CN106555609B - 一种煤矿采空区水探放方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤矿采空区水探放方法，包括以下步骤：步骤一：采空区相关信息获取，获取信息包括顶板类型、采煤厚度M和采煤周期来压步距D；步骤二：采空区形成前布置多个传感器组；步骤三：采空区形成过程中观测涌水量；步骤四：采空区形成后划分积水区段；步骤五：对每个积水区段进行探放水；步骤六：探放水后安全开采受威胁的煤炭；本发明利用埋深传感器组的方法可以很好地了解煤炭开采后封闭的采空区里面的情况，具有简单易实施；探放水工程量低；探放水效果好和安全的优点。

Description

一种煤矿采空区水探放方法
技术领域
本发明涉及矿井地质领域与采矿工程技术，尤其涉及一种煤矿采空区水探放方法。
背景技术
煤矿采空区水是威胁煤矿安全的一类水害，为解除相关水害威胁，在采煤工作面开采以前会对旁边的采空区水进行探放。目前探放水方法主要是通过实施大量的钻孔进行随机探放，存在以下问题：
1)钻孔实施量很大，工程周期长，工程费用大；
2)探放整体效果差，探放后有较大的安全隐患，钻孔随机探放没有针对性，有大量盲区未探放，进而存在安全隐患；
3)无法判断某个钻孔是否完成了探放水工作；
4)在探放水之前无法判断钻孔探放水水压，探放水时容易发生喷射事故。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种煤矿采空区水探放方法，利用埋深传感器组的方法很好地了解煤炭开采后封闭的采空区里面的情况，具有简单易实施；探放水工程量低；探放水效果好和安全的优点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种煤矿采空区水探放方法，包括以下步骤：
步骤一：采空区(1)相关信息获取，获取信息包括顶板类型、采煤厚度M和采煤周期来压步距D，顶板类型是通过钻探对采煤顶板岩石取样测试其单轴抗压强度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；采煤厚度M则通过采空区(1)形成前的设计获取；采煤平均周期来压步距D是通过实测获得；
步骤二：采空区(1)形成前布置多个传感器组(2)，每个传感器组(2)包括1个电极传感器、1个水压力传感器和1个水听器，传感器组(2)的布置方法是：①将传感器组(2)沿采空区走向方向布置在采空区(1)形成前的两巷(3)，传感器组(2)两两间距小于1个采煤工作面平均周期来压步距离D，且不在预计的平均周期来压点布置传感器组(2)；②传感器组(2)沿采空区(1)垂直方向的位置依据不同顶板类型，当顶板为软弱顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.1M～0.5M区域内；当顶板为中硬顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.2M～0.6M区域内，当顶板为坚硬顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.3M～0.7M区域内；③传感器组(2)除平行于采煤走向方向以外，其他各个方向设置传感器组(2)的保护装置，以保证其在采空区(1)形成后正常运转；④传感器组(2)的数据传输线埋设在采空区(1)底板0.5m以深区域，并引出采空区(1)后连接数据采集器(5)；⑤记录各传感器组(2)所在点的标高W；
步骤三：采空区(1)形成过程中观测涌水量；采煤过程就是采空区(1)形成的过程，对该过程中每一次周期来压的涌水量进行观测，相邻两次稳定涌水量增加超过10m3/h或较前一次涌水量增加10％以上，则记录该次来压涌水点(6)；
步骤四：采空区(1)形成后划分积水区段(7)，积水区段(7)划分的方法为：通过步骤二中布置的水压力传感器得到的水压数据进行分析，相邻的两个水压力传感器水压力差△P与对应的传感器标高差产生的水压力差△Pb两者差异不在10％以内则判定两个传感器不在同一积水区段(7)，以两者中点沿垂向采煤工作面走向方向划分开，就得到了积水区段(7)；
△P＝P1-P2，式中P1、P2分别为相邻两个传感器的水压力值，
△Pb＝ρg(W1-W2)，式中，ρ是水的密度，g为重力加速度，W1、W2分别是观测到P1、P2水压力的传感器所在点的标高；
