CN108518241A - 一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，该方法依赖于水、浆液、垮落岩石所构成的联合结构体来承载上覆岩层；采场内矿产资源开采过程中，将积水泵入采场内的具有一定强度的临时水仓中；开采后顶板岩层垮落，采场岩层碎石沉积在临时水仓周围，浇筑浆液使碎石凝结在一起形成类穹顶形承载体。本发明对于开采过程中的积水进行贮藏处理，进行二次应用，特别是对于含水层遭到破坏的情况；同时借助水与临时水仓的承载能力，在岩层碎石垮落空间内形成一个类穹顶结构实现对地表的控沉作用。本发明具有保水、防水、减沉等效果，充填材料用料少成本低，操作简单，工程效果显著，适用于倾角较小的岩层，可适用于西部保水开采及矿区的防沉陷开采。
Description
技术领域
本发明涉及矿产开采中一种控制地表沉陷、处理采场积水、矿区水二次利用的方法，尤其涉及一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，属矿山安全绿色开采领域。
背景技术
矿产资源采出后，由于岩层的不稳定性，对地表的影响开始显现，并且这种影响都是破坏性的，引发大面积的地表沉陷事故，破坏地表生态环境，危害人民生命财产安全。
再者，在矿产资源开采过程中，对地下水、地表水的影响也是很大的，地层开挖破坏了岩层中的水流通道或者诱发通道演化加剧，导致水资源流失进入采场，在采场、工作面会存在大量积水，若对水流控制不到位还易引发水害。
对于干旱地区而言，水资源是及其珍贵的，而对于地下水资源、地下采矿产生的积水，仍可以通过引流、处理进行二次应用。
因此迫切需要一种简易实施的，成本低的综合性方法来实现减沉、治水。
发明内容
本发明的目的是，提供一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，解决采矿过程中所存在的地表沉陷、水资源浪费、水害等诸多问题。本发明提出的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，该方法所采用的联合承载结构简单、所消耗的原材物料相对较少，承载效果好，适用性较强，能够减少矿区沉陷，提高水资源利用率，且综合成本低。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，包括以下步骤：
步骤一，开采前期测定工程区域内的含水情况，预计采场参数；并根据矿井的含水量，计算采场内的预计排水总量，设计单一盛水临时水仓在完全膨胀状态为半球型，其个数、体积及其层次组数，保证临时水仓在引水加压、泵入积水后处于完全膨胀状态；
步骤二，将临时水仓外表面铺设隔膜，下表层通过隔膜固定于底板且完全接触底板，临时水仓注水后形成半球型结构后仍可自由伸缩，从地面钻孔穿顶板打眼至采场，利用管路连接某一层次中部临时水仓形成引水管，以备对地下积水的二次开发利用；
步骤三，间隔一定距离布置同一层次的下一个临时水仓，保证每个相邻临时水仓完全膨胀状态时，底边相邻最短距离大于零小于底面半径长度；待同一层次全部临时水仓完成注水后，将同一层次临时水仓的进水管利用连通管相互贯通连接成组，促其形成通路而每组仍保留两个进水管，利用水管引向工作面，仍可向其内部泵入水流；
步骤四，待顶板岩层初期垮落，碎石接触临时水仓而沉积于其四周，临时水仓保证空间内形成半球型结构，利用注浆设备，向垮落的碎石空间内临时灌浆，依赖于泥浆黏结石体密实碎石之间的裂隙，形成统一的承载结构体，此结构体构成临时水仓的外表层；
步骤五，当第一层次的临时水仓达到预定水压值后，根据地质需求，间隔一段距离实施第二层次临时水仓的交错构建，同时重复步骤一至步骤四，如此循环作业，直至采场内全部完成；
步骤六，待采场内岩层稳定后，开启引水管的密封阀，在地表对地下储藏积水进行二次开发处理使用。
