下煤层构成了严重的威胁，对其安全开采影响程度较大，但直接探放水很大程度上破坏了水系的循环规律，浪费水资源。

现有发明专利公开了“一种坚硬顶板定向承压爆破控制的方法”，通过利用炸药自身释放的能量和传爆介质对围岩的控制弱化。吕德仁在论文《煤矿顶板弱化处理及稳定性研究与应用》中通过以材料计算和试验为基础，利用爆破法对顶板进行了弱化处理。

现有发明专利公开了“一种坚硬顶板注水卸压处理方法”，通过高压注水，破坏坚硬顶板的整体性从而降低岩体的强度，但不管高压注水还是超前爆破处理顶板，由于受到技术条件的限制，高压注水浪费大量的水资源，尤其在坚硬的围岩中，效果也不是很明显；与此同时钻孔内不耦合装药和煤尘及有害气体量大是一直制约井下坚硬顶板爆破的发展的主要因素。为避免压架，工作面一直采取改变工艺，提高支护强度和降低顶煤回收率等被动方法，而且在需要大量的人员监管，工作强度大。因此，需求一种经济安全，使得两种问题同时加以解决的技术是十分必要的。

综上所述，在现有的技术条件下，采空区下煤矿开采，可以预计多数工作面既存在顶板坚硬或厚煤层放顶煤顶煤不易垮落的问题，又面临突水灾害的威胁，而相关研究尚未将两者结合起来，国内深部特厚煤层开采的典型工作面均出现突水类似现象，甚至出现淹井事故。因此，上覆采空区废水突水的力-渗特性及演化诱变机理需要开展研究，如何将上覆采空区放水与煤层注水两个矛盾体统一起来，是解决该问题的关键，是煤岩防治灾害的有效方法。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法。

上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）收集该煤层的水文地质资料，包括煤层厚度、顶板厚度以及采空区厚度及水文情况，并分别对煤体和顶板岩体进行钻探取样，然后进行室内力学特性测试，测定单轴抗拉强度、单轴抗压强度、渗透性和含水率的物理力学参数；

（2）根据煤体和顶板岩体的物理力学特性，分别测定在水中浸泡不同时间后煤体和顶板岩体的强度变化；

（3）对采空区地质采矿情况进行研究分析，利用探地雷达技术探查积水的分布情况，且对采空区水量进行预测；

（4）分别在回风平巷超前工作面靠近煤体侧的巷道顶板，利用钻机每隔一定的距离打出一排若干垂直放水钻孔，在每个钻孔中平行于采煤工作面方向，间隔一定的角度继续打3-5个钻孔；所有钻孔深度应保证上覆采空区底板与采空区贯通，在钻孔的同时，利用开槽钻头在所有钻孔中开设若干个“V”型槽，所有钻孔中，顶煤部分每隔3m开设一“V”型槽，上覆岩层部分每隔5-7m开设一“V”型槽；

（5）超前回采工作面80m对相应的钻孔采用分段间隔装药，装药段数与每个钻中“V”型槽的个数相同，每段装药长度由相邻两个“V”型槽决定，所述“V”型槽处于每段炸药的中间部分，装药过程中首先将快硬水泥、药卷、起爆药和水炮泥用炮棍或者专门的器具慢慢送入钻孔底部不同位置，然后用炮泥进行填实，完成第一段装药，接着重复操作直至装满钻孔为止；

（6）拟起爆钻孔装药完毕后，进行炮泥封孔，然后连网起爆；

（7）对爆破后的炮孔实施二次封孔作业，使上覆采空区废水逐渐渗透至所需要软化的主控煤岩层；

（8）根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度、工作面采煤机及其液压支架的性能确定工作面的推进速度。

进一步地，附加技术特征如下。

所述煤体和顶板岩体的试件在水中浸泡实验时，采用的实验水是采空区的废水，浸泡时间为5-8天。

所述煤岩体是随着浸泡时间及单轴抗压强度的变化为：

在式中，σ为浸泡后岩体的单轴抗压强度，C为拟合系数，t为浸泡软化的时间，δ₀为天然初始岩石单轴抗压强度。

所述方法是针对采空区的积水，假设采空区是一矩形空间，通过放水钻孔的流量及流速对采空区废水总水量进行估算，在此过程中，流线近似为平行，视为缓变流截面，用m表示大致估计近似采空区区域面A_c与所有放水钻孔面积和nA的比值为：m=A_c/nA

