CN112780277A - 一种煤层底板断层水害加筋防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种煤层底板断层水害加筋防治方法，包括下述步骤：S1：获取采煤地质条件；S2：探查断层条件；S3：依据获取的采煤地质条件以及断层条件，建立天然数值模型；S4：设计加筋方案，包括布设加筋以及保护层：布设加筋时，加筋与断层斜交且与中间岩层走向之间呈预设夹角，加筋的布设范围为沿着断层延伸范围间隔实施，并位于煤层的底板预设距离以内；在水害来源地层与断层之间设计保护层；S5：采用所述天然数值模型，依据加筋方案对数值模型进行赋参，并进行煤层的开采模拟，得到最终的加筋设计方案；S6：依据最终的加筋设计方案设加筋和保护层。本发明对断层加强以及防水效果好，并且对环境友好。

Description

一种煤层底板断层水害加筋防治方法
技术领域
本发明涉及矿井地质领域、并与采矿工程领域有一定的交叉，具体涉及一种煤层底板断层水害加筋防治方法。
背景技术
目前底板水害十分突出，特别是有断层存在的时候，底板发生突水更多。底板含有断层的条件下水害防治的方法主要有注浆和疏水降压，但现有技术存在以下问题：
1)疏水降压有的水文地质条件不允许，补给性太好。另外，疏放的地下水对地下水的破坏较大，环境不友好。
2)对断层注入水泥浆液是最常用的手段，但水泥有较强的抗压强度，但抗拉强度较低，且注入后容易发生收缩，加强强度断层效果和防水效果均不佳。
3)对断层注入化学浆液虽然可以提升各类力学效果，但对环境污染大。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种煤层底板断层水害加筋防治方法，本发明对断层加强以及防水效果好，并且对环境友好。
本发明采用的技术方案如下：
一种煤层底板断层水害加筋防治方法，包括下述步骤：
S1：获取采煤地质条件；
S2：探查断层条件；
S3：依据获取的采煤地质条件以及断层条件，建立天然数值模型；
S4：设计加筋方案，包括布设加筋以及保护层：
布设加筋时，加筋与断层斜交且与中间岩层走向之间呈预设夹角，加筋的布设范围为沿着断层延伸范围间隔实施，并位于煤层的底板预设距离以内；在水害来源地层与断层之间设计保护层；
S5：采用所述天然数值模型，依据加筋方案对数值模型进行赋参，并进行煤层的开采模拟，得到最终的加筋设计方案；
S6：依据最终的加筋设计方案设加筋和保护层。
优选的，S1中，所述地质条件包括煤层底板下的中间岩层的走向和地层厚度以及水害来源地层的位置。
优选的，S2中，断层条件包括断层的破碎带厚度和延伸范围。
优选的，S4中，加筋的长度为断层破碎带厚度的2倍～3倍，加筋与中间岩层走向夹角为50°～60°，加筋的布设范围位于煤层的底板15米以下范围内，加筋的间距为10～20米。
优选的，S4中，加筋的材料为钢筋，其中在最顶部和底部两个加筋点的加筋材料为Ⅲ～Ⅲ级钢筋，其他加筋点的加筋材料为Ⅰ～Ⅲ级钢筋。
优选的，S4中，保护层是用黏土和玄武岩纤维材料替换原有岩石，保护层中玄武岩纤维质量占总质量的5％～10％，保护层厚度为1～5米。
优选的，S5中，进行煤层的开采模拟时，如果数值模拟结果为底板破坏带内无加筋且断层没有出现破坏，则进行S6；如果数值模拟结果为底板破坏带内有加筋破坏或断层出现破坏，则进行S3-S4，进行设计调整。
优选的，设计调整的过程包括：如果底板破坏带内有加筋破坏则破坏的加筋点不再加筋；如果断层出现破坏，则缩小加筋间距或提高加筋材料等级；调整后重新进行S3-S4，直至底板破坏带内无加筋且断层没有出现破坏，此时，得到最终的加筋设计方案。
优选的，S6中，加筋是通过钻孔揭露断层后，然后将设计的钢筋以钢筋笼形式送至设计位置；保护层采用定向钻实施钻掘，然后注入黏土和玄武岩纤维材料混合体，并通过钻探设备锤击压实。
优选的，锤击压实标准为混合体密度大于1g/cm3。
本发明具有如下有益效果：
本发明煤层底板断层水害加筋防治方法中，通过布设加筋、利用钢筋具有很强的抗拉能力的特点，加筋后断层有明显的抗拉性，且有利于控制水泥凝固后的收缩，提高了隔水性。煤层开采会造成底板破坏带，破坏带内很硬的岩石和钢筋也会破坏，因此这一区内不宜布置加筋。而加筋是在煤层开采前进行的，这又对底板破坏带发育的深度有所影响，因此采用数值模拟调参的办法开展。断层活化一方面是强度问题，另外还有渗流问题，渗流则在保护层加筋的黏土中层有辅助控制作用。本发明简单易实施，加筋提高了抗拉强度，控制断层活化效果更好，同时环境污染小；加筋配合保护层提高了断层阻水性，减少煤矿矿井涌水，更加安全，且工况更好。
