CN106869966B - 一种离层水补给源的封堵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种离层水补给源的封堵方法，包括以下步骤：首先确定覆岩中所有离层的位置，然后根据最大冒落带和最大导水裂隙带高度确定灾害性离层，最后通过一站多孔群注浆，形成一个完整的止水塞，封堵松散含水层水对离层的补给通道。与现有技术相比，本发明对于封堵离层补给水源为松散含水层的条件下，具有注浆孔钻探工程量小、对综采支架附加矿压小、不留注浆“盲区”、注浆效益高、封堵效果好等优势。
Description
技术领域
本发明属于矿业工程技术领域，具体来说是一种离层水补给源的封堵方法。
背景技术
煤矿顶板“离层水”水害近年来频繁发生，人员伤亡和财产损失触目惊心。淮北煤田海孜煤矿2005年“5.21”离层水突出事故共造成5人死亡，最大突水量3887m3/h，并且形成冲击矿压次生灾害；朱仙庄煤矿2015年“1.30”离层水水害事故共造成7人死亡，最大突水量7200m3/h，开采工作面被淹。
在煤层顶板覆岩中，当厚且硬的岩层(习称“关键层”)与其下伏的软弱岩层工程地质性质存在较大差异时，在采动影响下，二者移动变形不协调、不同步，从而产生离层空间。具体表现为下位软弱岩层下沉量过大而上位厚硬岩层悬空。离层的空间形态有盆形(水平及近水平岩层)、瓢形(倾斜岩层)。赋存于其中的地下水，称为“离层水”。
开采引起的覆岩变形破坏自下而上可划分为三个带：冒落带、裂隙带和弯曲带。离层可以发生在距离采空区较近的冒落带或裂隙带里(附图2、图3)，也可以形成于距离采空区较远的弯曲带里(附图4)。发育于冒落带或裂隙带内的离层，因与冒、裂带空隙相连通而难以积水，对安全开采无威胁；而发育于导水裂隙带上方的弯曲带下部的离层会不断积水，对煤矿安全生产威胁较大，所以此离层称为“灾害性离层”。
随着工作面的回采，上位的关键层悬顶越来越大，当悬顶达到极限应力平衡时，难以承受自重和矿压的共同作用而发生突然破断，所产生的巨大冲击力击拍离层水，瞬间形成超静水压力，突破离层水与裂隙带之间的隔水层(亦称“保护层”)，从而造成爆发性离层水突涌灾害，有的情况下伴随冲击矿压，灾害更加严重。
离层水的补给来源主要有两种。一是离层上覆煤系地层中地下水的垂向补给；二是松散含水层的侧向补给(附图6)。通常情况下，煤系含水层富水性弱，而且属“疏干型”含水层，即使补给离层，也可通过在井下或地面施工导流孔，将离层水引入冒落、裂隙带，以疏干离层水。但松散层水丰富，一旦补给离层，潜在的安全威胁较大，导流疏干也难以取得理想效果，而且大量疏水也会导致松散含水层压缩而使地面下沉，威胁地表建筑物安全。因此，采取有效措施对松散层水进行封堵，对于煤矿防治离层水水害和保护地表环境具有重要意义。现有注浆充填技术中，主要是在最大离层量对应的地面施工注浆钻孔，钻孔数多、钻探工程量大；有时会出现“盲区”(浆液未到达的离层空间)而留下离层水滞后突出的隐患；在工作面正上方注浆还会增大对综采支架的附加矿压，影响采煤安全；浆液从离层的低处(最大离层量处)向离层的高处逐渐扩散填充，耗能相对较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中注浆钻探工程量大、留有注浆“盲区”和增加综采支架附加矿压等不足，提供一种离层水补给源的封堵方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种离层水补给源的封堵方法，适用于倾斜岩煤层；包括以下步骤：
1)确定覆岩中所有离层的位置
根据地质勘探报告提供的岩性和厚度判断关键层；关键层与下位软弱岩层之间即为离层；
2)确定灾害性离层
首先，计算出开采后覆岩中最大冒落带高度Hc和最大导水裂隙带高度Hf；然后，根据覆岩中离层的位置，将发育于导水裂隙带之上的弯曲带下部的离层，确定为灾害性离层；
3)确定灾害性离层水的补给位置
根据地质勘探报告提供的岩层倾斜情况，确定灾害性离层与上覆松散含水层之间的位置关系，即可确定灾害性离层水的补给线，补给线与工作面走向一致；
4)一站多孔群设置
工作面回采之前，在地面设置一个注浆站、至少一个注浆孔群，注浆站与注浆孔群之间通过输浆管连接，注浆站和注浆孔群沿工作线走向布置在一条直线上；每个注浆孔群均包括主孔和分支孔；
5)注浆孔群施工顺序
开切眼端的注浆孔群至收作端的注浆孔群依次施工，且每个注浆孔群按照先主孔、后分支孔的顺序施工；
6)注浆顺序
