CN112502775A - 一种半固结砂岩含水层疏水降压方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例一种半固结砂岩含水层疏水降压方法，属于煤矿防治水领域，包括：获取半固结砂岩含水层的基础数据；获取顶板上方覆岩破坏程度表征参数；基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层；基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔；含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压。可以改善半固结砂岩含水层疏水降压效果，从而在一定程度上能够解决半固结砂岩下煤炭资源安全高效回采的问题。

Description

一种半固结砂岩含水层疏水降压方法

技术领域

本发明属于煤矿防治水领域，特别是涉及一种半固结砂岩含水层疏水降压方法。

背景技术

半固结砂岩一般为白垩纪形成的岩层，其胶结较松散，抗压强度低，通常在15-30MPa，属于较软岩类，其对于防治水技术以及采场顶板管理等都有着一些特殊要求。

对于顶板上方为半固结岩层的采场，由于顶板砂岩含水层固结程度较差，工作面开采时，存在着溃砂、溃泥威胁，而且在水压力作用下同时还会发生局部顶板岩石膨出、支架压坏等灾害。使得实现安全回采的难度和风险都明显增加，类似条件矿井已发生多起溃砂事故，不仅给矿井造成经济损失，而且直接威胁着矿井及人身安全。尤其是砂岩固结性差，在采动影响波及的情况下，高承压水驱动砂岩流动，进入采动空间或者工作面，对矿井安全生产构成严重威胁。

目前，关于顶板含水层疏水降压的方法主要是采用静态疏水降压的方法，通过施工顶板疏放水钻孔，实现含水层的疏水降压目的。但是，半固结砂岩含水层普遍富水性较强，在疏水降压到一定程度后，受侧向补给等因素的影响，含水层难以实现疏干(这里的“干”指的是基本不滴水状态)，影响半固结砂岩下煤炭资源的安全回采。

因此，有必要提供一种适用于半固结砂岩含水层疏水降压的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种半固结砂岩含水层疏水降压的方法，可以改善半固结砂岩含水层疏水降压效果，从而在一定程度上能够解决半固结砂岩下煤炭资源安全高效回采的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半固结砂岩含水层疏水降压的方法，包括步骤：

S10、获取半固结砂岩含水层的基础数据；所述基础数据包括含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度、砂岩崩解性及砂岩饱和单轴抗压强度；

S20、获取顶板上方覆岩破坏程度表征参数；所述覆岩破坏程度表征参数包括：导水裂缝带高度和垮落带高度；

S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层；

S40、基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔；所述超前疏放水参数包括：钻孔位置、孔距及孔数；

S50、含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压。

可选地，所述步骤S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层包括：

S31、根据覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度、半固结砂岩含水层赋存层位及其富水参数，筛选出在所述覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度范围内的所有第一半固结砂岩含水层；含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度；

S32、分析工作面采动对第一半固结砂岩含水层的影响程度；

S33、筛选出在预定影响程度范围内的第一半固结砂岩含水层作为初始疏水目标含水层；

S34、根据覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度，结合覆岩类型和所述含水层厚度，根据防隔水安全煤岩柱计算公式计算留设的对应防隔水安全煤岩柱参数尺寸；所述参数尺寸包括高度；

S35、基于得到的防隔水安全煤岩柱高度，结合初始疏水目标含水层的层位，从初始疏水目标含水层中确定出影响半固结砂岩下煤层安全开采的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层。

可选地，所述步骤S30中，在步骤S35之后，还包括步骤：S36、基于钻孔柱状图，统计煤层顶板上方覆岩中含、隔水层分布参数；

步骤S37、根据所述含、隔水层分布参数及步骤S10中确定的含水层渗透系数及涌水量，利用数值模拟软件，分析步骤S35中得到的疏水目标含水层的连通性；

步骤S38、根据所述连通性确定所选疏水目标含水层疏降的可行性。

可选地，所述步骤S40、基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔包括步骤：

S41、判断疏水目标含水层所处的位置分别与覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度的关系；

S41A、若疏水目标含水层位于垮落带范围内，则按照采前疏干的方式进行超前疏放水；

S41B、若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水，以防止回采过程中，作为疏水目标含水层的半固结砂岩含水层发生溃砂事故。