进一步的，加筋的长度为断层破碎带厚度的2倍～3倍，加筋的范围为断层破碎带2～3倍以上，是因为断层破碎带厚度与断层活化应力扰动范围关系很大，加筋范围主要针对防治断层活化而开展，因此2～3倍以上即可满足条件。
附图说明
图1是本发明实施例中煤层底板断层水害加筋防治方法的流程图；
图2是本发明煤层底板断层水害加筋防治方法示意图；
图中：1、煤层；2、中间岩层；3、水害来源地层；4、断层；5、钻孔；6、保护层；7、加筋；8、底板破坏带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明煤层底板断层水害加筋防治方法，包括下述步骤：
步骤一：获取采煤地质条件：通过地质柱状图获取煤层1底板下的中间岩层2的走向和地层厚度，并获得水害来源地层3的位置。
步骤二：探查断层条件：通过物探和钻探确定断层4的破碎带厚度和延伸范围。
步骤三：构建天然模型：依据步骤一获取的采煤地质条件和步骤二确定的地质和断层条件，采用计算机建立天然数值模型。
步骤四：设计加筋方案：其中加筋7的长度为断层4破碎带厚度的2倍～3倍；加筋7的角度为与断层4斜交且与中间岩层2走向夹角为50°～60°；加筋7的范围为沿着断层4延伸范围间隔实施，但位于煤层1的底板15米以下范围内；加筋7的间距为10～20米；加筋7的材料为钢筋，其中在最顶部和底部两个加筋点的加筋7材料为Ⅲ～Ⅲ级钢筋，其他加筋点的加筋7材料为Ⅰ～Ⅲ级钢筋。并在水害来源地层3与断层4之间设计保护层6，保护层6是用黏土和玄武岩纤维材料替换原有岩石，其中玄武岩纤维质量占总质量的5％～10％，保护层6厚度为1～5米。
步骤五：判定设计可行性：采用步骤三建立的天然数值模型，依据步骤四设计的加筋方案对数值模型进行赋参，并进行煤层开采模拟。如果数值模拟结果为底板破坏带8内无加筋7且断层4没有出现破坏，则进行步骤六。如果数值模拟结果为底板破坏带8内有加筋7破坏或断层4出现破坏，则再进行步骤三至步骤四进行设计调整。
设计调整方法为：如果底板破坏带8内有加筋7破坏则破坏的加筋点不再加筋。如果断层4出现破坏，则缩小加筋7间距或提高加筋7材料等级。调整后重新进行数值模拟，直至底板破坏带8内无加筋7且断层4没有出现破坏。此时，得到最终的设计方案。
步骤六：依据步骤五获得的最终设计方案，开展加筋7工程。其中，加筋7是通过常规钻孔5揭露断层4后，然后将设计的钢筋以钢筋笼形式送至设计位置。而保护层6则采用定向钻实施钻掘，然后注入黏土和玄武岩纤维材料混合体，并通过钻探设备锤击压实，压实标准为混合体密度大于1g/cm3。
最后通过步骤七进行验证，步骤七：加筋工程后进行煤层开采，煤层开采未发生断层活化诱发的底板突水。
本发明的运行原理如下：
煤层开采会造成中间岩层应力变化，其间的断层容易表现为应力集中，特别是在围岩应力有限时表现出拉破坏。常规注入水泥虽然能提高岩体抗压强度，但抗拉强度有限。而钢筋有很强的抗拉能力，加筋后断层有明显的抗拉性，且有利于控制水泥凝固后的收缩，提高了隔水性。煤层开采会造成底板破坏带，破坏带内很硬的岩石和钢筋也会破坏，因此这一区内不宜布置加筋。而加筋是在煤层开采前进行的，这又对底板破坏带发育的深度有所影响，因此采用数值模拟调参的办法开展。另外，加筋的范围为断层破碎带2倍以上，是因为断层破碎带厚度与断层活化应力扰动范围关系很大，加筋范围主要针对防治断层活化而开展，因此2倍以上即可满足条件。断层活化一方面是强度问题，另外还有渗流问题，渗流则在保护层加筋的黏土中层有辅助控制作用。
实施例
我国贵州某煤矿开采煤层1时，受下伏的茅口灰岩水威胁，特别是断层4影响下多次发生底板突水，在常规水泥注浆下也没有效果。通过断层加筋防治底板水害的过程如下：
步骤一：获取采煤地质条件：通过地质柱状图获取煤层1底板下的中间岩层2的走向和地层厚度，并获得水害来源地层3的位置。
步骤二：探查断层条件：通过物探和钻探确定断层4的破碎带厚度和延伸范围。
步骤三：构建天然模型。依据步骤一获取的采煤地质条件和步骤二确定的地质和断层条件，采用计算机UDEC建立天然数值模型。