自开切眼端的注浆孔群至收作端的注浆孔群依次注浆，且每个注浆孔群内部按照先分支孔后主孔的顺序注浆。
优选的，所述步骤4)中，注浆孔群位于补给线朝工作面一侧，且与风巷的平距x为±5m。
优选的，所述步骤4)中，当L≤D，则设一个注浆孔群，当L>D时，则至少设2个注浆孔群；其中，L为工作面走向长度，D为分支孔最大钻注长度。
优选的，当设一个注浆孔群时，该注浆孔群设在收作端，为收作孔群；若设n个注浆孔群，其中n≥2，则n-1个注浆孔群设在切眼端，自切眼开始依次命名为切眼孔群1、切眼孔群2、……、切眼孔群n-1，建在工作面走向上且分别距离切眼的 处；另一个设在收作端，为收作孔群，且建在工作面内距离收作线平距为y处；注浆站建在n个注浆孔群的中间位置。
优选的，切眼孔群1的主孔和切眼孔群1的分支孔在工作面初次来压之前成孔，其余钻孔可根据回采推进位置陆续成孔。
优选的，切眼孔群1的分支孔在工作面初次来压时开始注浆，待回采推进至切眼孔群1的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群1主孔起注；回采推进越过切眼孔群1主孔浆液扩散半径时，切眼孔群2的分支孔起注，待回采推进至切眼孔群2的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群2主孔起注；回采推进越过切眼孔群2主孔浆液扩散半径时，切眼孔群3的分支孔起注，待回采推进至切眼孔群3的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群3主孔起注……，依次进行，待回采推进至切眼孔群n-1的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群n-1的主孔起注，回采推进越过切眼孔群n-1的主孔浆液扩散半径时，收作孔群分支孔起注；待回采推进至收作孔群主孔浆液扩散半径范围内时，收作孔群主孔起注，直至形成一个完整的止水塞。
优选的，所述分支孔沿工作面走向方位造斜，进入离层后，保持近水平钻进。
优选的，所述主孔为垂直孔。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明针对离层水补给源为上覆松散含水层时，提供的一种封堵补给通道的方法，在现有的定向钻设备和工艺日益成熟的条件下，技术流程简单，自动化程度高，便于操作，而且跟层准确，目标命中率高，封堵效果好，可以最大限度地减小甚至消除离层水害隐患。本发明与现有的离层注浆充填技术相比，注浆孔钻探工程量小，成本低；不会留有注浆“盲区”，消除离层水滞后水害威胁；由于本发明的注浆位置不在工作面的正上方，对综采支架的附加矿压较小；浆液从离层的高处向离层的低处自流，充分利用了势能，提高了注浆效益。
附图说明
图1为本发明实施例1的流程框图；
图2和图3均为本发明实施例1中覆岩中各关键层和离层的关系结构示意图；
图4为本发明实施例1中灾害性离层的结构示意图；
图5为本发明实施例2的作业环境结构示意图；
图6为图5中A-A剖面结构示意图；
图7为本发明实施例2中注浆站和注浆孔群的结构示意图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
实施例1
如图1所示，一种离层水补给源的封堵方法，适用于倾斜岩煤层；包括以下步骤：
步骤1.确定覆岩中所有离层的位置
如图2至图4所示，煤系地层是由物理力学性质不同的软硬岩层相间组合而成。一般情况下，在采煤引起的岩层移动中，这种厚硬岩层起着关键性控制作用，因此文献中将其称为关键层。关键层与其下位的软弱岩层之间，为潜在离层空间的位置。覆岩中，这种关键层与软弱岩层组合可能有多处，因此潜在的离层空间也有多个，需要一一确定之。根据地质勘探报告提供的岩性和厚度判断第一关键层11、第二关键层12、第三关键层13等，再根据第一关键层11、第二关键层12、第三关键层13等与软弱岩层的组合特征，逐一确定出潜在的第一离层41、第二离层42、第三离层43等位置。
步骤2.确定灾害性离层
首先，计算出开采后覆岩中最大冒落带高度Hc和最大导水裂隙带高度Hf；然后，根据覆岩中第一离层41、第二离层42、第三离层43等的位置，将发育于导水裂隙带之上的弯曲带下部的离层43，确定为灾害性离层。根据2000年原国家煤炭工业局《建筑物、水体、铁路及注意井巷煤柱留设与压煤开采规程》提供的计算公式，如表1，计算最大冒落带Hc和最大导水裂隙带Hf的高度：
表1厚煤层分层开采的最大冒落带、导水裂隙带高度计算公式一览表
(煤层倾角为0°～54°)