对于顶板面和钻孔面列的伯努利方程为：

钻孔处的平均流速为：

钻孔处的流量为：

式中，q _V 为流量常数，在开放的环境下默认。

所述方法是根据上覆顶板的厚度以及煤岩体的渗透，确定探水钻孔的水流量在0.5-1.2为安全系数，如果超过该范围应当进行放水。

本发明上述所提供的一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法，与现有技术相比，其有益效果是：利用采空区废水进行煤层灾害防治，极大的减少了水资源的浪费并可以有效避免压架等强矿压现象；在钻孔中开设“V”型槽，主要目的是有效的控制预设裂隙的形成与发育，使得裂隙发育在空间上呈现均匀分布。并且与此同时，由于“V”型槽的槽角处会产生应力集中现象，爆破引起的冲击波增加裂隙的发育拓展；能够更加定性的控制爆破效果，在分段爆破过程中，使得煤岩层的致裂效果更好。装药形式、装药量以及药卷型号可以有效控制至裂过程中裂隙的发育情况。

附图说明

图1是本发明方案设置的平面示意图。

图2是本发明方案图1的C-C截面钻孔布置平面示意图。

图3是本发明方案图1的D-D 截面钻孔俯视示意图。

图中：1、上覆采空区；2、回风顺槽；3、煤层；4、底板；5、运输顺槽；

6、上覆岩层；7、钻孔。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的具体实施方式作出进一步的说明，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限项本发明。

实施一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法，该方法的实施的是某煤矿8号、13号煤层均为厚煤层，其中8号煤层已经开完毕，13号煤层处于8号煤层的正下方，两煤层相隔46m的岩层，目前13号煤层正在开采阶段，13号煤层平均厚度为15.6m，上部为8号煤层多个工作面的采空区，由于采空区已经多年失效，范围及其积水量不清楚，针对以上情况实施本发明的技术方案如下：

步骤一、对煤体和顶板岩体进行钻探取样，按照国际岩石力学试验规程进行室内力学特性测试，分别测得煤体的和岩体的单轴抗压强度为2.36Mpa和26.4Mpa；含水率分别为2.31%和1.8%；渗透系数为7.2×10^-3cm/s和5.6×10^-3cm/s。

步骤二、根据煤体和顶板岩体的力学特性，分别对不同时间浸泡后的煤体和顶板岩体的进行单轴抗压强度测试。其拟合的强度关系曲线分别为：

。

步骤三、进行采空区水量的预测，针对采空区的积水，可假设为一个矩形空间，通过钻孔的流量及流速对采空区废水总总水量进行估计，在此过程中，流线近似为平行，可以视为缓变流截面，用m表示大致估计近似采空区区域面A_c与所有放水钻孔面积和nA的比值，即m=A_c/nA，A_c走向长度和工作面长度的乘积。代入下列方程中：

对于顶板面和钻孔面列的伯努利方程为：

钻孔处的平均流速为：

钻孔处的流量为：

式中，C_q=mC_v为流量常数，在开放的环境下默认p₀=p_a。

通过上式的计算，可以得到所有钻孔的平均流速为0.2m/s，平均流量为0.84m³/min。满足以下工作的要求。

步骤四、分别在回风平巷超前工作面靠近煤体侧的巷道顶板，利用钻机每隔一定的距离打出一排若干个垂直钻孔A₁，A₂，A₃ ……；在每个钻孔A_i（i=1,1,2……）中，平行于采煤工作面方向，再打出4个钻孔B _i1 ，B_i2 ，B _i3 ，B _i4 ；其两两夹角为18^。，所有的钻孔深度为直至上覆采空区底板与采空区贯通，在钻孔的同时，利用开槽钻头在所有的钻孔中开设若干个“V”型槽，所有的钻孔中，放顶煤部分每隔3m开设一个“V”型槽，上覆岩层部分每隔5m开设一个“V”型槽。

