CN112576305B - 工作面离层水害的防治方法 - Google Patents

Abstract

一种工作面离层水害的防治方法，该方法包括以下步骤：采用经验公式、数值模拟、相似材料模拟或现场实测资料，计算工作面的导水裂隙带发育高度；通过工作面内部或周边钻孔资料，确定工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层，其下部能够产生离层空间；在井下施工长距离定向钻孔，对坚硬岩层进行分段压裂，通过超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，实现坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，达到减小离层空间和避免大规模离层水体形成的目的，从而对工作面顶板离层水害进行有效防治。

Description

工作面离层水害的防治方法

技术领域

本发明涉及矿山安全的技术领域，尤其涉及一种适用于煤矿工作面顶板离层水害的工作面离层水害的防治方法。

背景技术

离层水害是指煤层开采后，顶板覆岩不均匀变形及破坏而形成的离层空腔积水溃入工作面造成的灾害，其特点包括瞬时水量较大、衰减快、致灾性强、发生前无明显征兆，往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡，作为一类特殊的顶板水害已经日益受到关注，《煤矿防治水细则》也首次对离层水害的概念及其防治进行规定。

工作面顶板各岩层的岩性和力学性质存在较大的差异，受工作面回采而发生不同程度的沉降，从而形成不同水平上的离层空间，发育在工作面导水裂隙带范围内的离层空间其封闭性较差，不会储集离层水体，而对于发育在导水裂隙带上部的离层空间在接受周边含水层补给形成离层水体后，在矿压、水压及工作面回采的共同作用下，离层水体会突破下伏隔水层溃入工作面发生离层水害。

针对离层水害防治的方法主要包括工作面在回采过程中施工离层水体井下疏放钻孔、地面直通式导流孔、对工作面顶板含水层进行疏水降压等。采用井下疏放水钻孔疏放离层水体，需要在工作面每个来压步距前施工束状钻孔；部分工作面埋深较大，施工地面直通式导流孔工程量大，周期长，造成工作面防治水成本较大；对顶板含水层进行疏水降压可以减小离层水体的规模，无法彻底杜绝离层水害的发生。这些技术措施在一定程度上减小了离层水害发生的概率或者降低了离层水害的破坏力，但是仍然没有从源头上对离层水害进行根治。

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，研究设计出一种工作面离层水害的防治方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作面离层水害的防治方法，其可以大幅降低坚硬岩层的抗拉强度，实现工作面在回采过程中其顶板坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，使离层空间无法形成，进而达到工作面顶板离层水害防治的目的。

为实现上述目的，本发明公开了一种工作面离层水害的防治方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：判断工作面导水裂隙带发育高度；

步骤二：确定工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层，其下部能够产生离层空间，并且此坚硬岩层或下部软弱岩层为含水层；

步骤三：在坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔来确定水力压裂范围，其选择待采工作面的切眼或者巷道作为长距离定向钻孔的钻场，在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔，用以确定长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂范围；

步骤四：确定在坚硬岩层中垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向水平钻孔的个数，根据长距离定向钻孔对坚硬岩层压裂范围，计算出工作面顶板坚硬岩层压裂在垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔的个数；

步骤五：在工作面回采前对导水裂隙带上部的坚硬岩层进行立体压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，实现坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，避免离层空间的形成，进而达到对离层水害防治的目的。

其中：步骤一采用经验公式、数值模拟、相似材料模拟或现场实测资料确定工作面的导水裂隙带发育高度。

其中：步骤二中确定工作面上部的坚硬岩层采用以下公式(1)判别：

式中：γ为岩层的容重；E为岩层的弹性模量；h为岩层的厚度，具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当

及

满足上式时，则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m层岩层为第1层硬岩层，从第1层硬岩层开始，按上述方法确定第2层硬岩层的位置，以此直至确定出最上一层硬岩层。

其中：步骤三中向工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工长距离定向钻孔，向长距离定向钻孔中下设压裂设备，包括封隔器、引鞋和管柱，利用封隔器将坚硬岩层的待压裂段进行坐封，利用高压水泵对压裂段进行注水压裂。

其中：步骤三中水力压裂范围判别是利用长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂范围用以下方法判断：

在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔，钻孔的钻进方向可以与工作面走向平行，也可与工作面倾向平行，各钻孔的平距为10m，钻孔个数≥2，从靠近边缘的第一个长距离定向水平钻孔进行注水，对其他各长距离定向水平钻孔进行观测，在对坚硬岩层待压裂段进行压裂过程中，根据返水的钻孔判断长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂半径。

