CN108590717B - 化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，适用于煤炭开采水资源保护与矿井水害防治技术领域。确认开采区域内覆岩导水裂隙带沟通地层含水层的分布范围信息和富含碳酸盐岩矿物的岩层信息；在开采区域中由地表向处于导水裂隙带范围内、地层含水层以下富含碳酸盐岩矿物的目标岩层中施工钻孔，通过钻孔向目标岩层裂隙中注入软化剂，使软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，使碳酸盐岩软化，促使岩体中的张拉裂隙在采动地层应力的作用下逐步发生闭合，降低其导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。其步骤简单，效果可靠，实用性强。

Description

化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法

技术领域

本发明涉及一种保水方法，尤其是一种适用于煤炭开采水资源保护与矿井水害防治技术领域中的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法。

背景技术

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动与破坏，从而在覆岩中形成采动裂隙；覆岩采动裂隙的产生既为区域水资源流失提供了通道，同时也成为矿区生态环境破坏的地质根源。从采动覆岩导水裂隙带分布的一般特征看，导水裂隙带“马鞍形”发育范围会在垂直剖面上分布3个区域：压裂裂隙区、张拉裂隙区、中部压实区。其中，压裂裂隙区和中部压实区的裂隙开度相对较小、过流能力相对较弱，而处于开采边界内侧附近的张拉裂隙区，其裂隙发育开度大、通道过流能力强；所以，当采煤引起的导水裂隙带沟通地层含水层时，其水资源漏失的主要通道即为张拉裂隙区的大开度采动裂隙。因此，实现煤炭开采水资源保护的关键在于合理控制导水裂隙带内张拉裂隙区采动裂隙的过流能力，减小其裂隙开度、促进其发生闭合自修复显得尤为重要。

煤系地层中赋存有岩性不同、强度各异的岩层，这些岩层中大多由碳酸盐岩、铝硅酸盐岩、以及各种黏土矿物组成，各类矿物成分的组分差异造成了各类岩层强度的差别。相关研究发现，岩体中的矿物成分常常会与地下水发生长期持续的水岩相互作用，从而会对岩体结果的承载强度产生弱化作用；且地下水酸碱度不同时，相关水岩作用引起的强度弱化程度也将有所不同。岩体中的碳酸盐岩矿物成分是极易与酸性化学物反应的物质，若能通过人为改变地下水酸度的方式促进岩层的水岩反应软化作用，这将能促使采动岩体结构发生塑性流变，从而在采动地层应力的压实作用下促使岩体中的采动裂隙逐步闭合，这对于降低采动裂隙的过流能力、促进其发生自修复，无疑是一条有效的途径。因此，有必要基于采动覆岩导水裂隙带发育特征，开展化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的专门设计。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种结合煤层开采参数及水文地质条件，通过判别采动覆岩导水裂隙带沟通地层含水层的分布区域，确立人工注入化学软化剂以促进富含碳酸盐岩目标岩层发生塑性流变、促使采动裂隙闭合自修复的方法，从而降低含水层水资源漏失程度、减轻井下水害威胁，实现矿井的绿色安全高效生产的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带的发育特征，确定开采区域内覆岩导水裂隙带沟通地层含水层的分布范围信息，同时获取富含碳酸盐岩矿物岩层的信息；在导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域中由地表向处于导水裂隙带范围内、地层含水层以下富含碳酸盐岩的目标岩层中施工钻孔，富含碳酸盐岩的目标岩层中存在大量裂隙分布，通过钻孔向目标岩层裂隙中注入软化剂，使软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，从而促进碳酸盐岩的岩体结构软化，促使岩体中的张拉裂隙在采动地层应力的作用下逐步发生闭合，降低其导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。

具体步骤如下：

a.在开采区域上方利用地质钻孔柱状判断地层含水层的位置，同时结合覆岩导水裂隙带高度判断地层含水层受采动破坏的采煤区域；若导水裂隙带高度范围内存在含水层，则判断对应区域导水裂隙带已沟通含水层，需要进行保水修复施工，若导水裂隙带高度范围内不存在含水层1，则无需进行保水修复施工；

b.对需要进行保水修复处进行施工：在导水裂隙带已沟通含水层的开采区域中，对相对应的导水裂隙带范围内、含水层以下的各岩层进行取样，并测试各岩层的矿物成分，从而确定出富含碳酸盐岩矿物的目标岩层；

c.在导水裂隙带沟通地层含水层的采区对应地表向下施工软化剂注入钻孔，钻孔类型可根据地表的施工条件来确定：若开采区域对应地表具备钻场布置的施工条件，则选择采用地表垂直钻孔；否则需要选择在开采区域之外的地表合适位置布置钻场施工水平定向钻孔；

d.向软化剂注入钻孔中注入易于碳酸盐岩矿物发生反应的软化剂，使软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，促使碳酸盐岩的岩体结构发生塑性流变，塑性流变后的碳酸盐岩岩层在采动地层水平应力的挤压和采动地层垂直应力的压实双重作用下，使处于目标岩层中的压裂裂隙和张拉裂隙逐渐闭合，从而有效降低张拉裂隙区岩层的导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。

