CN111287747A - 承压水体上控水采煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭开采技术领域，涉及承压水体上控水采煤方法，包括：对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查；基于探查结果，构建承压水体上采煤的三维水文地质模型；在构建的模型中圈定底板突水弱面区；根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分；根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计；对待治理区域进行工程化治理。本发明能够解决现有技术水害防控不精准、效率低的问题，实现体系化、信息化、高效安全的水害防控目标，保障承压水体上开采的安全。提供了在承压水上精准探查、建模、评价、设计、开采的全过程，能够对底板矿压显现、承压含水层水情进行全过程精准监测。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，特别是涉及一种承压水体上控水采煤方法。
背景技术
赋存和运动于煤层底板岩溶地层空间中的具有承压性质的水体叫做煤层底板岩溶承压水。它是以岩溶、裂隙和裂隙-岩溶三种方式存在的承压状态的水体，其特点是垂直分带性和水平不均一性。我国北方地区常见的有奥陶纪灰岩和石炭二叠纪薄层灰岩，南方煤层底板则发育茅口灰岩。对分布于承压含水体(层)之上，且开采水平在带压水位线以下的煤层的开采称之为承压水体上采煤。煤层底板的承压水在水压、矿压等因素的作用下，克服煤层和岩溶含水层之间相对隔水层的岩体强度及断层、节理等结构面的阻力，通过在底板岩体内形成的破坏面构成的导水通道，以突然的方式涌入工作面或巷道的现象叫底板涌(突)水。
我国原煤产量位居世界第一，煤炭占一次能源生产和消费结构中的66％左右，煤炭的安全生产对我国国民经济的健康有序发展极其重要。但是，我国煤矿水文地质条件整体上讲是十分复杂的，而且95％的煤矿属井工开采，开采历史悠久，水害类型多样，这些因素都给水害防治工作增加了很大的难度。最近二十年，煤炭工业发展迅猛，特别是综采、综放开采方法的普及，煤炭资源大规模、超强度、大采深开发，加剧了煤矿底板水害问题的复杂性。
开采实践表明，岩溶承压水率先从底板“弱面”开始突破，从而形成每分钟几方至上千方的涌水。这些“弱面”既可以是超薄的相对隔水层，也可以是断层、隐伏陷落柱等。我国煤矿底板岩溶水的突水频率日趋上升，突水水量日趋增大，造成的损失也日趋严重。因此，为适应煤炭生产的迅速发展，加强煤矿底板岩溶水的研究，具有十分重要的现实与深远意义。
然而，在目前现有的技术中通常会表现出下列缺点：
1)现有的“控水采煤”一般针对控制顶板涌水而言，顶板水控制的核心在于控制煤层采后形成的“导水裂缝带”高度。
2)目前，承压水体上开采底板水害的控制主要是采取几类措施：
勘探方面：进行常规地质和水文地质勘探，查明基本的水文地质条件。
水文方面：采取疏水降压、注浆加固煤层隔水层或改造含水层等措施；
开采设计方面：采取缩小工作面长度、充填开采等措施。
监测方面：粗略布置底板水的水文监测系统。
以上几个方面，往往是独立的，各自为战，没有统一成有机的整体，并非系统性的。
3)没有采用“精准开采”的科学思维，没有采用数字化水文地质体建模技术，没有实现对承压水体上采煤水量的精准控制。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的实施例提供了承压水体上控水采煤方法，以至少实现解决目前现有技术水害防控不精准、效率低的问题，实现了体系化、信息化、高效安全的水害防控目标，保障了承压水体上开采的安全。
根据本发明的实施例，提供了一种承压水体上控水采煤方法，包括：对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查；基于探查结果，构建承压水体上采煤的三维水文地质模型；在构建的模型中圈定底板突水弱面区；根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分；根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计；对待治理区域进行工程化治理。
根据本发明的实施例，承压水体上控水采煤方法还包括：在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息。
根据本发明的实施例，所述对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查的步骤，具体包括：组合执行钻探、物探和水文地质化学探查操作。
根据本发明的实施例，所述在构建的模型中圈定底板突水弱面区的步骤，具体包括：在构建的模型中圈定煤层底板隔水层弱面区域和地质构造弱面区域。
根据本发明的实施例，所述根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分的步骤，具体包括：根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分，以划分出风险必治区、风险可控区、带压安全区以及无压安全区。