可选地，步骤S41A中，所述按照采前疏干的方式进行超前疏放水包括：

S41A1、在工作面上、下顺槽及开切眼内进行采前钻孔预先疏放；

S41A2、在距开切眼200m范围内，相邻孔距布置为15～20m；

在距开切眼200m起至500m止的范围内，孔距按照20～25m布置；

在距开切眼500m以外，孔距按照30～35m布置；

在通过钻孔疏放水过程中，根据已疏放钻孔水量和观测孔水位，调整孔距和孔数。

S41A3、工作面回采后，按照钻孔超前工作面距离为200m以上的要求，在工作面上、下顺槽内依次连续向前施工仰上疏放水钻孔，并直至停采线。其中，要求仰上疏放水钻孔超前工作面在50～100m处达到预先疏干的程度。

可选地，在步骤S41B中，若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水包括：

将疏放水的钻孔位置布置在工作面上、下顺槽内，疏放孔孔距可按照35～45m布置，按照疏放水效果要求，在回采工作面之前，提前进行仰上钻孔疏放水施工。

可选地，步骤S50、含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压包括：

在未进行二次疏降前，将煤层开采厚度限制在预定范围内，以控制导水裂缝带发育范围，使工作面涌水量处于可控阈值量内；

当煤层采动范围不断增加时，煤层顶板含水层通过所述钻孔实现有效疏降。

本发明实施例提供的半固结砂岩含水层疏水降压方法，通过获取半固结砂岩含水层的基础数据；获取顶板上方覆岩破坏程度表征参数；所述覆岩破坏程度表征参数包括：导水裂缝带高度和垮落带高度；基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层；基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔；含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压。可以改善半固结砂岩含水层疏水降压效果，从而在一定程度上能够解决半固结砂岩下煤炭资源安全高效回采的问题。进而为具有半固结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为本发明一实施例半固结砂岩含水层疏水降压方法流程示意图；

图2为本发明另一实施例半固结砂岩含水层疏水降压方法流程示意图。

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半固结砂岩含水层疏水降压方法，针对于具有半固结砂岩含水层的矿区，例如蒙东矿区，的开采防治水难题提出的，可以改善该类半固结砂岩含水层疏水降压效果，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。

参看图1及图2所示，本发明实施例提供的半固结砂岩含水层疏水降压的方法，包括步骤：

S10、获取半固结砂岩含水层的基础数据。

其中，所述基础数据包括含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度、砂岩崩解性及砂岩饱和单轴抗压强度。

针对所述基础数据中关于含水层参数，例如含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度等，可以通过对顶板不同含水层施工探查孔、开展抽水试验，获取不同含水层渗透系数、单位涌水量、含水层厚度等参数。

针对所述基础数据中关于半固体砂岩的相关参数，例如砂岩崩解性及砂岩饱和单轴抗压强度，可以通过钻孔取芯，开展实验室试验，获取砂岩的崩解性、单轴抗压强度等参数。

S20、获取顶板上方覆岩破坏程度表征参数；所述覆岩破坏程度表征参数包括：导水裂缝带高度和垮落带高度。

具体地，步骤S20包括：

S21、通过钻孔取芯，通过实验室试验，研究分析出煤层顶板上方覆岩岩层单轴抗压强度力学参数。

S22、基于包括所述覆岩岩层单轴抗压强度在内的力学参数，根据文献《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中关于不同岩性的覆岩破坏高度计算公式计算出覆岩破坏高度表征参数；其中覆岩破坏高度表征参数包括导水裂缝带高度和垮落带高度。

可以理解的是，由于理论计算与工程实践并不绝对一致，有时候会存在一些差异，因此，为了适应工程实践的要求，在通过公式计算出覆岩破坏高度之后，还需要根据一些相邻地质条件的开采矿的实践经验，作进一步综合分析，所述步骤S20还包括：

S23、类比相邻地质条件下矿井的覆岩破坏裂采比、垮采比参数，综合确定覆岩破坏的导水裂缝带高度和垮落带高度。

S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层。

具体地，所述步骤S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层包括：

S31、根据覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度、半固结砂岩含水层赋存层位及其富水参数，筛选出在所述覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度范围内的所有第一半固结砂岩含水层；含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度。

S32、分析工作面采动对第一半固结砂岩含水层的影响程度；

S33、筛选出在预定影响程度范围内的第一半固结砂岩含水层作为初始疏水目标含水层；

S34、根据覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度，结合覆岩类型和所述含水层厚度，根据防隔水安全煤岩柱计算公式计算留设的对应防隔水安全煤岩柱参数尺寸；所述参数尺寸包括高度；

S35、基于得到的防隔水安全煤岩柱高度，结合初始疏水目标含水层的层位，从初始疏水目标含水层中确定出影响半固结砂岩下煤层安全开采的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层。

