CN109281707B - 一种工作面顶板离层水害的超前防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离层水害的超前防治方法，属于矿山安全技术领域，具体涉及一种适用于煤矿工作面顶板离层水害的超前防治方法。本工作面顶板离层水害超前防治方法可以结合工作面采动条件、覆岩结构、含隔水层水文地质条件等特征，利用井下钻孔对离层空间的充水含水层进行水位疏降；对离层空间注浆驱水，同时达到对离层空间下伏隔水层进行加厚的目的；对已形成的离层水体采用束状钻孔靶向探放的技术方案，可以在工作面回采过程中避免离层水体的形成、减少离层水体的规模或对大规模离层水体进行集中探放，从而避免离层水害事故的发生。

Description

一种工作面顶板离层水害的超前防治方法

技术领域

本发明涉及一种离层水害的超前防治方法，属于矿山安全技术领域，具体涉及一种适用于煤矿工作面顶板离层水害的超前防治方法。

背景技术

矿井水害作为矿井五大灾害之一，严重影响和威胁着煤矿正常生产和人员财产的安全，随着煤炭资源机械化开采的大规模普及，矿井开采水平不断向深部延伸和开采范围的逐步扩大，采掘活动所面临的地质和水文地质条件也日益复杂。

在工作面回采过程中，由于覆岩各岩层的岩性和物理力学性质的差异，在不同岩层之间会形成离层空间，当离层空间上部存在含水层时，便会对离层空间进行充水形成离层水体，离层水体与工作面导水裂缝带之间的隔水层在水压和自身重力作用下破断，导致离层水体进入工作面发生水害事故。由于离层水害具有透水征兆不明显、透水瞬时水量大、防治难度大等特点，成为顶板水害防治中急需解决的难题。

目前，针对离层水害的防治方法主要包括施工离层水体地面直通式导流孔、井下导流孔、控制采高和推进速度等。部分受离层水害威胁的工作面埋设较大，从地面进行离层水害治理，存在工程量和资金投入大以及离层水体导流量难以控制等问题；井下采用离层水体导流孔可以避免地面钻孔的弊端，但是目前导流孔基本呈扇形布置，在没有确定离层水体位置的情况下无法实现靶向精准探放；控制采高以达到避免波及离层水体的措施势必会造成煤炭资源的浪费，而工作面推进速度是由多种因素影响和决定的，为了离层水害治理控制推进速度在现场应用存在较大的局限性。

发明内容

针对离层水害防治中的存在的问题，本发明的目的是提供一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，结合工作面采动条件、覆岩结构、含隔水层水文地质条件等特征，利用井下钻孔对离层空间的充水含水层进行疏水降压；对离层空间下伏隔水层进行加厚，同时达到对离层空间注浆驱水的目的；对已形成的离层水体采用束状钻孔靶向探放的技术方案，可以在工作面回采过程中避免离层水体的形成、减少离层水体的规模或对大规模离层水体进行集中探放，从而避免离层水害事故的发生。

本发明所采用的技术方案是：

一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，包括：

充水含水层疏降步骤，用于当离层空间与煤层顶板之间距离H₃大于工作面导水裂缝带发育高度H₄时，施工长距离定向钻孔将离层空间上的充水含水层水位疏降至安全水位。

在本发明的至少一个实施例中，所述安全水位的水压为安全水压，所述安全水压基于下式确定：

P_安全＝T·M

式中，T为突水系数，M为离层空间下伏隔水层厚度。

在本发明的至少一个实施例中，还包括：

离层空间注浆驱水步骤，用于当离层空间下伏隔水层的实际厚度小于离层空间下伏隔水层破断的临界厚度时：向离层空间注浆和/或对离层空间内的水体进行置换。

在本发明的至少一个实施例中，基于下式计算离层空间下伏隔水层破断的临界厚度M_临界：

式中，T为突水系数，P为离层空间所承受的水压。

在本发明的至少一个实施例中，先向离层空间中心位置施工钻孔，再沿工作面走向和倾向方向距离离层空间中心预定距离的位置依次施工若干钻孔，利用所述钻孔向离层空间注浆和/或对离层空间内的水体进行置换。