不同类型钻孔的设置步骤如下：

若软化剂注入钻孔为地表施工垂直钻孔，则钻孔平面位置位于采区边界外侧附近，距离开采边界的水平距离为目标岩层层位对应导水裂隙带轮廓线与开采边界的距离，终孔位置为富含碳酸盐岩矿物的目标岩层的垂向中部；若所述导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域走向和倾向尺寸超过200-300m时，则沿走向或倾向间隔200-300m布置垂直钻孔；

若在地表施工水平定向钻孔，则钻孔的水平段的轨迹应沿着富含碳酸盐岩矿物的目标岩层3的层位，并处于导水裂隙带轮廓线的侧向偏移位置。

所述垂直钻孔应从地表直至含水层底界面以下10m范围内进行套管护孔，套管材质为PVC等耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料；所述水平定向钻孔应从地表直至进入导水裂隙带范围前进行套管护孔，套管材质为PVC等耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料。

所述导水裂隙带高度根据钻孔冲洗液漏失量法这一现场实测方法进行工程探测，或者利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”的理论计算方法进行判断。

所述含水层以下各岩层的矿物成分进行取样测试采用X衍射仪进行测试，并将含有碳酸盐岩矿物成分含量最多的岩层确定为注入化学软化剂的富含碳酸盐岩矿物的目标岩层。

所述软化剂为酸性化学物溶液，包括盐酸或硫酸或氢氟酸，质量分数为15％-20％。

有益效果：本发明基于采动覆岩导水裂隙的发育规律和分布特征，充分利用酸性化学物对富含碳酸盐岩矿物的溶解和溶蚀反应作用，能有效弱化目标岩层的承载结构强度，促进岩层在采动地层应力的压实作用下发生塑性流变，从而促使岩层中的采动裂隙趋于闭合，实现采动裂隙的人工促进自修复，最终达到降低裂隙通道导水能力、保护地下含水层的目的。本发明将能够适应不同开采条件下化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的确定，可为矿区煤炭开采水资源保护与水害防治等提供保障，其使用方法可靠，实用性强。

有以下优点：

(1)对沟通地层含水层的覆岩导水裂隙采取“抓主要矛盾”的方式，对开采边界覆岩中开度较大、过流能力较强的裂隙实施人工促进其闭合自修复的措施，不但科学可靠、工程量低，不会对工作面正常采煤产生干扰，整个保水方法可以在正常采煤同时实施，也可以在工作面封闭后实施。

(2)充分利用采动覆岩中的水岩化学作用，人为加入化学软化剂促进目标岩层的软化和裂隙闭合，既遵循了客观自然规律，又不会对地下水环境产生严重影响。

(3)能够适应不同开采条件下化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的确定，可为我国地层富水性强、地表生态环境脆弱矿区的煤炭开采水资源保护与水害防治提供保障，其实施方法简单，实用性强。

附图说明

图1是本发明化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的地表垂直钻孔布置平面图；

图2是本发明化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的地表垂直钻孔布置A-A剖面图；

图3是本发明对富含碳酸盐岩目标岩层实施软化前后采动裂隙闭合自修复的示意图；

图4是本发明化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的地表水平定向钻孔布置平面图；

图5是本发明化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的地表水平定向钻孔布置B-B剖面图；

图6是本发明实际应用过程中某煤矿12301工作面地表化学软化剂注入钻孔布置平面图。

图中：1—含水层；2—富含碳酸盐岩矿物的目标岩层；3—垂直钻孔；4—导水裂隙带轮廓线；5—压裂裂隙区；6—张拉裂隙区；7—中部压实区；8—水平定向钻孔；9—采动地层水平应力；10—采动地层垂直应力。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-图5所示，本发明的一种化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带的发育特征，确定开采区域内覆岩导水裂隙带沟通地层含水层1的分布范围，导水裂隙带的边缘为导水裂隙带轮廓线4，内部包括压裂裂隙区5和张拉裂隙区6，导水裂隙带内设有中部压实区7，中部压实区7被包围在压裂裂隙区5和张拉裂隙区6的中间；