本实施例中，可以理解的是，并非顶板上方所有含水层都需要进行疏降处理，例如，当在进行回采时，受采动影响较远或较小的含水层区域就几乎可以不用考虑，因此，通过步骤S31～S35的疏水目标含水层的确定方案，可以较为精准地筛选出回采过程中，可能出现突水风险的含水层，从而为后续精准化有效提高防治水效果提供坚实的数据基础。

在步骤S30中，筛选出需要进行防治的顶板上方覆岩中的含水层之后，还需要对疏降的可行性进行分析。

可选地，所述步骤S30中，在步骤S35之后，还包括步骤：S36、基于钻孔柱状图，统计煤层顶板上方覆岩中含、隔水层分布参数；

步骤S37、根据所述含、隔水层分布参数及步骤S10中确定的含水层渗透系数及涌水量，利用数值模拟软件Modflow，分析步骤S35中得到的疏水目标含水层的连通性；

步骤S38、根据所述连通性确定所选疏水目标含水层疏降的可行性。

其中，如果连通性不好，则疏降较为困难；反之，则疏降较为可行。还可以再重新确定煤层开采厚度和覆岩破坏高度，为后续确定疏放水方案提供基础。

具体地，所述步骤S40、基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔包括步骤：

S41、判断疏水目标含水层所处的位置分别与覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度的关系；

S41A、若疏水目标含水层位于垮落带范围内，则按照采前疏干的方式进行超前疏放水；

S41B、若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水，以防止回采过程中，作为疏水目标含水层的半固结砂岩含水层发生溃砂事故。

其中，在步骤S41A中，所述按照采前疏干的方式进行超前疏放水包括：

S41A1、在工作面上、下顺槽及开切眼内进行采前钻孔预先疏放；

S41A2、在距开切眼200m范围内，相邻孔距布置为15～20m；在距开切眼200m起至500m止的范围内，孔距按照20～25m布置，优选为20m布置；在距开切眼500m以外，孔距按照30～35m布置；

在通过钻孔疏放水过程中，根据已疏放钻孔水量和观测孔水位，调整孔距和孔数，以更好地适应不同含水量的含水层的疏放水施工，提高疏干效果。

为了便于实现对井下疏放水钻孔的调整(加密或减少)，在开始施工井下仰上疏放水钻孔时，可采取间隔1～2个孔位顺序施工的方法，并根据已施工钻孔的出水情况进一步决定间隔孔位上的钻孔是否需要加密或减少。

S41A3、工作面回采后，按照钻孔超前工作面距离为200m以上的要求，在工作面上、下顺槽内依次连续向前施工仰上疏放水钻孔，并直至停采线。其中，要求仰上疏放水钻孔超前工作面在50～100m处达到预先疏干的程度。

其中，在工作面上、下顺槽内依次连续向前施工仰上疏放水钻孔中，向前指的是沿工作面推进方向。

在一些实施例中，在步骤S41B中，若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水包括：

将疏放水的钻孔位置布置在工作面上、下顺槽和开切眼内，疏放孔孔距可按照35～45m布置，按照疏放水效果要求，在回采工作面之前，提前进行仰上钻孔疏放水施工。

其中，疏放孔孔距优选按照40m布置，按照疏放水效果要求，提前施工仰上钻孔的疏放水时间初步确定为：在回采工作面2个月前。

具体地，步骤S50、含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压包括：

在未进行二次疏降前，将煤层开采厚度限制在预定范围内，以控制导水裂缝带发育范围，使工作面涌水量处于可控阈值量内；

可理解的是，导水裂隙带发育范围得到控制，其波及的顶板含水层范围相对有限，使工作面涌水量处于可控阈值量内。所谓处于可控阈值量内俗称可控状态，即不至于引发突水等灾害的状态。

当煤层采动范围不断增加时，煤层顶板含水层通过所述钻孔实现有效疏降。

进一步地，在通过所述疏降控制工作面涌水量小于工作面排水能力的情况下，逐渐增加煤层开采厚度，导水裂缝带发育高度随之增加，波及的含水层范围也相应的增大，可以为全厚开采煤层创造条件。

本发明实施例提供的半固结砂岩含水层疏水降压方法，通过步骤S10～S50，可以改善半固结砂岩含水层疏水降压效果，从而在一定程度上能够解决半固结砂岩下煤炭资源安全高效回采的问题。进而为具有半固结砂岩地质特点的含水层矿区开采提供理论借鉴依据。