根据本发明的实施例，所述对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：根据底板突水危险性等级划分，对划分出的风险必治区进行工程化治理，以使所述风险必治区转变为带压安全区。
根据本发明的实施例，所述对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：根据底板突水危险性等级划分，对待治理区域进行煤层底板工程化注浆增厚操作。
根据本发明的实施例，所述根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计的步骤，具体包括：根据探查结果和底板突水危险性等级划分结果，避开地质构造和突水弱面区，并根据底板突水弱面区分布特征设计采区和工作面，以得出符合矿压控制的采煤方式和顶板控制方式。
根据本发明的实施例，所述在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息的步骤，具体包括：在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行卸压操作；利用矿压实时监测系统及微震监测系统实时监测承压水体上采煤矿压和微震事件。
根据本发明的实施例，所述在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息的步骤，具体包括：通过底板承压含水层水文动态实时监测系统对承压含水层的水文信息进行监测。
在本发明实施例提供的承压水体上控水采煤方法中，包括下列步骤：对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查；基于探查结果，构建承压水体上采煤的三维水文地质模型；在构建的模型中圈定底板突水弱面区；根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分；根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计；对待治理区域进行工程化治理。也就是说，本发明提供了在承压水上精准探查、建模、评价、设计、开采的全过程，能够对底板矿压显现、承压含水层水情进行全过程精准监测。因此，本发明实施例提出了一种承压水体上精准控水体系化的安全采煤方案，即一体化的承压水体上采煤方案。从而使得本发明能够解决目前现有技术水害防控不精准、效率低的问题，实现了体系化、信息化、高效安全的水害防控目标，保障了承压水体上开采的安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明承压水体上控水采煤方法一个实施例的示意性流程图。
附图标记：
100：承压水体上控水采煤方法；S101～S107：各步骤。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
现参照图1，对本发明提供的承压水体上精准控水采煤方法的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别的限定。
根据本发明的实施例，提供了一种承压水体上精准控水采煤方法100。具体地，该承压水体上精准控水采煤方法100可以包括以下步骤：
S101：对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行精准探查。
S102：基于探查结果，构建高精度的承压水体上采煤的三维水文地质模型。
S103：在构建的模型中圈定底板突水弱面区。
S104：根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分。
S105：根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计；
S106：对待治理区域进行工程化治理。
进一步地，该承压水体上控水采煤方法100还可包括以下步骤：
S107：在进行工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息。
根据以上描述可知，本发明实施例提出了一种承压水体上精准控水体系化的安全采煤方案，即一体化的承压水体上采煤方案。从而使得本发明能够解决目前现有技术水害防控不精准、效率低的问题，实现了体系化、信息化、高效安全的水害防控目标，保障了承压水体上开采的安全。也就是说，本发明提供了在承压水上精准探查、建模、评价、设计、开采的全过程，能够对底板矿压显现、承压含水层水情进行全过程精准监测。
在一个实施例中，如上所述的对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查的步骤，可以具体包括：组合执行钻探、物探和水文地质化学探查操作。具体地，在实际操作过程中，可以组合执行钻探、物探和水文地质化学探查等多种探查方法。
进一步地，在一个实施例中，如上所述的在构建的模型中圈定底板突水弱面区的步骤，可以具体包括：在构建的模型中圈定煤层底板隔水层弱面区域和地质构造弱面区域。
