CN112302715B - 一种松软砂岩含水层疏降方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例一种松软砂岩含水层疏水降压方法,属于煤矿防治水领域,包括:在煤层回采作业前利用疏放水钻孔对目标含水层疏放水,完成一次含水层疏降;煤层回采作业中,控制煤层开采厚度,实现导水裂缝带高度的有限发育。随着工作面推进,在采动应力的影响下,导水裂缝带高度逐渐增大并波及到采空区上方含水层,采空区上方含水层中的水通过所述导水裂缝进入采空区;同时,位于工作面推进方向顶板上方、位于导水裂缝带范围内的含水软砂岩裂缝逐渐发育,与采空区上方的导水裂缝连通,使水通过所述裂缝流入采空区,以实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的超前二次疏降。可以在一定程度上解决松软砂岩含水层下煤炭资源安全开采存在的问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿防治水领域,特别是涉及一种松软砂岩含水层疏降方法。
背景技术
我国多数煤矿面临着顶板水害威胁,但靠近风氧化带区域或者地层赋存年代短的区域,面临着岩性松软、胶结性差,抗压强度低(一般抗压强度<30MPa)的特点。在工作面回采过程中,煤层顶板含水层富水性较强,尤其是具有一定承压水压力作用下,煤层顶板含水砂层具有突水、溃砂的威胁。突水溃砂事故的发生易发生局部冒顶,从而造成压架、甚至工作面停产等问题。突水溃砂含水层以泥质胶结为主,导致含水层之间水力联系相对较差,仅通过钻孔来进行疏放水难度较大。为确保顶板松软含水层下煤炭资源安全开采,需采取相应的技术措施。
目前,基于煤层采高、工作面开采尺寸、覆岩结构类型等,确定覆岩破坏高度;结合顶板含水层富水性探查结果,确定含水层富水异常区;在明确含水层具有疏放水可行性的前提下,施工井下疏放水钻孔或者地面水平定向钻孔,实现顶板含水层疏降,降低顶板含水层压力和富水性。
但是,上述仅通过钻孔疏放水方案至少存在如下技术问题:顶板松软砂层含水层在疏降过程中,一般无法疏干(这里“干”指的是不滴水状态)含水层,主要是位于导水裂缝带范围内的含水层,工作面回采过程中,仍存在突水与溃砂的风险。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种基于采动裂隙和钻孔双途径进行松软砂岩含水层疏降的方法,可以在一定程度上解决松软砂岩含水层下煤炭资源安全开采存在的问题。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种松软砂岩含水层疏降方法,包括步骤:
S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取得顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔;
S20、在煤层回采作业前利用所述疏放水钻孔对位于垮落带和导水裂缝带内的目标含水层进行疏放水,完成一次含水层疏降;
S30、导水裂缝带水压降低至预定水压时,开始进行煤层回采作业;
S40、控制煤层开采厚度,随着工作面推进,在采动应力的影响下,导水裂缝带高度逐渐增大,并波及到采空区上方含水层,采空区上方含水层中的水通过所述导水裂缝进入采空区;
同时,位于工作面推进方向顶板上方、位于导水裂缝带范围内的含水软砂岩裂缝逐渐发育,与采空区上方的导水裂缝连通,使水通过所述裂缝流入采空区,以实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的二次疏降。
可选地,所述步骤S40还包括:
S41、随着工作面前方顶板上方的软砂岩含水层疏降程度不断增加,使顶板含水层富水性大幅降低;
S42、逐步提高煤层开采厚度,以进一步波及顶板上方覆岩中的含水层,以逐渐增加从含水层疏放的水量。
可选地,在步骤S42之后,还包括步骤:S43、随着工作面继续推进,采空区内的上覆岩层逐渐垮落、压实,采动应力形成的导水裂缝逐渐闭合。
可选地,所述步骤S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取得顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔包括步骤:
S11、在工作面回采巷道内的顶板上方朝工作面推进方向布置仰上疏放水钻孔;
S12、在所述疏放水钻孔孔口插入两端敞口的套管,在所述套管的外端安装法兰盘,并设置闸门;
S13、待孔口管完全固定及闸门安装好后,继续仰上钻进穿过覆岩含水层;
S14、待钻进至顶板松软砂岩含水层后,放入筛管,确保钻孔不出现塌孔;
S15、重复步骤S11~S14,以38~42m的间距,周向间隔钻孔。
可选地,在步骤S15之后,所述步骤S10还包括:根据每个钻孔出水情况,确定施工中间钻孔的孔斜和孔数。
可选地,步骤S20中,一次含水疏降的要求为:垮落带超前工作面50~100m内疏干;在工作面回采日前两个月内将导水裂缝带内含水层疏降至不带压状态。