步骤五：对每个积水区段(7)进行探放水；每个积水区段(7)的探放水方法如下：①找出积水区段(7)内所有靠近探放水巷道(8)的电极传感器探测到有水的点，以该点垂直于采空区(1)走向在探放水巷道(8)的投影点为起点，以方位角为-45°～45°，来布置钻孔组(9)；②钻孔组(9)放水端配备防喷器，防喷器防喷射压力应大于该点水压力传感器的水压力；③积水区段(7)内若有步骤三中记录的来压涌水点(6)另外布置一个钻孔组(9)，该钻孔组(9)布置方法同电极传感器探测到有水的点，以来压涌水点(6)垂直于采空区(1)走向在探放水巷道(8)的投影点为起点，以方位角为-45°～45°，来布置钻孔组(9)，其防喷器防喷射压力参照传感器点的标高推算；④对钻孔组(9)进行试验放水，若放水时同一积水区段(7)的远离探放点的巷道(10)内的水听器传感器无法连续稳定捕捉到放水产生的声波信号，则将钻孔组(9)向前延伸，直至捕捉到连续稳定的放水产生的声波信号；⑤对钻孔组(9)进行放水，放水过程中若出现水听器稳定的放水产生的声波信号消失，且信号消失处的水压力传感器显示的水位标高大于探放水点的标高，则调整探放水钻孔组(9)钻探深度或操作钻机对现有探放点进行清理淤堵，直至信号恢复；⑥钻孔组(9)放水直至所在积水区段(7)内所有水压力传感器显示的水位标高不大于标高X，X＝Tmin+Y，式中Tmin为一个积水区段(7)内钻孔组(9)探放点的最低水位标高，Y取0～2米；
步骤六：探放水后安全开采受威胁的煤炭，钻孔组(9)完成放水后，保留放水装置直至采煤工作面(11)开采到距离钻孔组(9)70～100米处时，进行封孔；采煤工作面(11)旁边的采空区(1)中的水没有突涌入采煤工作面(11)，实现了采煤工作面(11)安全开采。
本发明传感器组(2)的布置原理：采空区(1)积水的主要特点有很强的随机性，但从采矿学可以认识到，采场开采后会依次形成“OX”破断(每个周期来压形成一个O型圈，圈内形成X型破断)，即在两边煤柱区之间有一定的相对安息的空间(这一空间主要跟平均周期来压步距D和煤层顶板类型有关系，因此对采空区内有效的传感器组(2)布置有很多限制)，这里也是采空区(1)主要的积水空间，因此在这里埋深传感器组(2)可以很好的了解煤炭开采后封闭的采空区(1)里面的情况。
本发明传感器组(2)的运行原理：传感器组(2)由电极传感器、水压力传感器和水听器组成，其中电极传感器在接触液面后电阻等会有明显变化，因此可以用来判断采空区(1)的积水情况；水压力传感器可以监测到水压力，可以用来判断点与点之间的水力联系情况，也可以用来判断是否达到疏放效果；水听器是利用声波在水中传播的优势来对放水产生的平面流场进行监测，不在疏放范围内的水听器没有接收到相关信号，因此可以判断钻孔组(9)的探放效果。
本发明的优点：简单易实施；探放水工程量低；探放水效果好、安全性更高。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明探放水平面工程示意图。
图中：1、采空区；2、传感器组；3、两巷；4、保留煤柱；5、数据采集器；6、涌水点；7、积水区段；8、探放水巷道；9、钻孔组；10、远离探放点的巷道；11、采煤工作面。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做详细叙述。
某煤矿要开采15203工作面，但需要先探放15202采空区中的积水，采用以下步骤完成了采空区中的积水探放工作，实现了15203工作面的安全回采。
一种煤矿采空区水探放方法，包括以下步骤：如图1、图2所示，
步骤一：15202采空区相关信息获取。获取信息包括顶板类型、采煤厚度M和采煤平均周期来压步距D。其中，顶板类型通过钻探对采煤顶板岩石取样测试，其单轴抗压强度σ＝12～68MPa，其中部分岩性为泥岩，σ≤20MPa则顶板为软弱顶板，部分岩性为砂岩，20MPa＜σ≤40MPa则顶板为中硬顶板，少数为石英质砂岩，40MPa＜σ≤60MPa则顶板为坚硬顶板；采煤厚度M＝3.0米；采煤平均周期来压步距D＝13.3m。
步骤二：15202采空区形成前布置了传感器组。传感器组包括1个电极传感器、1个水压力传感器和1个水听器。传感器组的布置方法是：①将传感器组等距布置在采空区形成前的两巷(运输巷和回风巷)，间距为6～13m，且不在预计的周期来压点布置传感器组；②传感器组沿采空区垂直方向的分别布置在距离两巷保留煤柱以内0.3米～1.5米区域内(软弱顶板)、0.6米～1.8米区域内(中硬顶板)和0.9米～2.1米区域内(坚硬顶板)；③传感器组除平行于采煤走向方向以外各个方向设置传感器组2的保护装置以保证其在采空区(1)形成过程后正常运转；④传感器组的数据传输线埋设在采空区底板1m深区域，并引出采空区后连接数据采集器；⑤记录各传感器组所在点的标高W＝1144米～1164米。