此外，在一个实施例中，根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分的步骤，可以具体包括：根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分，以划分出风险必治区、风险可控区、带压安全区以及无压安全区。在该实施例中，对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：根据底板突水危险性等级划分，对划分出的风险必治区进行工程化治理，以使风险必治区转变为带压安全区。
在本发明的一个实施例中，对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：根据底板突水危险性等级划分，对待治理区域进行煤层底板工程化注浆增厚操作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计的步骤，具体包括：根据探查结果和底板突水危险性等级划分结果，避开地质构造和突水弱面区，并根据底板突水弱面区分布特征设计采区和工作面，以得出符合矿压控制的采煤方式和顶板控制方式。
此外，在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息的步骤，具体包括：在进行工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行卸压操作。
另外，该步骤还可以具体包括：利用矿压实时监测系统及微震监测系统实时监测承压水体上采煤矿压和微震事件；以及通过底板承压含水层水文动态实时监测系统对承压含水层的水文信息进行监测。
以下结合本发明的实施例，对如上所述的方法以及相关的各个步骤进行描述。应当理解的是，以上和以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
在本发明实施例提供的方法中，首先进行承压水体上采煤地质与水文地质条件精细探查。该步骤的目的是获取精准的地层层位划分、含隔水层划分、地层起伏、地质构造产状参数、水文地质参数等，精细探查程度要满足承压水体上开采精度的要求。具体地，钻探钻孔密度应满足250×250m网格密度；波型和电磁法两大类物探应探明构造产状信息和富水区信息，物探数据是全空间数据组成的物性三维体；水文地质化学探查应明确煤层底板各主要承压含水层水化学类型、特征组分等判别标志物。
接下来，执行精准承压水体上采煤三维水文地质模型构建的步骤。具体地，根据上一步精细探查结果，利用计算机建模技术、水文地质模型构建软件等，建立虚拟现实的承压水体上采煤的三维水文地质模型。该模型是将现实采场数字化，并可实现模拟煤层采动与底板承压含水层的水文动态变化，模拟现实时间域条件下，地质体的水文动态变化。该模型建立后，可实现地质体的任意切割、地质与水文地质参数改变后的虚拟现实功能。
然后，执行底板突水弱面区精准圈定的步骤。具体来说，在水文地质模型建立后，从地质模型中精准圈定煤层底板隔水层弱面区域和地质构造弱面区域，作为矿井水文地质工作标明重点工作靶区。底板突水弱面区是矿井疏放水、底板注浆治理的重点区域，弱面区突水风险消除后，将大大提高承压水体上采煤的安全性。
接着，进行煤层底板承压水突出危险性精准评价的操作。此时，根据精细探查、三维地质模型、弱面区分布特征等，利用底板突水评价方法，进行分区域的底板突水危险性等级的精准划分，依据突水危险性可划分为“风险必治区”、“风险可控区”、“带压安全区”、“无压安全区”，这四个等级突水危险性依次降低。精准评估的标准需精准至工作面尺度，以工作面推进方向100m为单位，精准评估、施策。
接下来，进行根据底板突水危险性等级划分结果，对矿井采区、工作面进行避害设计的操作。此处应当理解的是，所谓“避害设计”是指根据精准探查和危险性精准分区评价的结果，避开地质构造和突水弱面区，根据其分布特征设计采区和工作面，并建议采用有利于矿压控制的采煤方法、顶板控制方法。例如，分层开采、条带开采或充填开采等。
然后，进行煤层底板工程化注浆增厚的步骤。具体地，根据评估结果，对“风险必治区”进行工程化治理。最常见的是底板隔水层注浆加固和含水层的改造，从而增大煤层与承压含水层间的厚度，变“风险必治区”为“带压安全区”。这里的注浆工程通过计算机智能控制系统，实现注浆层位的自动追踪，注浆量的自动控制，实现精准注浆。工程化精准注浆主要通过水平定向钻孔追层、智能化注浆系统实现。
以上所述是本发明承压水体上控水采煤方法在开采前所执行的监控防治操作。接下来，在采煤开采过程中，可以执行煤层顶底板矿山压力的精准控制以及承压水体上采煤矿压与水文信息的精准监测的操作。
具体而言，对于煤层顶底板矿山压力的精准控制操作而言，该步骤主要应用于承压水体上工作面的煤炭开采过程中。矿山压力对底板的破坏是通过顶板传导至煤层底板，强大的矿山压力大于底板岩层的力学强度时，底板岩层将受到破坏。承压水体上采煤矿压控制的核心在于切断顶板应力向底板传递的途径。精准控制的依据在于工作面的初次来压步距、周期来压步距，根据来压特征在特定周期区域实施精准的卸压工程(如水力压裂卸压等)，从而切断矿山压力传递通道，实现对顶板压力的精准控制。
而对于承压水体上采煤矿压与水文信息的精准监测操作而言，则是利用矿压实时监测系统、微震监测系统等实现全空间(特别是煤层底板)的矿压精准监测并及时分析其对底板含隔水层的影响；同时，通过底板承压含水层水文动态实时监测系统对承压含水层进行精准监测，对含水层异动进行实时主动控制并作出及时的应对，保障承压水体上采煤的安全性。