进一步地，上述步骤一中，主要结合采场的面积、高度、预计的含水总量来预计临时水仓的个数、体积、盛水量，并依据采区地质概况和围岩应力大小预计水压要求、临时水仓材质要求。
进一步地，上述步骤三中，利用连通管相互贯通连接成组，连通管利用紧箍、螺栓等与两个入水管完成连接，所述的连通管为L型管道，在碎石垮落前对其进行碎石垫高防冲预处理，防止因随时垮落而造成破坏。
优选的，上述临时水仓的不同层次距离一定的距离交错布置，其目的是为了充分发挥部分垮落岩石的自身承载能力。
优选的，上述入水管内部设置有单向阀门，为单向流，允许水流入而不允许水流出，且布置与距离地面一定高度处，仅单一水仓达到指定高度时实现贯通，利于积水泵入。
优选的，上述临时水仓底端、内表层采用可伸缩的塑料材质，韧性大，厚度应按照实际应力条件设计。
优选的，在临时水仓的内表层的外部，铺设薄隔膜，隔膜厚度0.5mm，仅起到隔离内表层与水仓外表层的目的。
优选的，注浆操作后，临时水仓初期的承载能力能够保证浆岩形成半球结构，并且浆岩与水仓内表层间的薄隔膜使得临时水仓能够自由伸缩排水。
优选的，引水管的下端连接呈喇叭状的扩流口，扩大引水效果。
优选的，引水管从中部水仓打眼穿顶板岩层，一是为了引水方便，二是为了当地下水对初期支撑垮落岩石压力不足时，可以借助于地面水进行加压处理。
进一步地，上述的引水管处于长期密封状态，仅在顶板岩层-浆液形成稳定半球型结构后方可开启应用，即实施步骤六。
在工作面完成采矿作业后，采场内的垮落岩石在浆液的作用下已形成完整结构，此时的水仓呈现半球状，能够保证稳定性，则打开引水管的密封阀，可利用地面的水泵等设备对水仓内的水进行处理后的二次利用。
由于优选的方案，在临时水仓的内表层的外部铺设了薄隔膜，此隔膜能够自由活动，则临时水仓能够自由伸缩活动而不对周围岩层产生大的影响。
上述技术方案直接带来的技术效果是，采用水岩联合注浆填充采场控沉治水，能够有效防止地表下沉，能够对采场内的积水进行有效处理，同时可以对水资源进行再次利用，达到了保水、节约水资源的目的，而且由于水资源可再次利用，减少了临时水仓所在空间的充填材料，降低了防沉成本。
上述技术方案的难点在于，近水平岩层开挖后，顶板岩层随机垮落，垮落的岩石随机分布，对下部临时水仓的作用存在孔隙，临时水仓的水压强度能够临时支撑上部覆岩，当岩层碎石逐渐垮落后再利用浆液将其链接为统一的结构体，则在临时水仓处便会形成一个以浆岩结构为外表层的半球型水仓，半球型具有很高的承载作用，完全可以应用于防沉工程，尤其是多个半球型结构的同时构建。这一客观规律的揭示和发现，是本发明技术思想形成的前提和基础，是本发明技术方案的核心关键点。
同时需要进一步说明的是，减沉在矿山安全开采中只是其中的一部分，防治水、保水也是矿山开采的一部分，本领域的技术人员只是在某一方面进行处理，并未实现综合性的、简易化的、操作性强的，同时实现减沉、治水、保水的。本发明对于现有技术所存在的上述技术问题的发现，对这种客观规律的揭示，或者说是对于这种技术的察觉、认知、直至解决的过程非显而易见的，即在采场内依据现场工程实际所构建的半球型水仓，既能完成减沉，有能保证安全，还能实现水资源的二次利用，是一个对矿山开采极具开发前景的方法。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下显著效果：
1、利用塑料隔膜为内表层，浆岩结构体为外表层形成半球型，结构简单，安全性好，能够有效控制地表下沉，减少采矿对地表的危害；
2、初期临时水仓内含采场积水，具有抗压作用可承载一定强度，后期半球型水仓形成，具备了承载能力，省时省力效果好，同时节约防沉注浆充填材料，降低了生产成本；
3、半球型水仓可以处理采场积水，并且可以实现积水的再次应用，既能解决水害问题又能节约水资源。
附图说明
图1为本发明的采场空间主视结构示意图；