在本发明的至少一个实施例中，基于下式计算离层空间中心位置：

d＝L/2

w＝33.539(cosα-0.985)W(α≤9°)

w＝0.09W(α＞9°)

式中：d为离层空间中心与上一个垮落步距或切眼的距离；w为离层空间中心与下巷的距离；L为工作面已回采距离；α为煤层倾角；W为工作面倾向长度。

在本发明的至少一个实施例中，还包括：

离层水体靶向探放步骤，用于在下伏隔水层在达到极限破断距离前对离层空间内已形成的离层水体进行靶向探放。

在本发明的至少一个实施例中，当工作面初次来压时，基于下式计算极限破断距离：

式中：A为离层空间下伏隔水层的极限破断距；σ_t为隔水层的抗拉强度；γ为隔水层的容重；M为隔水层的厚度；P为离层水体的水压。

在本发明的至少一个实施例中，当工作面周期来压时，基于下式计算极限破断距离：

式中：A为离层空间下伏隔水层的极限破断距；σ_t为隔水层的抗拉强度；γ为隔水层的容重；M为隔水层的厚度；P为离层水体的水压。

一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，包括以下步骤中的一个或多个：充水含水层疏降步骤、离层空间注浆驱水步骤、离层水体靶向探放步骤；

其中：

充水含水层疏降步骤，用于当离层空间与煤层顶板之间距离H₃大于工作面导水裂缝带发育高度H₄时，施工长距离定向钻孔将离层空间上的充水含水层水位疏降至低于安全水位。

离层空间注浆驱水步骤，用于当离层空间下伏隔水层的实际厚度小于离层空间下伏隔水层破断的临界厚度时：向离层空间注浆和/或对离层空间内的水体进行置换。

离层水体靶向探放步骤，用于在下伏隔水层在达到极限破断距离前对离层空间内已形成的离层水体进行靶向探放。

与现有技术相比，本工作面顶板离层水害的超前防治方法所采用的钻孔均位于井下，与地面钻孔相比，具有节约工程量、资金和施工时间的优点，并且对工作面采高和推进速度无要求，不影响正常的生产接续。

附图说明

图1a-b是离层空间与导水裂缝带相对位置示意图；其中，图1a中H裂≥H离层，图1b中，H裂＜H离层

图2是长距离定向钻孔对离层空间充水含水层疏降水位示意图；

图3a-b是井下束状钻孔对离层空间的注浆示意图；其中，图3a为工作面走向方向，图3b为工作面倾向方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明根据工作面采动条件、覆岩结构、含隔水层水文地质条件等特征，采用疏降含水层水位、注浆加固隔水层以及离层水体探放等措施进行综合防治：

首先，采用长距离定向钻孔对离层空间充水含水层进行疏水降压，一方面可以减少顶板水害对工作面的威胁，另一方面长距离定向钻孔可以实现钻孔轨迹可控和提高疏放水效率；其次，如果对充水含水层的疏水降压未达到预期目的，可以利用井下钻孔对已形成的离层空间进行注浆，在对离层空间下伏隔水层进行加厚的同时，可以对离层空间的水体进行置换；最后，当疏水降压和注浆都未达到预期目的时，对已形成的离层水体采用束状钻孔进行靶向探放，彻底消除工作面顶板离层水害的威胁。

下面对各步骤具体描述。

含水层水位疏降

参见图1和图2，对离层空间充水含水层进行疏水降压：结合工作面覆岩结构工作面采动条件、覆岩结构、含水层水文地质条件，确定离层空间的形成位置，当离层空间1形成位置高于工作面导水裂缝带2发育高度时，利用井下钻孔5对离层空间1的充水含水层进行水位疏降，直至含水层水位满足要求，可以分为两步：