综上所述，通过以上各个步骤，可实现承压水体上采煤的精准控水安全开采。
因此，依据本发明所提出的承压水体上控水采煤方法，可以实现如下所述的各种有益效果：
1、本发明所提出的方法包含了“精细探查-数字化建模-突水弱面区地质模型精准圈定-承压水体上开采危险性分区精准评价-采掘工程避害设计-煤层底板隔水层有效增厚-工作面顶底板矿山压力精准控制-采动裂隙与含水体异动的精准监控”八位一体的承压水体上开采的精准控水体系。
2、该方法实现了全空间多手段对承压水体上采煤的地质与水文地质的精细探查，明确其精度和全空间数据的信息化。
3、此外，该方法是集煤炭采前探查、评价、采中矿压精准控制以及全过程、全空间精准监测的系统性水上采煤方法。
4、而且，该方法提出“薄隔水层弱面区”和“构造弱面区”两种类型弱面区，并针对弱面区实现数字化地质建模并明确给予标定，为注浆治理圈定靶区。
5、进一步，由于本发明采用了“避害设计”操作，因此能够根据精准探查和危险性精准分区评价的结果，有效地避开地质构造和突水弱面区，根据其分布特征设计采区和工作面，并建议采用有利于矿压控制的采煤方法、顶板控制方法。
6、并且，该方法对突水危险性的评价精确至100m，针对弱面区实现智能化精准注浆。
7、另外，实现了承压水体上采煤的监测实现对矿压的精准全空间监测，依据工作面来压步距进行精准卸压，并对含水层实施精准实时监测，具备“全空间”、“实时”的特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种承压水体上控水采煤方法，其特征在于，包括：
对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查；
基于探查结果，构建承压水体上采煤的三维水文地质模型；
在构建的模型中圈定底板突水弱面区；
根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分；
根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计；
对待治理区域进行工程化治理。
2.根据权利要求1所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，还包括：
在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息。
3.根据权利要求1或2所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述对承压水体上采煤地质条件与水文地质条件进行探查的步骤，具体包括：
组合执行钻探、物探和水文地质化学探查操作。
4.根据权利要求1或2所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述在构建的模型中圈定底板突水弱面区的步骤，具体包括：
在构建的模型中圈定煤层底板隔水层弱面区域和地质构造弱面区域。
5.根据权利要求1或2所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分的步骤，具体包括：
根据探查结果、构建的模型以及底板突水弱面区分布特征，进行底板突水危险性等级划分，以划分出风险必治区、风险可控区、带压安全区以及无压安全区。
6.根据权利要求5所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：
根据底板突水危险性等级划分，对划分出的风险必治区进行工程化治理，以使所述风险必治区转变为带压安全区。
7.根据权利要求1所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述对待治理区域进行工程化治理的步骤，具体包括：
根据底板突水危险性等级划分，对待治理区域进行煤层底板工程化注浆增厚操作。
8.根据权利要求1或2所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述根据底板突水危险性等级划分，对矿井采区和工作面进行避害设计的步骤，具体包括：
根据探查结果和底板突水危险性等级划分结果，避开地质构造和突水弱面区，并根据底板突水弱面区分布特征设计采区和工作面，以得出符合矿压控制的采煤方式和顶板控制方式。
9.根据权利要求2所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息的步骤，具体包括：
在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行卸压操作；
利用矿压实时监测系统及微震监测系统实时监测承压水体上采煤矿压和微震事件。
10.根据权利要求9所述的承压水体上控水采煤方法，其特征在于，所述在进行所述工程化治理之后且在开采过程中，对煤层顶底板矿山压力进行实时主动控制，并实时监测承压水体上采煤矿压和水文信息的步骤，具体包括：
通过底板承压含水层水文动态实时监测系统对承压含水层的水文信息进行监测。
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