CN112302718A - 煤层顶板含水层水资源保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤层顶板含水层水资源保护方法，其包括如下步骤：步骤1：确定煤层与主含水层的位置关系；步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体，先确定盘区保护煤岩柱，在巷道掘进过程中提前留设盘区保护煤岩柱，再在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体；步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法，对封闭墙体设置高压注水系统，向盘区内注水，通过向采空区内注入矿井水，以及主充水含水层地下水的下渗，实现对顶板含水层水资源的保护；由此，本发明能够满足盘区采空区与顶板主充水含水层构成一个统一含水体，使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现对煤层顶板含水层水资源的保护。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质、岩石力学和地下水动力学综合应用的技术领域，尤其涉及一种煤层顶板含水层水资源保护方法。
背景技术
西部是我国煤炭主产区，同时也是水资源极度缺乏地区，煤炭开采过程中排放大量矿井水，造成了地下水资源的巨大浪费。但是为了保障我国能源供应，必须开采煤炭资源，而为了保证煤炭资源开采的安全，又必须排放矿井水。保证煤炭开采安全和保护地下水资源就成为两个互相矛盾的方面。因此，非常有必要形成一种既能保证煤炭资源安全开采，又减少顶板含水层地下水漏失，实现对顶板含水层水资源保护的方法。但是鉴于研究区地层结构、煤层与顶板主充水含水层关系、水资源保护方法的局限性，往往又难以建立一种切实可行的煤层顶板含水层水资源保护方法。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤层顶板含水层水资源保护方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层顶板含水层水资源保护方法，i能去克服现有技术的缺陷，有效解决了难以切实可行的保护煤层顶板含水层水资源的问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：确定煤层与主充水含水层的位置关系，对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定对顶板主充水含水层破坏最大、地下水漏失最严重的盘区；
步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体，先确定盘区保护煤岩柱，在巷道掘进过程中提前留设盘区保护煤岩柱，再在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体；
步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法，对封闭墙体设置高压注水系统，向盘区内注水，通过向采空区内注入矿井水，以及主充水含水层地下水的下渗，实现对顶板含水层水资源的保护。
其中：步骤2中包含如下子步骤：
步骤2.1：依据《煤矿防治水细则》(2018)附录六中关于含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设计算公式(6-3)，利用煤层厚度、主充水含水层水位、煤岩的抗拉强度得到盘区保护煤岩柱，保护煤岩柱宽度必须>40m；
步骤2.2：在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体，根据巷道断面尺寸，每边增加1.0m，封堵墙体的断面高4m、宽6m；墙体用混凝土充填，混凝土强度为C42.5，封堵墙体施工5天后达到承载要求，混凝土中加入水泥重量3％的氯化钙；封堵墙体与煤岩体之间的灌浆锚杆采用Ф18钢筋，孔径60mm，间距1.5m，顶部锚杆长度2.3m，进入围岩不少于1.5m；混凝土的封堵墙体形成后，对封堵墙体进行壁后注浆，注浆最终压力为水压的1.5倍，注浆材料为水泥浆，水灰比为1：1，最终墙体承受压力>20MPa。
其中：高压注水系统的注水管为碳钢防腐材质、直径DN250。
其中：在封闭墙体两侧的碳素钢管路上加装钢质挡板，挡板为正方形，面积0.6m×0.6m。
其中：在内部的注水管外侧安装钢板倒刺，每排4个，共3排，排与排之间的钢板不在一条直线上，每个钢板外沿与管道呈30°夹角，以防止采空区内部高水压环境，将注水管挤出。
其中：封堵墙体内部包括采空垮落充填区、上覆裂隙区以及主充水含水层孔隙裂隙区，这三个区域之间存在水力联系。
其中：在步骤1中，确定煤层和顶板主充水含水层均为缓倾角地层，倾角<5°，且地层厚度相对稳定。
其中：在步骤2中，盘区采空区周围的保护煤岩柱厚度应大于40m，封堵墙体应承受压力大于20MPa。
其中：在巷道掘进过程中根据公式(1)提前留设盘区保护煤岩柱；
式中L—煤柱留设的宽度，m；K—安全系数，一般取2～5；M—煤层厚度或者采高，m；p—实际水头值，MPa；Kp—煤的抗拉强度，MPa。