在导水裂隙带沟通地层含水层1的开采区域，由地表向处于导水裂隙带范围内、地层含水层1以下的富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2中施工钻孔，通过注入酸性化学物等软化剂使其与目标岩层中的碳酸盐岩矿物发生充分反应，促进岩体结构发生塑性流变，促使岩体中的张拉裂隙在采动地层应力的作用下逐步发生闭合，降低其导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。

具体包括以下步骤：

a.根据覆岩导水裂隙带高度和地质钻孔柱状判断地层含水层1受采动破坏的采煤区域，若导水裂隙带高度范围内存在含水层1，则对应区域导水裂隙带已沟通含水层1，需要布置相应的化学软化剂注入钻孔；若导水裂隙带高度范围内不存在含水层1，则无需施工钻孔。

所述导水裂隙带高度根据钻孔冲洗液漏失量法这一现场实测方法进行工程探测，或者可利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”的理论计算方法进行判断。

b.对导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域对应导水裂隙带范围内、含水层1以下的各岩层的矿物成分进行取样测试，确定出富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2。

所述含水层1以下各岩层的矿物成分测试采用X衍射仪进行测试，并将含有碳酸盐岩矿物成分含量最多的岩层确定为注入化学软化剂的富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2。

c.在导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域对应地表进行化学软化剂注入钻孔的施工，钻孔类型可根据地表的施工条件来确定。若开采区域对应地表具备钻场布置的施工条件，则选择采用地表垂直钻孔3；否则需要选择在开采区域之外的地表合适位置布置钻场施工水平定向钻孔8。不同类型钻孔的设置步骤如下：

若在地表施工垂直钻孔3，则钻孔平面位置位于采区边界外侧附近，距离开采边界的水平距离为富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2的层位对应导水裂隙带轮廓线4与开采边界的距离，终孔位置为富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2的垂向中部。当所述导水裂隙带沟通地层含水层1的开采区域走向和倾向尺寸超过200-300m时，可沿走向或倾向间隔200-300m布置垂直钻孔43。

若在地表施工水平定向钻孔8，则钻孔的水平段的轨迹应沿着富含碳酸盐岩矿物的目标岩层2的层位，并处于导水裂隙带轮廓线4的侧向偏移位置。

所述垂直钻孔3应从地表直至含水层1底界面以下10m范围内进行套管护孔，套管材质为PVC等耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料。

所述水平定向钻孔8应从地表直至进入导水裂隙带范围前进行套管护孔，套管材质为PVC等耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料。

d.向软化剂注入钻孔中注入易于碳酸盐岩矿物发生反应的软化剂，使软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，促使碳酸盐岩的岩体结构发生塑性流变，塑性流变后的碳酸盐岩岩层在采动地层水平应力9的挤压和采动地层垂直应力采动地层垂直应力10的压实双重作用下，使处于目标岩层中的压裂裂隙和张拉裂隙逐渐闭合，从而有效降低张拉裂隙区岩层的导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。

所述酸性化学物溶液的质量分数为15％-20％。

如下表1和表2所示，表格为某煤矿12301工作面实际应用过程中不同开采区域钻孔柱状及导水裂隙带高度判别结果图，从表中可以看出，12301工作面在这两个钻孔区域导水裂隙带高度及其是否沟通地层含水层情况存在明显不同。T1钻孔区域覆岩导水裂隙带未沟通地层含水层，而T2钻孔区域覆岩导水裂隙发育至基岩顶界面，直接沟通了地层含水层。所以，需要对T2钻孔区域对应地层中处于导水裂隙带范围、含水层以下的富含碳酸盐岩矿物的目标岩层进行化学软化，以促进岩体的塑性流变及其采动裂隙的闭合自修复。

表1是某煤矿12301工作面T1钻孔柱状及关键层位置判别结果；

表2是某煤矿12301工作面T2钻孔柱状及关键层位置判别结果；

如图6所示，考虑到工作面地表比较平缓，具备垂直钻孔施工钻场的布置，因此在T2钻孔区域对应地表实施垂直钻孔的施工。通过对T2钻孔导水裂隙带范围含水层以下的岩层进行取样测试岩石矿物成分，发现第8号岩层富含碳酸盐岩矿物，其含量最大且达到了83％。因此，地面钻孔的终孔层位为该石灰岩的垂向中部，对应垂深为139m。由于T2钻孔开采区域走向推进长度达到了560m，因此钻孔水平间距300m进行布置。根据相关测算T2钻孔区域覆岩导水裂隙带侧向偏移的轮廓线在第8号石灰岩层位距离开采边界的距离为35m，因此钻孔布置的水平位置也按此距离进行布置。