本发明实施例提供的松软砂岩含水层疏降方法,基于钻孔与采动裂缝双途径结合疏降,在通过钻孔方式完成一次含水层疏降之后,利用回采过程中的采动应力的影响,使采空区及工作面前顶板上方的导水裂缝发育变大,使采空区与工作面上方的导水裂缝联通,使含水层中附存的水沿着导水裂缝排出流入采空区,实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的二次疏降,可以改善松软砂岩含水层疏水降压效果,从而在一定程度上能够解决松软砂岩下煤炭资源安全开采存在的突水与溃砂风险的问题。进而为具有松软砂岩地质特点的含水层矿区开采提供理论借鉴依据。
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,下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1为本发明一实施例松软砂岩含水层疏水降压方法流程示意图;
图2为图1中覆岩破坏高度(包括导水裂缝带高度与垮落带高度)随着采厚逐渐增加示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的松软砂岩含水层疏水降压方法,针对于具有松软砂岩含水层的矿区的开采防治水难题提出的,可以改善该类松软砂岩含水层疏水降压效果,提高回采安全性,为其它相近地质特点的矿区开采防治水提供理论参考及指导依据。其中,松软砂岩指的是岩性松软、胶结性差,抗压强度一般<30MPa砂质粘土、砾石及黄土等,其坚固系数f一般为0.6~1。
参看图1及图2所示,本发明实施例提供的松软砂岩含水层疏水降压的方法,包括步骤:
S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取得顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔。
其中,在一些实施例中,步骤S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取得顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔包括步骤:
S11、在工作面回采巷道内的顶板上方朝工作面推进方向布置仰上疏放水钻孔;
仰上可以使垂直向上,也可以是斜向上。仰上疏放水钻孔的孔径为108mm或89mm。
S12、在所述疏放水钻孔孔口插入两端敞口的套管;
所述套管的外径与所述钻孔孔径匹配。套管长度可以通过计算加以确定,根据一般经验,可按照每10m岩柱承受1MPa的含水层水头压力来设计套管长度。
在所述套管的外端安装法兰盘,并设置闸门;
在一些实施例中,为了防止因套管活动而丧失止水效果,在巷道内架设钢棚或木垛等,并通过孔口法兰盘来对套管加以固定,原则上应保证孔口套管不因水压等作用而松动。
S13、待孔口管完全固定及闸门安装好后,继续仰上钻进穿过覆岩含水层;
S14、待钻进至顶板松软砂岩含水层后,放入筛管,确保钻孔不出现塌孔;
S15、重复步骤S11~S14,以38~42m的间距,例如为40m,周向间隔钻孔。
一些实施例中,在步骤S15之后,所述步骤S10还包括:根据每个钻孔出水情况,确定施工中间钻孔的孔斜和孔数,以保证匹配出水情况设置相应倾斜角及数量的钻孔,提高疏水效果。
S20、在煤层回采作业前利用所述疏放水钻孔对位于垮落带和导水裂缝带内的目标含水层进行疏放水,完成一次含水层疏降。
步骤S20中,作为一可选实施例,一次含水疏降的要求为:垮落带超前工作面50~100m内疏干;在工作面回采日前两个月内将导水裂缝带内含水层疏降至不带压状态。
可以理解的是,受含水层渗透性能、泥质胶结等因素的影响,仅通过钻孔疏降,很难一次性将水疏干(这里的“干”指的是不滴水状态),部分存在于松软砂层中的水仍具有一定的承压水压力,在水压驱动下易流动,从而增加突水溃砂危险。因此,尽管疏降后满足工作面回采条件,可以开始煤炭资源回采,但是在回采过程中,仍然存在突水与溃砂的风险。
本发明实施例中,在进行一次疏水之后,还需要借助于回采过程中采动裂隙进行二次疏降,以在一定程度上保证回采的安全性。具体方案为步骤:
S30、导水裂缝带水压降低至预定水压时,开始进行煤层回采作业;
S40、控制煤层开采厚度,随着工作面推进,在采动应力的影响下,导水裂缝带高度逐渐增大,并波及到采空区上方含水层,采空区上方含水层中的水通过所述导水裂缝进入采空区;
同时,位于工作面推进方向顶板上方、位于导水裂缝带范围内的含水软砂岩裂缝逐渐发育,与采空区上方的导水裂缝连通,使水通过所述裂缝流入采空区,以实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的二次疏降。
本实施例中,利用回采过程中采动应力,使采空区上方覆岩中的导水裂缝逐渐发育长大,并与工作面上方的导水裂缝连通,利用导水裂缝使水排出流入采空区,实现二次疏降,可以降低回采过程中的突水与溃砂风险。