第一步、利用工作面内部或周边的地质勘探钻孔资料，确定工作面覆岩结构，利用公式计算或数值模型确定离层空间1形成位置，得到离层空间1与煤层顶板之间距离H_离层3；采用经验公式、数值模型或现场实测法确定工作面导水裂缝带发育高度H_裂4，当H_裂≥H_离层时，随着工作面回采，所形成的离层空间1会被导水裂缝带2破坏，不会对工作面产生威胁，不需要采取治理措施图1a；当H_裂＜H_离层时，随着工作面回采，所形成的离层空间1不会被导水裂缝带2破坏，在充水后对工作面具有威胁，如图1b；

第二步、当工作面顶板覆岩中离层空间1上覆岩层为含水层10时，此含水层10会对离层空间进行水源补给，成为离层空间1的充水含水层。在井下选取合适的位置施工长距离定向钻孔5对离层空间1的充水含水层10进行疏水降压，将原始水位6疏降至安全水位7，长距离定向钻孔5沿含水层10底部顺层施工，如图2，离层水体的水压8P_实际＜安全水压P_安全时，工作面可以进行回采。

安全水压P_安全计算公式：

P_安全＝T·M

其中T为突水系数，在工作面内部及其周边无断层时取0.1，当工作面内部及其周边有断层时取0.06；M为离层空间下伏隔水层9厚度。

隔水层注浆加固步骤

参见图3，对离层空间进行注浆驱水：当采取含水层水位疏降步骤后，离层空间充水含水层水位7仍然不满足要求时，则需要在工作面回采过程中，对已形成的离层空间1利用井下钻孔11进行注浆，加厚离层空间下伏隔水层9，同时利用浆液的压力对离层空间1内的水体进行置换，可以分为两步：

第一步、在工作面回采过程中，利用公式计算出离层空间下伏隔水层9破断的临界厚度M_临界，当离层空间1下伏隔水层9实际厚度M_实际≤M_临界，隔水层9会在水压8所用下破断，进而导致离层水体溃入工作面发生水害事故，这时需要对离层空间下伏隔水层9进行注浆加厚，同时对离层空间1进行注浆驱水；

离层空间下伏隔水层9临界厚度M_临界计算公式：

其中T为突水系数，在工作面内部及其周边无断层时取0.1，当工作面内部及其周边有断层时取0.06；P为离层空间1所承受的水压8。

第二步、利用公式计算离层空间1中心位置，如图3a-b，先向离层空间1中心位置施工钻孔11，再沿工作面走向和倾向方向距离离层1空间中心10m的位置依次施工钻孔11，共施工5个钻孔。

离层空间1中心位置计算公式：

d＝L/2

w＝33.539(cosα-0.985)W(α≤9°)

w＝0.09W(α＞9°)

式中：d为离层空间中心与上一个垮落步距或切眼的距离13，m；w为离层空间1中心与下巷19的距离15，m；L为工作面已回采距离14，m；α为煤层倾角17，°；W为工作面倾向长度16，m。

井下注浆钻孔11的钻场可以选择在辅运巷20内，设计钻孔11轨迹时避免穿越冒落带12，在穿越导水裂缝带2时可以采取带管钻进。

第三步、对离层空间下伏隔水层进行注浆加厚时，利用疏水降压的长距离定向钻孔配合常规钻孔进行引流注浆，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥作为主要注浆材料，水灰比选择范围为1:0.8～1:1.2，注浆压力为离层空间充水含水层水压的1.2～1.5倍，当M_实际+M_注浆＞M_临界时，可停止注浆。

离层水体探放

由于对顶板含水层10进行疏水降压，一方面可以消除离层水害的隐患，另一方面也可以兼顾顶板水疏放，只有利用长距离定向钻孔5无法将离层空间1充水含水层10的水位降低至安全水位7以下时，方可采用离层空间1注浆或对离层水体靶向探放。当含水层水位疏降后，离层空间1充水含水层水压8仍然高于安全水压，并且离层空间下伏隔水层9厚度M_实际接近M_临界，如果采取注浆，浆液压力会造成离层空间所承受水压高于安全水压，导致隔水层9破断时，则需要利用井下施工的束状钻孔11对已形成的离层水体进行靶向探放，在离层空间1下伏隔水层9破断前对已形成的离层水体进行彻底疏放，可以分为三步：