本发明基于采动覆岩导水裂隙的发育规律和分布特征，充分利用酸性化学物对富含碳酸盐岩矿物的溶解、溶蚀等化学反应作用，能有效弱化目标岩层的承载结构强度，促进岩层在采动地层应力的压实作用下发生塑性流变，从而促使岩层中的采动裂隙趋于闭合，实现采动裂隙的人工促进自修复，最终达到降低裂隙通道导水能力、保护地下含水层的目的。本发明能够适应不同开采条件下化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法的确定，可为矿区煤炭开采水资源保护与水害防治等提供保障，其使用方法可靠，实用性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于：根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带的发育特征，确定开采区域内覆岩导水裂隙带沟通地层含水层的分布范围信息，同时获取富含碳酸盐岩矿物岩层的信息；在导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域中由地表向处于导水裂隙带范围内、地层含水层以下富含碳酸盐岩的目标岩层中施工钻孔，富含碳酸盐岩的目标岩层中存在大量裂隙分布，通过钻孔向目标岩层裂隙中注入化学软化剂，使化学软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，从而促进碳酸盐岩的岩体结构软化，促使岩体中的张拉裂隙在采动地层应力的作用下逐步发生闭合，降低其导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护；

具体步骤如下：

a．在开采区域上方利用地质钻孔柱状判断地层含水层位置，同时结合覆岩导水裂隙带高度判断地层含水层受采动破坏的采煤区域；若导水裂隙带高度范围内存在含水层，则判断对应区域导水裂隙带已沟通含水层，需要进行保水修复施工，若导水裂隙带高度范围内不存在含水层，则无需进行保水修复施工；

b．对需要进行保水修复处进行施工：在导水裂隙带已沟通含水层的开采区域中，对相对应的导水裂隙带范围内、含水层以下的各岩层进行取样，并测试各岩层的矿物成分，从而确定出富含碳酸盐岩矿物的目标岩层；

c．在导水裂隙带沟通地层含水层的采区对应地表向下施工软化剂注入钻孔，钻孔类型可根据地表的施工条件来确定：若开采区域对应地表具备钻场布置的施工条件，则选择采用地表垂直钻孔；否则需要选择在开采区域之外的地表合适位置布置钻场施工水平定向钻孔；

d.向软化剂注入钻孔中注入易于碳酸盐岩矿物发生反应的化学软化剂，使化学软化剂与目标岩层中的碳酸盐岩矿物充分反应，促使碳酸盐岩的岩体结构发生塑性流变，塑性流变后的碳酸盐岩岩层在采动地层水平应力的挤压和采动地层垂直应力的压实双重作用下，使处于目标岩层中的压裂裂隙和张拉裂隙逐渐闭合，从而有效降低张拉裂隙区岩层的导水能力，实现采动裂隙的人工促进自修复和地下含水层保护。

2.根据权利要求1所述的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于不同类型钻孔的设置步骤如下：

若软化剂注入钻孔为地表施工垂直钻孔，则钻孔平面位置位于采区边界外侧附近，距离开采边界的水平距离为目标岩层层位对应导水裂隙带轮廓线与开采边界的距离，终孔位置为富含碳酸盐岩矿物的目标岩层的垂向中部；若所述导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域走向和倾向尺寸超过300m时，则沿走向或倾向间隔300m布置垂直钻孔；

若在地表施工水平定向钻孔，则钻孔的水平段的轨迹应沿着富含碳酸盐岩矿物的目标岩层的层位，并处于导水裂隙带轮廓线的侧向偏移位置。

3.根据权利要求2所述的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于：所述垂直钻孔应从地表直至含水层底界面以下10m范围内进行套管护孔，套管材质为耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料；所述水平定向钻孔应从地表直至进入导水裂隙带范围前进行套管护孔，套管材质为耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料，所述耐酸腐蚀性的高强度聚合物材料为PVC。

4.根据权利要求1所述的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于：所述导水裂隙带高度根据钻孔冲洗液漏失量法这一现场实测方法进行工程探测，或者利用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”的理论计算方法进行判断。

5.根据权利要求1所述的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于：所述含水层以下各岩层的矿物成分进行取样测试采用X衍射仪进行测试，并将含有碳酸盐岩矿物成分含量最多的岩层确定为注入化学软化剂的富含碳酸盐岩矿物的目标岩层。

6.根据权利要求1所述的化学软化碳酸盐岩促进采动裂隙自修复的保水方法，其特征在于：所述化学软化剂为酸性化学物溶液，包括盐酸或硫酸或氢氟酸，质量分数为15%-20%。