另外，在一些具体实施例中，较传统的静压疏降方法而言，本发明专利增加了不同采动影响程度下半固结砂岩含水层的疏放水原则与方案，提高了半固结砂岩含水层下煤炭资源的安全开采。

本发明专利提供的半固结砂岩含水层疏放水参数，为类似条件的矿区含水层疏放水提供了理论参考依据。

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 (7)

1.一种半固结砂岩含水层疏水降压的方法，其特征在于，包括步骤：

S10、获取半固结砂岩含水层的基础数据；所述基础数据包括含水层渗透系数、涌水量、含水层厚度、砂岩崩解性及砂岩饱和单轴抗压强度；

S20、获取顶板上方覆岩破坏程度表征参数；所述覆岩破坏程度表征参数包括：导水裂缝带高度和垮落带高度；

S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层；

S40、基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔；所述超前疏放水参数包括：钻孔位置、孔距及孔数；

S50、含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S30、基于所述基础数据及覆岩破坏程度表征参数确定所有半固结砂岩含水层突水危险性，将具有突水危险性的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层包括：

S31、根据覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度、半固结砂岩含水层赋存层位及其富水参数，筛选出在所述覆岩导水裂缝带高度、垮落带高度范围内的所有第一半固结砂岩含水层；所述富水参数包括含水层渗透系数、涌水量及含水层厚度；

S32、分析工作面采动对第一半固结砂岩含水层的影响程度；

S33、筛选出在预定影响程度范围内的第一半固结砂岩含水层作为初始疏水目标含水层；

S34、根据覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度，结合覆岩类型和所述含水层厚度，根据防隔水安全煤岩柱计算公式计算留设的对应防隔水安全煤岩柱参数尺寸；所述参数尺寸包括高度与宽度；

S35、基于得到的防隔水安全煤岩柱高度，结合初始疏水目标含水层的层位，从初始疏水目标含水层中确定出影响半固结砂岩下煤层安全开采的半固结砂岩含水层作为疏水目标含水层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S30中，在步骤S35之后，还包括步骤：S36、基于钻孔柱状图，统计煤层顶板上方覆岩中含、隔水层分布参数；

步骤S37、根据所述含、隔水层分布参数及步骤S10中确定的含水层渗透系数及涌水量，利用数值模拟软件，分析步骤S35中得到的疏水目标含水层的连通性；

步骤S38、根据所述连通性确定所选疏水目标含水层疏降的可行性。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S40、基于所述疏水目标含水层所处的位置确定超前疏放水方式及参数，并根据所述超前疏放水参数钻孔包括步骤：

S41、判断疏水目标含水层所处的位置分别与覆岩导水裂缝带高度及垮落带高度的关系；

S41A、若疏水目标含水层位于垮落带范围内，则按照采前疏干的方式进行超前疏放水；

S41B、若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水，以防止回采过程中，作为疏水目标含水层的半固结砂岩含水层发生溃砂事故。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S41A中，所述按照采前疏干的方式进行超前疏放水包括：

S41A1、在工作面上、下顺槽及开切眼内进行采前钻孔预先疏放；

S41A2、在距开切眼200m范围内，相邻孔距布置为15～20m；

在距开切眼200m起至500m止的范围内，孔距按照20～25m布置；

在距开切眼500m以外，孔距按照30～35m布置；

在通过钻孔疏放水过程中，根据已疏放钻孔水量和观测孔水位，调整孔距和孔数。

S41A3、工作面回采后，按照钻孔超前工作面距离为200m以上的要求，在工作面上、下顺槽内依次连续向前施工仰上疏放水钻孔，并直至停采线。其中，要求仰上疏放水钻孔超前工作面在50～100m处达到预先疏干的程度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S41B中，若疏水目标含水层位于垮落带范围外、导水裂缝带范围内，则按照采前疏降的方式进行超前疏放水包括：

将疏放水的钻孔位置布置在工作面上、下顺槽内，疏放孔孔距可按照35～45m布置，按照疏放水效果要求，在回采工作面之前，提前进行仰上钻孔疏放水施工。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S50、含水层赋水沿着采动裂缝及所述钻孔排出以实现疏水降压包括：

在未进行二次疏降前，将煤层开采厚度限制在预定范围内，以控制导水裂缝带发育范围，使工作面涌水量处于可控阈值量内；

当煤层采动范围不断增加时，煤层顶板含水层通过所述钻孔实现有效疏降。

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