通过上述内容可知，本发明的煤层顶板含水层水资源保护方法具有如下效果：
1、建立了矿区煤层与主充水含水层位置关系，确定出对顶板主充水含水层破坏最大和地下水漏失量最严重的盘区。
2、建设了盘区煤岩柱、封堵墙体和覆岩地层共同构成一个整体的盘区耐高水压封闭体，能够满足盘区采空区与顶板主充水含水层构成一个统一含水体。
3、通过向盘区内高压注水，大大减小主充水含水层地下水的漏失，使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现对煤层顶板含水层水资源的保护。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的煤层顶板含水层水资源保护方法的示意图。
图2显示了本发明中盘区及覆岩破坏区域形成封堵墙体的俯视图。
附图说明：
11—主充水含水层顶板隔水层；12—煤层与主充水含水层之间隔水层；13—煤层底板隔水层；21—主充水含水层；22—次充水含水层；23—盘区采空区及覆岩破坏区域；31—煤层；41—高压注水系统；51—盘区周围封堵墙体。
具体实施方式
参见图1和2，显示了本发明的煤层顶板含水层水资源保护方法。，其需要解决的技术难题包括：对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定导水裂缝带发育高度，进而确定对顶板主充水含水层破坏最大和地下水漏失最严重的盘区；盘区煤岩柱、封堵墙体和覆岩地层共同构成一个整体的盘区耐高水压封闭体，须满足长期稳定运行过程中高水压要求；向盘区内高压注水，大大减小主充水含水层地下水的漏失，使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现对煤层顶板含水层水资源的保护。
本发明具体公开了一种煤层顶板含水层水资源保护方法，该方法通过构建盘区采空区及覆岩破坏区封闭体，将盘区与顶板含水层构成一个统一含水体，实现对顶板含水层水资源的保护，煤层开采过程中，在盘区采空区及覆岩破坏区域23发育的导水裂缝带，可沟通主充水含水层21，导致主充水含水层地下水大量进入采空区；在盘区采空区及覆岩破坏区域23周围建设盘区周围封堵墙体51，可将主充水含水层来水封存于盘区采空区及覆岩破坏区域23，并可以将其他来源矿井水通过高压注水系统41注入盘区采空区及覆岩破坏区域23；盘区采空区及覆岩破坏区域23内水位逐渐上升，最终与主充水含水层21相连，形成一个新的含水体，可有效阻止主充水含水层21地下水的流失。具体而言，该煤层顶板含水层水资源保护方法包括如下步骤：
步骤1：确定煤层与主充水含水层的位置关系。
对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定对顶板主充水含水层破坏最大、地下水漏失最严重的盘区，如图1所示，煤层31的下端为煤层底板隔水层13，主充水含水层21和次充水含水层22位于煤层31的上方，顶端为主充水含水层顶板隔水层11，煤层31和主充水含水层21之间具有煤层与主充水含水层之间隔水层12。
步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体。
具体而言可包含如下子步骤：
步骤2.1：依据《煤矿防治水细则》(2018)附录六中关于含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设计算公式(6-3)，利用煤层厚度、主充水含水层水位、煤岩的抗拉强度等参数，计算得到盘区保护煤岩柱(同时，保护煤岩柱宽度必须>40m)，在巷道掘进过程中可根据公式(1)提前留设盘区保护煤岩柱；
式中L—煤柱留设的宽度，m；K—安全系数，一般取2～5；M—煤层厚度或者采高，m；p—实际水头值，MPa；Kp—煤的抗拉强度，MPa。
计算结果如果L>40m，则采用公式(1)的计算结果；如果<40m，则取L＝40m。
步骤2.2：在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体51，根据巷道断面尺寸，每边增加1.0m，封堵墙体的断面高4m、宽6m；墙体用混凝土充填，混凝土强度为C42.5，封堵墙体施工5天后达到承载要求，混凝土中加入水泥重量3％的氯化钙；封堵墙体与煤岩体之间的灌浆锚杆采用Ф18钢筋，孔径60mm，间距1.5m，顶部锚杆长度2.3m，进入围岩不少于1.5m；混凝土的封堵墙体形成后，对封堵墙体进行壁后注浆，注浆最终压力为水压的1.5倍，注浆材料为水泥浆，水灰比为1：1，最终墙体承受压力>20MPa。
由此，利用上述步骤2.1和步骤2.2中提前留设的盘区保护煤岩柱、巷道封堵墙体，结合采空区和覆岩裂隙区的侧向地层完整段，共同构成一个整体的耐高水压封堵墙体，将盘区采空区及顶板覆岩破坏区域23(这个区域和之前的破坏最大、地下水漏失最严重的盘区，什么关系)封闭起来。
步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法；
对该盘区的封闭墙体设置高压注水系统41，向盘区内注水，注水管为碳钢防腐材质、直径DN250，为了保证该注水口封闭安全，首先，在封闭墙体两侧的碳素钢管路上加装钢质挡板，挡板为正方形，面积0.6m×0.6m；其次，在墙体内部的注水管外侧安装钢板倒刺，每排4个，共3排，排与排之间的钢板不在一条直线上，每个钢板外沿与管道呈30°夹角，以防止采空区内部高水压环境，将注水管挤出。