步骤3.确定灾害性离层水的补给位置
根据地质勘探报告提供的岩层倾斜情况，确定灾害性离层43与上覆松散含水层70之间的位置关系，即可确定灾害性离层43水的补给线，补给线与工作面走向一致。
步骤4.一站多孔群设置
如图5、图6所示，工作面回采之前，在地面设置一个注浆站50、至少一个注浆孔群，注浆站50与注浆孔群之间通过输浆管连接，注浆站50和注浆孔群沿工作线走向布置在一条直线上，且注浆孔群位于补给线朝工作面一侧且距离风巷的平距x为±5m，每个注浆孔群均包括主孔和分支孔。
注浆孔群的数量依据工作面走向长度及分支注浆孔最大水平钻注长度确定。当L≤D，则设一个注浆孔群，当L>D时，则至少设2个注浆孔群；其中，L为工作面走向长度，D为分支孔最大水平钻注长度。当设一个注浆孔群时，该注浆孔群设在收作端，为收作孔群61。若设n个注浆孔群，其中n≥2，则n-1个设在切眼端，自切眼开始依次命名为切眼孔群1、切眼孔群2、……、切眼孔群n-1，建在工作面走向上且分别距离切眼的 处；另一个设在收作端，为收作孔群61，且建在工作面内距离收作线平距为y处；注浆站建在n个注浆孔群的中间位置。
步骤5.注浆孔群施工顺序
切眼孔群62至收作孔群61依次施工，且每个注浆孔群按照先主孔、后分支孔的顺序施工；其中，切眼孔群62的主孔和切眼孔群62的分支孔在工作面初次来压之前成孔，其余钻孔可根据回采推进位置陆续成孔。分支孔沿工作面走向方位造斜，进入离层4后，保持近水平钻进。主孔为垂直孔。
步骤6.注浆顺序
切眼孔群62至收作孔群61依次注浆，且每个注浆孔群内部按照先分支孔后主孔的顺序注浆。切眼孔群62的分支孔在工作面初次来压时开始注浆，待回采推进至切眼孔群62的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群62主孔起注；回采推进越过切眼孔群62主孔浆液扩散半径时，下一个切眼孔群的分支孔起注……，依次进行，直至收作孔群61分支孔起注；待回采推进至收作孔群61主孔浆液扩散半径范围内时，收作孔群61主孔起注，直至形成一个完整的止水塞80。
实施例2
下面以两个注浆孔群为例进行详细描述：
如图5、图6、图7所示，工作面由机巷20、风巷30、开切眼(开始回采的起点)和收作端(回采结束后的终点)所确定，其走向长为L、倾斜宽为S。先根据实施例1所提供的方法确定灾害性离层43，以及处于风巷上方的离层水补给线，然后根据现场情况设计“一站多孔群”(一个注浆站50与多个注浆孔群的简称)注浆方案。具体为：
(1)注浆站50建在两个注浆孔群的中间位置，其功能是根据防治离层43水害工程要求制备浆液，并通过注浆泵输送浆液(注浆泵型号及泵压亦根据防治离层43水害工程要求进行选型和设计)；
(2)注浆孔群由一个主孔和一个分支孔组成，其功能是将浆液送至设计的耙区，其中切眼孔群62建在工作面走向长的处(y为主孔的浆液扩散半径)，收作孔群61建在工作面内且距离收作线平距为y处；
(4)注浆孔群之主孔为垂直孔，其孔径、孔深及相关技术参数按照防治离层43水害工程要求进行设计；
(5)分支定向钻孔均沿工作面走向方位造斜，进入离层43后保持近水平钻进，钻进轨迹和长度设计根据定向钻设备技术参数、浆液扩散半径以及防治离层43水害工程要求进行。
“一站多孔群”注浆施工包括以下步骤：
1)根据“一站多孔群”注浆设计，在工作面开始回采之前，建成注浆站50和注浆孔群设施(包括钻塔、钻机、泥浆池等)，完成设备安装调试流程，并连接好输浆管路；
2)根据“一站多孔群”注浆设计，注浆孔群及其分支孔施工顺序：切眼孔群主孔→切眼孔群分支孔→收作孔群主孔→收作孔群分支孔，其中切眼孔群主孔和切眼孔群分支孔在工作面初次来压之前成孔，其余钻孔可根据回采推进位置陆续成孔；各分支孔造斜及钻进方位与工作面走向一致，其转弯半径要顾及主孔浆液扩散半径，以不留注浆“盲区”为基准确定分支孔转弯半径；
3)根据“一站多孔群”注浆设计，注浆孔群及其分支孔注浆顺序：切眼孔群分支孔→切眼孔群主孔→收作孔群分支孔→收作孔群主孔，其中切眼孔群分支孔在工作面初次来压时开始注浆，待回采推进至切眼孔群主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群主孔起注；回采推进越过切眼孔群主孔浆液扩散半径时，收作孔群分支孔起注；待回采推进至收作孔群主孔浆液扩散半径范围内时，收作孔群主孔起注，直至形成一个完整的止水塞80。