图2为本发明的采场空间俯视结构示意图；
图3为本发明的采场空间内单一穹顶水仓结构示意图；
图4为本发明的单向进水管结构示意图
附图标记说明：1密封阀；2引水管；3进水管；4单向阀；5水仓内表层；6扩流口；7水仓；7-1第一层次水仓；7-2第二层次水仓；8碎石；9泥浆结石体；10底端隔膜；11顶板；12紧箍；13连通管；14水管；15薄隔膜。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明。
本发明的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，包括以下步骤：
步骤一，开采前期测定工程区域内的含水情况，预计采场参数；并根据矿井的含水量，计算采场内的预计排水总量，设计单一盛水临时水仓7及其体积、层次组数，保证临时水仓7在引水加压、泵入积水后处于完全膨胀状态；
步骤二，将临时水仓下表层采用隔膜10固定于底板且保证完全接触底板，内表层5外侧也铺设一层薄隔膜15，同时将内表层5与底端隔膜10实现无缝连接，注水后形成半球结构后临时水仓7仍可自由伸缩，从地面钻孔穿顶板11打眼至采场，利用管路连接同一层次中部临时水仓形成引水管2，以备对地下积水的二次开发利用；
步骤三，间隔一定距离布置同一层次的下一个水仓，待全部同一层次的单个临时水仓完成注水后，将同一层次临时水仓的进水管3利用连通管13相互贯通连接成组，促其形成通路而每组仍保留两个进水管3，利用水管14引向工作面，仍可向其内部泵入水流；
步骤四，待顶板岩层初期垮落，碎石8接触临时水仓而沉积于其四周，临时水仓则可保证空间内形成半球结构，利用注浆设备，向垮落的碎石空间内临时灌浆，依赖于泥浆结石体9密实碎石8之间的裂隙，形成统一的承载结构体，此结构体则构成了水仓的外表层；
步骤五，第一层次的临时水仓7-1达到预定值后，根据地质需求，间隔一定距离实施第二层次临时水仓7-2的交错构建，同时重复步骤一至步骤四···如此循环作业，直至采场内全部完成；
步骤六，待采场内岩层稳定后，可开启引水管2的密封阀1，在地表对地下储藏积水进行二次开发处理使用。
上述临时水仓的不同层次距离一定距离交错布置。
上述进水管3内部设置有单向阀门4，为单向流，允许水流入而不允许水流出。
上述各单一水仓进水管3依赖紧箍12相互贯通连接。
上述临时水仓的内表层的外部铺设的薄隔膜厚度为0.5mm。
上述引水管的下端连接呈喇叭状的扩流口6，扩大引水效果。
上述引水管的顶端安设密封阀1处于密封状态，待采场结构稳定后可开启。
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明是如何应用的进行详细说明。
以某矿开采为例，近水平岩层，采场开采过后，采空区的宽度为80m，高度为2m，岩层埋深约为350m，矿井地面允许沉降量较小，矿浆涌水量较大且矿井按照规程需要保护水资源，则需要对开采中的采场漏水进行处理后的二次应用。
则水岩联合注浆填充采场控沉治水时，具体步骤如下：
(1)考虑到安全性、稳定性，通过计算得到的临时水仓的底端直径为4m，预设完全注水后的高度为2m，同一层次布置个数为13，水仓间间隔距离为2m，临时水仓底端隔膜与内表层隔膜的厚度和材质要满足其强度，此时的材质选用塑料厚度为10mm，强度满足要求，同时需要由地面打钻孔，对采场内的水仓链接引水管直径约为100mm，并对单一水仓连接进水管直径约为100mm，实施无缝连接处理；
(2)在每个水仓的内表层的外侧铺设一层0.5mm薄隔膜，利用水泵通过管道将地下涌水、积水泵入逐一单一临时水仓，直至水仓充水初步形成半球水仓，起到初步支撑顶板下沉的效果；
(3)利用L型连通管连通同一层次的13个水仓，第一个水仓和最后一个水仓均保留一个进水管，并通过水管接入到工作面推进方向；