另外,本实施例中,通过控制煤层开采厚度,使裂缝逐渐发育长大,以逐渐地增大水流路径,使疏水量由小到大逐渐疏降,可以避免含水层中的水一次性大量涌出,引发溃砂事故。
所述步骤S40还包括:
S41、随着工作面前方顶板上方的软砂岩含水层疏降程度不断增加,使顶板含水层富水性大幅降低;
S42、逐步提高煤层开采厚度,以进一步波及顶板上方覆岩中的含水层,如图2中数字2、3标识的拱形曲线,以逐渐增加从含水层疏放的水量。
本实施例中,通过一部分一部分逐渐地增大含水层疏放水量,使含水层中的富水性大幅度降低之后,再逐步提高煤层开采厚度,使裂缝逐渐发育长大,以逐渐地增大水流路径,使疏水量由小到大逐渐疏降,可以避免含水层中的水一次性大量涌出,引发溃砂事故。
本实施例中,当煤层顶板含水层富水性满足全厚开采要求时,开采全部煤层,其覆岩破坏高度不再增加,如图2中数字3’标识的拱形曲线。
一些实施例中,在步骤S42之后,还包括步骤:S43、随着工作面继续推进,采空区内的上覆岩层逐渐垮落、压实,采动应力形成的导水裂缝逐渐闭合。从而使得采空区部分砂岩含水层不再通过裂缝涌入采空区,实现了控制采空区涌水量不断增大的目的。
本发明实施例提供的松软砂岩含水层疏水降压方法,通过步骤S10~S40,基于钻孔与采动裂缝双途径结合疏降,在通过钻孔方式完成一次含水层疏降之后,利用回采过程中的采动应力的影响,使采空区及工作面前顶板上方的导水裂缝发育变大,使采空区与工作面上方的导水裂缝联通,使含水层中附存的水沿着导水裂缝排出流入采空区,实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的二次疏降,可以改善松软砂岩含水层疏水降压效果,从而在一定程度上能够解决松软砂岩下煤炭资源安全开采存在的突水与溃砂风险的问题。进而为具有松软砂岩地质特点的含水层矿区开采提供理论借鉴依据。
需要说明的是,本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。另外,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系排要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确排出的其它要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个......”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种松软砂岩含水层疏水降压的方法,其特征在于,包括步骤:
S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取的顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔;
S20、在煤层回采作业前利用所述疏放水钻孔对位于垮落带和导水裂缝带内的目标含水层进行疏放水,完成一次含水层疏降;
S30、导水裂缝带水压降低至预定水压时,开始进行煤层回采作业;
S40、控制煤层开采厚度,实现导水裂缝带高度的有限发育,随着工作面推进,在采动应力的影响下,导水裂缝带高度逐渐增大,并波及到采空区上方含水层,采空区上方含水层中的水通过所述导水裂缝进入采空区;
同时,位于工作面推进方向顶板上方、位于导水裂缝带范围内的含水软砂岩裂缝逐渐发育,与采空区与工作面上方的导水裂缝连通,使水通过所述裂缝流入采空区,以实现工作面前方顶板上方的软砂岩含水层的二次超前疏降;
所述步骤S10、在工作面回采巷道掘进完成后、工作面回采前,基于获取的顶板上方各含水层富水性信息,施工相应的疏放水钻孔包括步骤:
S11、在工作面回采巷道内的顶板上方朝工作面推进方向布置仰上疏放水钻孔;
S12、在所述疏放水钻孔孔口插入两端敞口的套管,在所述套管的外端安装法兰盘,并设置闸门;其中,按照每10m岩柱承受1MPa的含水层水头压力来设计套管长度;
S13、待孔口管完全固定及闸门安装好后,继续仰上钻进穿过覆岩含水层;
S14、待钻进至顶板松软砂岩含水层后,放入筛管,确保钻孔不出现塌孔;
S15、重复步骤S11~S14,以38~42m的间距,周向间隔钻孔;
步骤S20中,一次含水疏降的要求为:垮落带超前工作面50~100m内疏干;在工作面回采日前两个月内将导水裂缝带内含水层疏降至不带压状态;
所述步骤S40还包括:
S41、随着工作面前方顶板上方的软砂岩含水层疏降程度不断增加,使顶板含水层富水性大幅降低;
S42、逐步提高煤层开采厚度,以进一步波及顶板上方覆岩中的含水层,以逐渐增加从含水层疏放的水量;
在步骤S42之后,还包括步骤:S43、随着工作面继续推进,采空区内的上覆岩层逐渐垮落、压实,采动应力形成的导水裂缝逐渐闭合;
在步骤S15之后,所述步骤S10还包括:根据每个钻孔出水情况,确定施工中间钻孔的孔斜和孔数。
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