步骤三：15202采空区形成过程中观测涌水量。对该过程中每一次周期来压的涌水量进行观测，相邻两次稳定涌水量增加超过10m3/h或较前一次涌水量增加10％以上，则记录该次来压涌水点，共计3个。
步骤四：15202采空区形成后划分积水区段。积水区段划分的方法为:通过步骤二中布置的水压力传感器得到的水压数据进行分析，相邻的两个水压力传感器水压力差比对应的传感器标高差产生的水压力差，两者差异不在10％以内则判定两个传感器不在同一积水区段，以两者中点沿垂向采煤工作面走向方向划分开，就得到了积水区段，共划分出3个积水区段。其中一个积水区段划分线得到过程为：相邻的两个水压力传感器水压力差△P＝P1-P2＝0.04MPa，对应的传感器标高差为3米，产生的水压力差△Pb＝ρg(W1-W2)＝0.03MPa，差异大于33％，因此以两传感器中点为界划分积水区段。
步骤五：对每个积水区段进行探放水。每个积水区段的探放水开展方法如下：①对积水区段内所有靠近探放点的巷道内的电极传感器探测到有水的点实施钻孔组，钻孔组分布在以传感器组为中心-45°～45°方位角范围内；②钻孔组放水端配备防喷器，防喷器防喷射压力应大于该点水压力传感器的水压力；③积水区段内若有步骤三中记录的来压涌水点另外布置一个钻孔组，该钻孔组布置方法同前面的钻孔组，其防喷器防喷射压力参照传感器点的标高推算；④对钻孔组进行试验放水，若放水时同一积水区段的远离探放点的巷道内的水听器传感器无法连续稳定捕捉到放水产生的声波信号，则将钻孔组向前延伸，直至捕捉到连续稳定的放水产生的声波信号；⑤对钻孔组进行放水，放水过程中若出现水听器稳定的放水产生的声波信号消失，且信号消失处的水压力传感器显示的水位标高大于探放水点的标高，则调整探放水钻孔组钻探深度或操作钻机对现有探放点进行清理淤堵，直至信号恢复；⑥钻孔组放水直至所在积水区段内所有水压力传感器显示的水位标高不大于标高X(X＝Tmin+Y，式中Tmin为一个积水区段内钻孔组探放点的最低水位标高，Y取0～2米)。以一号积水区段为例，钻孔组放水点的最低水位标高为1147米，钻孔组放水结束时一号积水区4个水压力传感器显示的水位标高为1140米～1149米。
步骤六：探放水后安全开采受威胁的煤炭。钻孔组完成放水后，保留放水装置直至15203采煤工作面开采到距离钻孔组70～100米处时，进行封孔。15203采煤工作面旁边的采空区15202中的水没有突涌入15203采煤工作面，实现了15203采煤工作面安全开采。
与现有技术相比，本发明方法实施探放水有以下几个明显的优点：
15203采煤工作面探放15202采空区之前，该煤矿采用传统的采空区水探放方法。以15202采煤工作面探放15201采空区水作为对比，本发明优点如下：
(1)大大缩减了工程量，提高了探放的效率，节约了费用。为探放15201采空区水，在15202每隔60～100米施工了一个钻孔组，共计施工24个钻孔组，本实施例在类似条件下则将工程量缩小为12个钻孔组，大大减少了施工的工程量，节约了费用。
(2)单个钻孔探放的效果更好，在探放15201采空区水时，单个钻孔探放时由于采空区中的水浑浊，探放水在刚开始时流出水量比较稳定，后续发生探放钻孔淤堵，但探放水人员以为已经探放完毕，因此停止单孔钻孔放水，但后期采用二次电法进行检查时发现15201采空区探放的区域范围内仍然有水。
(3)安全性得到了提高，探放15201采空区水时，虽然布置了更多的钻孔组，但由于采空区富水不均，水力联系不明，探放水盲点多，在开采15202工作面的煤炭时，15202工作面涌水有15201采空区水参与，涌出水量较大；而采用本发明方法探放的15202采空区水几乎没有参与到15203工作面的工作面涌水中，15203工作面涌出水量明显减小，安全性得到了提高。

Claims (3)

1.一种煤矿采空区水探放方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采空区(1)相关信息获取，获取信息包括顶板类型、采煤厚度M和采煤周期来压步距D，顶板类型是通过钻探对采煤顶板岩石取样测试其单轴抗压强度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；采煤厚度M则通过采空区(1)形成前的设计获取；采煤平均周期来压步距D是通过实测获得；