开采初期，离层43量不大，注浆要及时跟上，并通过浆液自流逐渐充填离层43空间，使第三关键层13不致突然破断而形成巨大冲击矿压；注浆压力升压为松散含水层70水头压力的1.5倍时可结束注浆；定向钻进(包括长距离分支孔钻进)技术比较成熟，在石油、煤矿行业应用十分广泛。其以先进的随钻测控技术为依托，通过对实钻钻孔轨迹的实时测量和精确控制，可保证定向钻孔精确中靶目标区域，实现有效治理离层水水害的目标。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种离层水补给源的封堵方法，适用于倾斜岩煤层；其特征在于包括以下步骤：
1)确定覆岩中所有离层的位置
根据地质勘探报告提供的岩性和厚度判断关键层；关键层与下位软弱岩层之间即为离层；
2)确定灾害性离层
首先，计算出开采后覆岩中最大冒落带高度Hc和最大导水裂隙带高度Hf；然后，根据覆岩中离层的位置，将发育于导水裂隙带之上的弯曲带下部的离层，确定为灾害性离层；
3)确定灾害性离层水的补给位置
根据地质勘探报告提供的岩层倾斜情况，确定灾害性离层与上覆松散含水层之间的位置关系，即可确定灾害性离层水的补给线，补给线与工作面走向一致；
4)一站多孔群设置
工作面回采之前，在地面设置一个注浆站、至少一个注浆孔群，注浆站与注浆孔群之间通过输浆管连接，注浆站和注浆孔群沿工作线走向布置在一条直线上；每个注浆孔群均包括主孔和分支孔；
5)注浆孔群施工顺序
自开切眼端的注浆孔群至收作端的注浆孔群依次施工，且每个注浆孔群按照先主孔、后分支孔的顺序施工；
6)注浆顺序
自开切眼端的注浆孔群至收作端的注浆孔群依次注浆，且每个注浆孔群内部按照先分支孔后主孔的顺序注浆。
2.根据权利要求1所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：步骤4)中，注浆孔群位于补给线朝工作面一侧，且与风巷的平距x为±5m。
3.根据权利要求1所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：步骤4)中，当L≤D，则设一个注浆孔群，当L>D时，则至少设2个注浆孔群；其中，L为工作面走向长度，D为分支孔最大钻注长度。
4.根据权利要求3所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：当设一个注浆孔群时，该注浆孔群设在收作端，为收作孔群；若设n个注浆孔群，其中n≥2，则n-1个设在切眼端，自切眼开始依次命名为切眼孔群1、切眼孔群2、……、切眼孔群n-1，建在工作面走向上且分别距离切眼的处；另一个设在收作端，为收作孔群，且建在工作面内距离收作线平距为y处，其中y为主孔的浆液扩散半径；注浆站建在n个注浆孔群的中间位置。
5.根据权利要求4所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：切眼孔群1的主孔和切眼孔群1的分支孔在工作面初次来压之前成孔，其余钻孔根据回采推进位置陆续成孔。
6.根据权利要求4所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：切眼孔群1的分支孔在工作面初次来压时开始注浆，待回采推进至切眼孔群1的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群1主孔起注；回采推进越过切眼孔群1主孔浆液扩散半径时，切眼孔群2的分支孔起注，待回采推进至切眼孔群2的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群2主孔起注；回采推进越过切眼孔群2主孔浆液扩散半径时，切眼孔群3的分支孔起注，待回采推进至切眼孔群3的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群3主孔起注……，依次进行，待回采推进至切眼孔群n-1的主孔浆液扩散半径范围内时，切眼孔群n-1的主孔起注，回采推进越过切眼孔群n-1的主孔浆液扩散半径时，收作孔群分支孔起注；待回采推进至收作孔群主孔浆液扩散半径范围内时，收作孔群主孔起注，直至形成一个完整的止水塞。
7.根据权利要求5所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：所述分支孔沿工作面走向方位造斜，进入离层后，保持近水平钻进。
8.根据权利要求5所述的一种离层水补给源的封堵方法，其特征在于：所述主孔为垂直孔。
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