其中：当对第一个长距离水平定向钻孔注水时，如果从靠近的长距离定向水平钻孔返水，而另外长距离定向水平钻孔无返水，则判断压裂半径≥10m，如果从靠近的两个长距离定向水平钻孔均返水，而其他的长距离定向水平钻孔无返水，则判断压裂半径≥20m。

其中：根据长距离水平定向钻孔对坚硬岩层的压裂半径R，通过公式(2)得到工作面顶板坚硬岩层压裂在垂向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔的个数：

a＝B/2R             (2)

式中：a为钻孔个数；B为压裂区域的宽度(或高度)；R为长距离水平定向钻孔9对坚硬岩层9的压裂半径。

其中：步骤四中在工作面回采前对初次来压范围内的坚硬岩层待压裂段进行压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短工作面的初次来压步距：

坚硬岩层在工作面初次来压时的破断距可以用公式(3)来计算：

坚硬岩层在工作面周期来压时的破断距可以用公式(4)来计算：

式中：L为坚硬岩层的破断距；σ为坚硬岩层的抗拉强度；γ为坚硬岩层的容重；M为坚硬岩层的厚度。

其中：步骤五中在对工作面初次来压步距内坚硬岩层实施压裂后，对周期来压步距内的坚硬岩层依次实施压裂。

其中：在对工作面初次来压范围内的坚硬岩层待压裂段进行压裂完毕后，对封隔器进行解封，拖动管柱至下一个待压裂段，重复实施对坚硬岩层的压裂，最终实现对整个工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层实施压裂。

通过上述内容可知，本发明的工作面离层水害的防治方法采用经验公式、数值模拟、相似材料模拟或现场实测资料，计算工作面的导水裂隙带发育高度；根据工作面内部或周边地质勘探钻孔资料，确定工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层，其下部能够产生离层空间，并且此坚硬岩层或下部软弱岩层为含水层；选择待采工作面的切眼或者巷道作为长距离定向钻孔的钻场，在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔；在工作面回采前对其顶板坚硬岩层实施立体压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，促使坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，避免离层空间的形成，进而达到对离层水害防治的目的。

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显示了工作面导水裂缝带范围与长距离定向水平钻孔剖面图。

图2显示了利用长距离定向水平钻孔对坚硬岩层水力压裂剖面图。

图3a和图3b显示了利用长距离定向水平钻孔对坚硬岩层水力压裂平面图；其中，图3a为钻孔沿工作面走向布置，图3b为钻孔沿工作面倾向布置。

图4显示了利用长距离定向水平钻孔水力压裂工艺示意图。

具体实施方式

参见图1至图4，显示了本发明的工作面离层水害的防治方法。

本发明公开了一种工作面离层水害的防治方法，其主要利用长距离定向水平钻孔对工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层进行水力压裂，通过超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，实现坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，达到减小离层空间和避免大规模离层水体形成的目的，从而对工作面顶板离层水害进行有效防治，其可包含如下步骤：

步骤一：判断工作面导水裂隙带发育高度，可采用经验公式、数值模拟、相似材料模拟或现场实测资料，确定工作面的导水裂隙带3发育高度4。

步骤二：可根据工作面内部或周边地质勘探钻孔资料，确定工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层，其下部能够产生离层空间，并且此坚硬岩层或下部软弱岩层为含水层。

确定工作面上部的坚硬岩层可采用以下公式(1)判别：

式中：γ为岩层的容重；E为岩层的弹性模量；h为岩层的厚度。

具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当

及

满足上式时，则不再往上计算。此时从第1层岩层往上，第m层岩层为第1层硬岩层。从第1层硬岩层开始，按上述方法确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层(设为第n层硬岩层)。

可根据公式判断图1中岩层7和岩层9为坚硬岩层，岩层6、岩层8和岩层10为软弱岩层。由于岩层7位于工作面导水裂隙带范围以内，岩层7与下伏岩层6产生的离层空间会随着工作面回采被导水裂隙带破坏，故岩层7虽然是坚硬岩层，但不是水力压裂的目标层；岩层9位于工作面导水裂隙带上部，岩层9月下伏岩层8产生的离层空间不会被工作面的导水裂隙带破坏，在接受上部或者下部含水层的水量补给后形成离层水体，故岩层9即时坚硬岩层，也是利用长距离定向水平钻孔2进行水力压裂的目标层。