步骤二：采空区(1)形成前布置多个传感器组(2)，每个传感器组(2)包括1个电极传感器、1个水压力传感器和1个水听器，传感器组(2)的布置方法是：①将传感器组(2)沿采空区走向方向布置在采空区(1)形成前的两巷(3)，传感器组(2)两两间距小于1个采煤工作面平均周期来压步距离D，且不在预计的平均周期来压点布置传感器组(2)；②传感器组(2)沿采空区(1)垂直方向的位置依据不同顶板类型，当顶板为软弱顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.1M～0.5M区域内；当顶板为中硬顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.2M～0.6M区域内，当顶板为坚硬顶板时，分别布置在距离两巷(3)保留煤柱(4)以内0.3M～0.7M区域内；③传感器组(2)除平行于采煤走向方向以外，其他各个方向设置传感器组(2)的保护装置，以保证其在采空区(1)形成后正常运转；④传感器组(2)的数据传输线埋设在采空区(1)底板0.5m以深区域，并引出采空区(1)后连接数据采集器(5)；⑤记录各传感器组(2)所在点的标高W；
步骤三：采空区(1)形成过程中观测涌水量；采煤过程就是采空区(1)形成的过程，对该过程中每一次周期来压的涌水量进行观测，相邻两次稳定涌水量增加超过10m3/h或较前一次涌水量增加10％以上，则记录该次来压涌水点(6)；
步骤四：采空区(1)形成后划分积水区段(7)；
步骤五：对每个积水区段(7)进行探放水；
步骤六：探放水后安全开采受威胁的煤炭，钻孔组(9)完成放水后，保留放水装置直至采煤工作面(11)开采到距离钻孔组(9)70～100米处时，进行封孔；采煤工作面(11)旁边的采空区(1)中的水没有突涌入采煤工作面(11)，实现了采煤工作面(11)安全开采。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水探放方法，其特征在于，步骤四所述的划分积水区段(7)的方法为：通过步骤二中布置的水压力传感器得到的水压数据进行分析，相邻的两个水压力传感器水压力差△P与对应的传感器标高差产生的水压力差△Pb两者差异不在10％以内则判定两个传感器不在同一积水区段(7)，以两者中点沿垂向采煤工作面走向方向划分开，就得到了积水区段(7)；
△P＝P1-P2，式中P1、P2分别为相邻两个传感器的水压力值，
△Pb＝ρg(W1-W2)，式中，ρ是水的密度，g为重力加速度，W1、W2分别是观测到P1、P2水压力的传感器所在点的标高。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区水探放方法，其特征在于，所述的步骤五每个积水区段(7)的探放水方法如下：①找出积水区段(7)内所有靠近探放水巷道(8)的电极传感器探测到有水的点，以该点垂直于采空区(1)走向在探放水巷道(8)的投影点为起点，以方位角为-45°～45°，来布置钻孔组(9)；②钻孔组(9)放水端配备防喷器，防喷器防喷射压力应大于该点水压力传感器的水压力；③积水区段(7)内若有步骤三中记录的来压涌水点(6)另外布置一个钻孔组(9)，该钻孔组(9)布置方法同电极传感器探测到有水的点，以来压涌水点(6)垂直于采空区(1)走向在探放水巷道(8)的投影点为起点，以方位角为-45°～45°，来布置钻孔组(9)，其防喷器防喷射压力参照传感器点的标高推算；④对钻孔组(9)进行试验放水，若放水时同一积水区段(7)的远离探放点的巷道(10)内的水听器传感器无法连续稳定捕捉到放水产生的声波信号，则将钻孔组(9)向前延伸，直至捕捉到连续稳定的放水产生的声波信号；⑤对钻孔组(9)进行放水，放水过程中若出现水听器稳定的放水产生的声波信号消失，且信号消失处的水压力传感器显示的水位标高大于探放水点的标高，则调整探放水钻孔组(9)钻探深度或操作钻机对现有探放点进行清理淤堵，直至信号恢复；⑥钻孔组(9)放水直至所在积水区段(7)内所有水压力传感器显示的水位标高不大于标高X，X＝Tmin+Y，式中Tmin为一个积水区段(7)内钻孔组(9)探放点的最低水位标高，Y取0～2米。
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