煤层开采后，在盘区采空区及覆岩破坏区域23范围内形成了垮落带、裂隙带，将顶板垮落带范围内称为采空垮落充填区，将垮落带顶部至主充水含水层底部之间的裂隙发育区称为上覆裂隙区，将主充水含水层裂隙发育区称为主充水含水层孔隙裂隙区，因此整个封堵墙体内部包括采空垮落充填区、上覆裂隙区和主充水含水层孔隙裂隙区，这三个区域之间存在水力联系；封堵墙体形成封闭环境后，通过向采空区内注入矿井水，以及主充水含水层地下水的下渗，导致采空区中积水水位持续上升，最终水位高度达到主充水含水层，使采空垮落充填区、上覆裂隙区和主充水含水层孔隙裂隙区构成一个统一含水体；此状态下，主充水含水层地下水将不再向采空区漏失，含水层水位逐渐恢复，降落漏斗逐渐消失，实现对顶板含水层水资源的保护。
具体的，在步骤1中，确定煤层和顶板主充水含水层均为缓倾角地层，倾角<5°，且地层厚度相对稳定；
具体的，在步骤2中，盘区采空区周围的保护煤岩柱厚度应大于40m，封堵墙体应承受压力大于20MPa。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例以西部矿区侏罗纪煤田煤层顶板含水层水资源保护为例进行进一步说明，该区域位于鄂尔多斯盆地，包括蒙陕、彬长、宁东、塔然高勒等矿区，煤炭资源开发过程中主要来自顶板充水含水层水源，存在开采强度大、矿井涌水量大、水资源浪费严重等问题，减小煤炭开采过程中顶板涌水量，是降低防治水难度、保护地下水资源的前提。
西部矿区侏罗纪煤田煤层顶板含水层水资源保护为例进行进一步说明，该区域煤层顶板主充水含水层具有强富水含水层特征，对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定对顶板主充水含水层破坏最大和涌水量最大的盘区；将盘区煤岩柱、封堵墙体和覆岩地层共同构成一个整体的耐高水压盘区封闭体，向盘区内高压注水，大大减小主充水含水层地下水的漏失，使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现对煤层顶板含水层水资源的保护。
步骤1：确定煤层与主充水含水层位置关系。对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系。研究区煤层为缓倾斜煤层，倾角一般<5°,且煤层厚度较稳定；由于古地理环境演化，煤层顶板地层，从下往上依次为隔水层、弱含水层、隔水层和中等-强含水层，其中中等-强富水含水层为七里镇砂岩或洛河组砂岩，具有水压高(3～6MPa)、水量大等特征，是煤炭开采过程中最主要的直接充水含水层；该含水层(七里镇砂岩或洛河组砂岩)与煤层距离一般大于100m。
以多个典型矿井为研究对象，施工两带高度探查孔，探测导水裂缝带发育高度，确定导水裂缝带发育高度是开采厚度的20～25倍，以此可以确定每个井田内均有导水裂缝带发育至主充水含水层的盘区，或对主充水含水层破坏最大的盘区，该盘区也是矿井涌水量最大的盘区，呼吉尔特和伊敏矿区典型矿井的最大涌水量盘区，其涌水量占整个矿井涌水量的50％～70％。
步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体。根据步骤1确定的对主充水含水层破坏最大和矿井涌水量最大的盘区，以煤矿安全规程和矿井设计为依据，巷道掘进阶段提前留设该盘区保护煤岩柱，盘区保护煤岩柱厚度>40m；当该盘区煤炭回采结束后，在盘区煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度封堵墙体，墙体承受水压力>20MPa；将盘区煤岩柱、封堵墙体和覆岩地层共同构成一个整体的耐高水压盘区封闭体；
步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法。根据步骤2建设的盘区耐高水压封闭体，对该盘区封闭体建设注水设施，包括注水管路和水泵等，其中注水管路为碳钢防腐材质、直径DN250；注水泵为立式离心泵，流量200m3/h，扬程500m。向盘区内高压注水，并保证该注水口封闭状态下的安全；盘区采空区内逐渐被水充满，最终盘区采空区、顶板覆岩破坏区与顶板含水层构成一个统一含水体；之前采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗底部为采空区底部，水位逐渐恢复至接近主充水含水层初始水位。该封闭体外排涌水量为0.0m3/h，使整个矿井涌水量减小约一半，以呼吉尔特矿区某矿井为例，盘区耐高水压封闭体建成前矿井涌水量为1500m3/h，建成后矿井涌水量为700～800m3/h；另外，伊敏矿区某矿井盘区耐高水压封闭体建成前矿井涌水量为1200m3/h，建成后矿井涌水量为500多m3/h，整个矿井涌水量大大减小，并使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现了对顶板含水层水资源的保护。
由此，本发明的一种煤层顶板含水层水资源保护方法具有如下优点：建立了矿区煤层与主充水含水层位置关系，确定出对顶板主充水含水层破坏最大和地下水漏失最严重的盘区；建设了盘区煤岩柱、封堵墙体和次充水含水层注浆封堵截水共同构成一个整体的耐高水压盘区封闭体，满足盘区采空区与顶板主充水含水层构成一个统一含水体；通过向盘区内高压注水，减小了该盘区和整个矿井水涌水量，并使采煤形成的主充水含水层水位降落漏斗得到恢复，实现对煤层顶板含水层水资源的保护。