步骤五、超前回采工作面80m左右对相应的钻孔采用分段间隔装药，装药的段数与每个钻中“V”型槽的个数相同，每段装药的长度由相邻的两个“V”型槽决定，为了达到较好的爆破效果，在装药过程中保证“V”型槽处于每段炸药的中间部分，装药过程中首先将快硬水泥、药卷、起爆药和水炮泥等用炮棍或者专门的器具慢慢送入钻孔底部不同位置，然后用炮泥进行填实，完成第一段装药；接着重复操作直至装满钻孔为止。

步骤六、拟起爆钻孔装药完毕后，进行炮泥封孔作业，然后连网起爆，该起爆步骤为矿井井下相关技术人员熟知的，用药量大小及药卷型号和装药方式根据具体地质资料和采矿条件进行确定。

步骤七、对爆破后的炮孔实施二次封孔作业，保证上覆采空区废水逐渐渗透至所需要软化的主控煤岩层。

步骤八、根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度及其工作面采煤机及其液压支架的性能确定工作面的最佳循环进度为600mm。

以上所述仅为本发明的较好的实例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用上覆采空区废水原位弱化主控煤岩层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）收集该煤层的水文地质资料，包括煤层厚度、顶板厚度以及采空区厚度及水文情况，并分别对煤体和顶板岩体进行钻探取样，然后进行室内力学特性测试，测定单轴抗拉强度、单轴抗压强度、渗透性和含水率的物理力学参数；

（2）根据煤体和顶板岩体的物理力学特性，分别测定在水中浸泡不同时间后煤体和顶板岩体的强度变化；

（3）对采空区地质采矿情况进行研究分析，利用探地雷达技术探查积水的分布情况，且对采空区水量进行预测；

（4）分别在回风平巷超前工作面靠近煤体侧的巷道顶板，利用钻机每隔一定的距离打出一排若干垂直放水钻孔，在每个钻孔中平行于采煤工作面方向，间隔一定的角度继续打3-5个钻孔；所有钻孔深度应保证上覆采空区底板与采空区贯通，在钻孔的同时，利用开槽钻头在所有钻孔中开设若干个“V”型槽，所有钻孔中，顶煤部分每隔3m开设一“V”型槽，上覆岩层部分每隔5-7m开设一“V”型槽；

（5）超前回采工作面80m对相应的钻孔采用分段间隔装药，装药段数与每个钻中“V”型槽的个数相同，每段装药长度由相邻两个“V”型槽决定，所述“V”型槽处于每段炸药的中间部分，装药过程中首先将快硬水泥、药卷、起爆药和水炮泥用炮棍慢慢送入钻孔底部不同位置，然后用炮泥进行填实，完成第一段装药，接着重复操作直至装满钻孔为止；

（6）拟起爆钻孔装药完毕后，进行炮泥封孔，然后连网起爆；

（7）对爆破后的炮孔实施二次封孔作业，使上覆采空区废水逐渐渗透至所需要软化的主控煤岩层；

（8）根据采空区废水软化后煤体和顶板岩体的单轴抗拉强度、工作面采煤机及其液压支架的性能确定工作面的推进速度；

所述煤体和顶板岩体的试件在水中浸泡实验时，采用的实验水是采空区的废水，浸泡时间为5-8天；

所述煤体和顶板岩体的单轴抗压强度随浸泡时间的变化为：

在式中，σ为浸泡后岩体的单轴抗压强度，C为拟合系数，t为浸泡软化的时间，δ0为天然初始岩石单轴抗压强度；

所述方法是针对采空区的积水，假设采空区是一矩形空间，通过放水钻孔的流量及流速对采空区废水总水量进行估算，在此过程中，流线近似为平行，视为缓变流截面，用m表示大致估计近似采空区区域面Ac与所有放水钻孔面积和nA的比值为：m=Ac/nA

对于顶板面和钻孔面列的伯努利方程为：

钻孔处的平均流速为：

钻孔处的流量为：

式中，Cq=mCv为流量常数，在开放的环境下为p0=pa；

所述方法是根据上覆顶板的厚度以及煤岩体的渗透，确定探水钻孔的水流量在0.5-1.2为安全系数，如果超过该范围应当进行放水。