步骤三：在坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔来确定水力压裂范围，其可选择待采工作面的切眼或者巷道作为长距离定向钻孔的钻场，在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔，用以确定长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂范围。

其中，选择待采工作面的风巷12或机巷13作为长距离定向钻孔2的钻场1，向工作面导水裂隙带3上部的坚硬岩层9中施工长距离定向钻孔2，向长距离定向钻孔2中下设压裂设备，包括封隔器14、引鞋15和管柱16等，利用双封隔器14将坚硬岩层9的待压裂段17进行坐封。

利用高压水泵对压裂段17进行注水压裂。

通过压力和注水量观测数据判断压裂效果，如果达到效果，结束本压裂段17的压裂工作。

拖动管柱至下一个压裂点，再次利用双封隔器14将坚硬岩层下一个待压裂段进行坐封、注水压裂、判断效果、结束压裂。

水力压裂范围判别是利用长距离定向钻孔2对坚硬岩层9的压裂范围用以下方法判断：

在工作面顶板导水裂隙带3上部的坚硬岩层9中施工一组长距离定向水平钻孔2，钻孔的钻进方向可以与工作面走向平行，也可与工作面倾向平行，各钻孔的平距为10m，钻孔个数≥2。

从靠近边缘的第一个长距离定向水平钻孔2-1进行注水，对其他各长距离定向水平钻孔2-2、2-3和2-4进行观测，在对坚硬岩层9待压裂段17进行压裂过程中，根据返水的钻孔判断长距离定向钻孔2对坚硬岩层9的压裂半径R。

当对第一个长距离水平定向钻孔2-1注水时，如果从靠近的长距离定向水平钻孔2-2返水，而另外长距离定向水平钻孔的2-3和2-4无返水，可判断压裂半径≥10m，如果从长距离定向水平钻孔2-2和2-3均返水，而2-4无返水，可判断压裂半径≥20m；以此类推。

步骤四：确定在坚硬岩层中垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向水平钻孔的个数，可根据长距离定向钻孔对坚硬岩层压裂范围，计算出工作面顶板坚硬岩层压裂在垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔的个数。

根据长距离水平定向钻孔2对坚硬岩层9的压裂半径R，通过公式(2)得到工作面顶板坚硬岩层9压裂在垂向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔2的个数：

a＝B/2R             (2)

式中：a为钻孔个数；B为压裂区域的宽度(或高度)；R为长距离水平定向钻孔9对坚硬岩层9的压裂半径。

步骤五：在工作面回采前对导水裂隙带上部的坚硬岩层进行立体压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，实现坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，避免离层空间的形成，进而达到对离层水害防治的目的。

在工作面回采前对初次来压范围内的坚硬岩层9待压裂段17进行压裂，实现超前弱化坚硬岩层9来降低坚硬岩层9的抗拉强度和缩短工作面的初次来压步距：

坚硬岩层9在工作面初次来压时的破断距可以用公式(3)来计算：

坚硬岩层9在工作面周期来压时的破断距可以用公式(4)来计算：

式中：L为坚硬岩层的破断距；σ为坚硬岩层的抗拉强度；γ为坚硬岩层的容重；M为坚硬岩层的厚度。

在对工作面初次来压步距内坚硬岩层9实施压裂后，对周期来压步距内的坚硬岩层9依次实施压裂。

在对工作面初次来压范围内的坚硬岩层9待压裂段17进行压裂完毕后，对封隔器14进行解封，拖动管柱至下一个待压裂段，重复实施对坚硬岩层9的压裂，最终实现对整个工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层实施压裂。同时实现水力压裂后的坚硬岩层9随着工作面回采与下伏软弱岩层8同步破碎下沉，避免了大规模离层空间的形成，可以从源头上杜绝离层水害的发生。

工作面回采过程中，当坚硬岩层的破断距L较长时，下伏软弱岩层在发生下沉后与坚硬岩层形成了规模较大的离层空间，当坚硬岩层或者软弱岩层为含水层时，便会向离层空间进行充水形成离层水体，当工作面继续回采，坚硬岩层的悬空距大于其破断距时，坚硬岩层便会发生破断，离层水体在矿压和水压的共同作用下溃入工作面，形成离层水害。