(4)第一层次布置完成后，随着部分岩层垮落，向碎石空间内浇灌水泥浆液，使得碎石在水仓的周围形成统一的承载联合体，形成初步的半球型结构。
(5)完成灌浆后间隔4mm布置第二层次，同时一、二层次交错布置，充分发挥岩石的自承能力，第二层次共布置12个，重复步骤一至步骤四。
(6)待采场内岩层稳定后，穹顶型水仓结构则可保持稳定性，此时可以可开启引水管的密封阀，将地下储藏的积水进行二次处理使用。
此种控沉治水方式不仅能够有效控制地表下沉，而且能够实现对地下水害的处理，实现对水资源的有效利用，且成本较低，操作简单。
Claims (8)
1.一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，开采前期测定工程区域内的含水情况，预计采场参数；并根据矿井的含水量，计算采场内的预计排水总量，设计单一盛水临时水仓在完全膨胀状态为半球型，其个数、体积及其层次组数，保证临时水仓在引水加压、泵入积水后处于完全膨胀状态；
步骤二，将临时水仓外表面铺设隔膜，下表层通过隔膜固定于底板且完全接触底板，临时水仓注水后形成半球型结构后仍可自由伸缩，从地面钻孔穿顶板打眼至采场，利用管路连接某一层次中部临时水仓形成引水管，以备对地下积水的二次开发利用；
步骤三，间隔一定距离布置同一层次的下一个临时水仓，保证每个相邻临时水仓完全膨胀状态时，底边相邻最短距离大于零小于底面半径长度；待同一层次全部临时水仓完成注水后，将同一层次临时水仓的进水管利用连通管相互贯通连接成组，促其形成通路而每组仍保留两个进水管，利用水管引向工作面，仍可向其内部泵入水流；
步骤四，待顶板岩层初期垮落，碎石接触临时水仓而沉积于其四周，临时水仓保证空间内形成半球型结构，利用注浆设备，向垮落的碎石空间内临时灌浆，依赖于泥浆黏结石体密实碎石之间的裂隙，形成统一的承载结构体，此结构体构成临时水仓的外表层；
步骤五，当第一层次的临时水仓达到预定水压值后，根据地质需求，间隔一段距离实施第二层次临时水仓的交错构建，同时重复步骤一至步骤四，如此循环作业，直至采场内全部完成；
步骤六，待采场内岩层稳定后，开启引水管的密封阀，在地表对地下储藏积水进行二次开发处理使用。
2.根据权利要求1所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的盛水临时水仓采用可伸缩的塑料材质，其外表面与底端隔膜相互无缝连接，防止渗水。
3.根据权利要求1或2所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的连通管为L型管道，在碎石垮落前对其进行碎石垫高防冲预处理。
4.根据权利要求1或2所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的入水孔设置单向流通阀，允许水流入而不允许水流出。
5.根据权利要求3所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的入水孔设置单向流通阀，允许水流入而不允许水流出。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的引水管处于长期密封状态，仅在顶板岩层-浆液形成稳定半球型结构后方可开启应用，即实施步骤六。
7.根据权利要求3所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的引水管处于长期密封状态，仅在顶板岩层-浆液形成稳定半球型结构后方可开启应用，即实施步骤六。
8.根据权利要求4所述的一种水岩联合注浆填充采场控沉治水方法，其特征在于，所述的引水管处于长期密封状态，仅在顶板岩层-浆液形成稳定半球型结构后方可开启应用，即实施步骤六。
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