步骤1：确定煤层与主充水含水层位置关系。
对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定对顶板主充水含水层破坏最大、地下水漏失最严重的盘区；
步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体；
根据安全规程和矿井设计，设置该盘区保护煤岩柱；在盘区煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度封堵墙体；实现盘区采空区和顶板覆岩破坏区域构成一个整体的耐高水压封堵墙体；
步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法；
对该盘区封闭墙体建设高压注水系统，向盘区内注水，并保证该注水口封闭安全；最终盘区采空区、顶板覆岩破坏区与顶板含水层构成一个统一含水体，实现对顶板含水层水资源的保护。
具体的，在步骤1中，确定煤层和顶板主充水含水层均为缓倾角地层，倾角<5°，且地层厚度相对稳定；
具体的，在步骤2中，盘区采空区周围的保护煤岩柱厚度应大于40m，封堵墙体应承受压力大于20MPa。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (9)
1.一种煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：确定煤层与主充水含水层的位置关系，对煤层和顶板含隔水层空间展布特征进行探查，确定井田范围内煤层与主充水含水层位置关系；开展煤炭开采后覆岩破坏特征探查，确定对顶板主充水含水层破坏最大、地下水漏失最严重的盘区；
步骤2：构建盘区采空区及顶板覆岩破坏区封闭体，先确定盘区保护煤岩柱，在巷道掘进过程中提前留设盘区保护煤岩柱，再在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体；
步骤3：形成煤层顶板含水层水资源保护方法，对封闭墙体设置高压注水系统，向盘区内注水，通过向采空区内注入矿井水，以及主充水含水层地下水的下渗，实现对顶板含水层水资源的保护。
2.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：步骤2中包含如下子步骤：
步骤2.1：依据《煤矿防治水细则》(2018)附录六中关于含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的留设计算公式(6-3)，利用煤层厚度、主充水含水层水位、煤岩的抗拉强度得到盘区保护煤岩柱，保护煤岩柱宽度必须>40m；
步骤2.2：在盘区保护煤岩柱内倒车硐室、联巷等开口位置建设高强度的封堵墙体，根据巷道断面尺寸，每边增加1.0m，封堵墙体的断面高4m、宽6m；墙体用混凝土充填，混凝土强度为C42.5，封堵墙体施工5天后达到承载要求，混凝土中加入水泥重量3％的氯化钙；封堵墙体与煤岩体之间的灌浆锚杆采用Ф18钢筋，孔径60mm，间距1.5m，顶部锚杆长度2.3m，进入围岩不少于1.5m；混凝土的封堵墙体形成后，对封堵墙体进行壁后注浆，注浆最终压力为水压的1.5倍，注浆材料为水泥浆，水灰比为1：1，最终墙体承受压力>20MPa。
3.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：高压注水系统的注水管为碳钢防腐材质、直径DN250。
4.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：在封闭墙体两侧的碳素钢管路上加装钢质挡板，挡板为正方形，面积0.6m×0.6m。
5.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：在内部的注水管外侧安装钢板倒刺，每排4个，共3排，排与排之间的钢板不在一条直线上，每个钢板外沿与管道呈30°夹角，以防止采空区内部高水压环境，将注水管挤出。
6.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：封堵墙体内部包括采空垮落充填区、上覆裂隙区以及主充水含水层孔隙裂隙区，这三个区域之间存在水力联系。
7.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：在步骤1中，确定煤层和顶板主充水含水层均为缓倾角地层，倾角<5°，且地层厚度相对稳定。
8.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：在步骤2中，盘区采空区周围的保护煤岩柱厚度应大于40m，封堵墙体应承受压力大于20MPa。
9.如权利要求1所述的煤层顶板含水层水资源保护方法，其特征在于：在巷道掘进过程中根据公式(1)提前留设盘区保护煤岩柱；
式中L—煤柱留设的宽度，m；K—安全系数，一般取2～5；M—煤层厚度或者采高，m；p—实际水头值，MPa；Kp—煤的抗拉强度，MPa。
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