第一步、当工作面开始回采时，事先固结好束状钻孔11的止水套管，以便对离层水体进行可控探放，止水套管长度根据离层空间1充水含水层10的水位7及钻场高程确定；

第二步、利用公式计算出离层空间1下伏隔水层9的极限破断距，随着工作面的回采，在隔水层9破断前，采用束状钻孔11对离层水体进行靶向探放；

工作面初次来压时，离层空间1下伏隔水层9的极限破断距计算公式：

式中：A为离层空间下伏隔水层9的极限破断距，m；σ_t为隔水层9的抗拉强度，MPa；γ为隔水层9的容重，N/m³；M为隔水层9厚度，m；P为离层水体的水压8，MPa。

工作面周期来压时，离层空间1下伏隔水层9的极限破断距计算公式：

第三步、对束状钻孔11的水量进行观测，如果单孔水量大于30m³/h，则继续施工下一个钻孔，当所有钻孔的单孔水量小于5m³/h，则可以认为离层水体已彻底疏放。

由于工作面顶板离层水害形成机理复杂、控制因素较多、防治难度大，本工作面顶板离层水害的超前防治方法首先利用长距离定向钻孔对离层空间的充水含水层进行水位疏降，将含水层的水位降到安全值以下，并且长距离定向钻孔位于含水层底部，也对含水层中的地下水向离层空间补给起到了截流作用；当含水层富水性和渗透性较强，水位不易疏降时，利用井下常规钻孔对离层空间下伏隔水层注浆加厚，以及对已形成的离层空间进行注浆驱水，同时长距离定向钻孔对含水层继续疏放水，对常规钻孔能够起到引流注浆的作用；当对含水层进行水位疏降和对离层空间进行注浆的效果不佳时，最后可采取束状钻孔对已形成的离层水体进行靶向探放，彻底消除工作面顶板离层水害的威胁。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (6)

1.一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，包括：

充水含水层疏降步骤，用于当离层空间与煤层顶板之间距离H₃大于工作面导水裂缝带发育高度H₄时，施工长距离定向钻孔将离层空间上的充水含水层水位疏降至安全水位；

离层空间注浆驱水步骤，用于当离层空间下伏隔水层的实际厚度小于离层空间下伏隔水层破断的临界厚度时：向离层空间注浆和/或对离层空间内的水体进行置换；

其中，先向离层空间中心位置施工钻孔，再沿工作面走向和倾向方向距离离层空间中心预定距离的位置依次施工若干钻孔，利用所述钻孔向离层空间注浆和/或对离层空间内的水体进行置换；

基于下式计算离层空间中心位置：

d＝L/2

w＝33.539(cosα-0.985)W(α≤9°)

w＝0.09W(α＞9°)

式中：d为离层空间中心与上一个垮落步距或切眼的距离；w为离层空间中心与下巷的距离；L为工作面已回采距离；α为煤层倾角；W为工作面倾向长度。

2.根据权利要求1所述的一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，所述安全水位的水压为安全水压，所述安全水压基于下式确定：

P_安全＝T·M

式中，T为突水系数，M为离层空间下伏隔水层厚度。

3.根据权利要求1所述的一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，基于下式计算离层空间下伏隔水层破断的临界厚度M_临界：

式中，T为突水系数，P为离层空间所承受的水压。

4.根据权利要求1所述的一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，还包括：

离层水体靶向探放步骤，用于在下伏隔水层在达到极限破断距离前对离层空间内已形成的离层水体进行靶向探放。

5.根据权利要求4所述的一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，当工作面初次来压时，基于下式计算极限破断距离：

式中：A为离层空间下伏隔水层的极限破断距；σ_t为隔水层的抗拉强度；γ为隔水层的容重；M为隔水层的厚度；P为离层水体的水压。

6.根据权利要求4所述的一种工作面顶板离层水害的超前防治方法，其特征在于，当工作面周期来压时，基于下式计算极限破断距离：

式中：A为离层空间下伏隔水层的极限破断距；σ_t为隔水层的抗拉强度；γ为隔水层的容重；M为隔水层的厚度；P为离层水体的水压。

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