利用长距离定向水平钻孔对工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层进行水力压裂，可以使坚硬岩层的抗拉强度σ显著降低，从而可以减小坚硬岩层的破断距L，达到减小工作面来压步距的目的，同时实现水力压裂后的坚硬岩层随着工作面回采与下伏软弱岩层同步破碎下沉，避免了大规模离层空间的形成，可以从源头上杜绝离层水害的发生。

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 (10)

1.一种工作面离层水害的防治方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：判断工作面导水裂隙带发育高度；

步骤二：确定工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层，其下部能够产生离层空间，并且此坚硬岩层或下部软弱岩层为含水层；

步骤三：在坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔来确定水力压裂范围，其选择待采工作面的切眼或者巷道作为长距离定向钻孔的钻场，在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔，用以确定长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂范围；

步骤四：确定在坚硬岩层中垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向水平钻孔的个数，根据长距离定向钻孔对坚硬岩层压裂范围，计算出工作面顶板坚硬岩层压裂在垂直方向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔的个数；

步骤五：在工作面回采前对导水裂隙带上部的坚硬岩层进行立体压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短来压步距，实现坚硬岩层与下伏软弱岩层同步或近似同步下沉，避免离层空间的形成，进而达到对离层水害防治的目的。

2.如权利要求1所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤一采用经验公式、数值模拟、相似材料模拟或现场实测资料确定工作面的导水裂隙带发育高度。

3.如权利要求1所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤二中确定工作面上部的坚硬岩层采用以下公式(1)判别：

式中：γ为岩层的容重；E为岩层的弹性模量；h为岩层的厚度，

具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当

及

满足上式时，则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m层岩层为第1层硬岩层，从第1层硬岩层开始，按上述方法确定第2层硬岩层的位置，以此直至确定出最上一层硬岩层。

4.如权利要求1所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤三中向工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工长距离定向钻孔，向长距离定向钻孔中下设压裂设备，包括封隔器、引鞋和管柱，利用封隔器将坚硬岩层的待压裂段进行坐封，利用高压水泵对压裂段进行注水压裂。

5.如权利要求1所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤三中水力压裂范围判别是利用长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂范围用以下方法判断：

在工作面顶板导水裂隙带上部的坚硬岩层中施工一组长距离定向水平钻孔，钻孔的钻进方向可以与工作面走向平行，也可与工作面倾向平行，各钻孔的平距为10m，钻孔个数≥2，从靠近边缘的第一个长距离定向水平钻孔进行注水，对其他各长距离定向水平钻孔进行观测，在对坚硬岩层待压裂段进行压裂过程中，根据返水的钻孔判断长距离定向钻孔对坚硬岩层的压裂半径。

6.如权利要求5所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：当对第一个长距离水平定向钻孔注水时，如果从靠近的长距离定向水平钻孔返水，而另外长距离定向水平钻孔无返水，则判断压裂半径≥10m，如果从靠近的两个长距离定向水平钻孔均返水，而其他的长距离定向水平钻孔无返水，则判断压裂半径≥20m。

7.如权利要求6所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：根据长距离水平定向钻孔对坚硬岩层的压裂半径R，通过公式(2)得到工作面顶板坚硬岩层压裂在垂向和水平方向上所需要施工的长距离定向钻孔的个数：

a＝B/2R                           (2)

式中：a为钻孔个数；B为压裂区域的宽度或高度；R为长距离水平定向钻孔对坚硬岩层的压裂半径。

8.如权利要求1所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤四中在工作面回采前对初次来压范围内的坚硬岩层待压裂段进行压裂，实现超前弱化坚硬岩层来降低坚硬岩层的抗拉强度和缩短工作面的初次来压步距：

坚硬岩层在工作面初次来压时的破断距可以用公式(3)来计算：

坚硬岩层在工作面周期来压时的破断距可以用公式(4)来计算：

式中：L为坚硬岩层的破断距；σ为坚硬岩层的抗拉强度；γ为坚硬岩层的容重；M为坚硬岩层的厚度。

9.如权利要求8所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：步骤五中在对工作面初次来压步距内坚硬岩层实施压裂后，对周期来压步距内的坚硬岩层依次实施压裂。

10.如权利要求9所述的工作面离层水害的防治方法，其特征在于：在对工作面初次来压范围内的坚硬岩层待压裂段进行压裂完毕后，对封隔器进行解封，拖动管柱至下一个待压裂段，重复实施对坚硬岩层的压裂，最终实现对整个工作面导水裂隙带上部的坚硬岩层实施压裂。

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