步骤四：设计加筋方案：其中加筋7的长度为断层4破碎带厚度的2倍～3倍；加筋7的角度为与断层4斜交且与中间岩层2走向夹角为50°～60°；加筋7的范围为沿着断层4延伸范围间隔实施，但位于煤层1的底板15米以下范围内；加筋7的间距为10～20米；加筋7的材料为钢筋，其中在最顶部和底部两个加筋点的加筋7材料为Ⅲ～Ⅲ级钢筋，其他加筋点的加筋7材料为Ⅰ～Ⅲ级钢筋。并在水害来源地层3与断层4之间设计保护层6，保护层6是用黏土和玄武岩纤维材料替换原有岩石，其中玄武岩纤维质量占总重要的5％～10％，保护层6厚度为1～5米。
步骤五：判定设计可行性。采用步骤三建立的天然数值模型，依据步骤四设计的加筋方案对数值模型进行赋参，并进行煤层1开采模拟。
首次模拟结果显示底板破坏带8内有加筋7破坏且断层4出现破坏；通过如下调整方法：破坏的加筋7点不再加筋7缩小加筋7间距5～10米不等，并提高加筋7材料等级一级。
调整后重新进行数值模拟，底板破坏带8内无加筋7且断层4没有出现破坏。此时，得到最终的设计方案。
步骤六：依据步骤五获得的最终设计方案，开展加筋7工程。其中，加筋7是通过常规钻孔揭露断层4后，然后将设计的钢筋以钢筋笼形式送至设计位置。而保护层6则采用定向钻实施钻掘，然后注入黏土和玄武岩纤维材料混合体，并通过钻探设备锤击压实，压实标准为混合体密度大于1g/cm3，为1.5g/cm3.
步骤七：加筋工程后进行煤层1开采，煤层1开采50万吨，未发生断层活化诱发的底板突水。

Claims (10)

1.一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：获取采煤地质条件；
S2：探查断层条件；
S3：依据获取的采煤地质条件以及断层条件，建立天然数值模型；
S4：设计加筋方案，包括布设加筋(7)以及保护层(6)：
布设加筋(7)时，加筋(7)与断层(4)斜交且与中间岩层(2)走向之间呈预设夹角，加筋(7)的布设范围为沿着断层(4)延伸范围间隔实施，并位于煤层(1)的底板预设距离以内；在水害来源地层(3)与断层(4)之间设计保护层(6)；
S5：采用所述天然数值模型，依据加筋方案对数值模型进行赋参，并进行煤层(1)的开采模拟，得到最终的加筋设计方案；
S6：依据最终的加筋设计方案设加筋(7)和保护层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S1中，所述地质条件包括煤层(1)底板下的中间岩层(2)的走向和地层厚度以及水害来源地层(3)的位置。
3.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S2中，断层条件包括断层(4)的破碎带厚度和延伸范围。
4.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S4中，加筋(7)的长度为断层(4)破碎带厚度的2倍～3倍，加筋(7)与中间岩层(2)走向夹角为50°～60°，加筋(7)的布设范围位于煤层(1)的底板15米以下范围内，加筋(7)的间距为10～20米。
5.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S4中，加筋(7)的材料为钢筋，其中在最顶部和底部两个加筋点的加筋(7)材料为Ⅲ～Ⅲ级钢筋，其他加筋点的加筋(7)材料为Ⅰ～Ⅲ级钢筋。
6.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S4中，保护层(6)是用黏土和玄武岩纤维材料替换原有岩石，保护层(6)中玄武岩纤维质量占总质量的5％～10％，保护层(6)厚度为1～5米。
7.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S5中，进行煤层(1)的开采模拟时，如果数值模拟结果为底板破坏带(8)内无加筋(7)且断层(4)没有出现破坏，则进行S6；如果数值模拟结果为底板破坏带(8)内有加筋(7)破坏或断层(4)出现破坏，则进行S3-S4，进行设计调整。
8.根据权利要求7所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，设计调整的过程包括：如果底板破坏带(8)内有加筋(7)破坏则破坏的加筋点不再加筋；如果断层(4)出现破坏，则缩小加筋(7)间距或提高加筋(7)材料等级；调整后重新进行S3-S4，直至底板破坏带(8)内无加筋(7)且断层(4)没有出现破坏，此时，得到最终的加筋设计方案。
9.根据权利要求1所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，S6中，加筋(7)是通过钻孔(5)揭露断层(4)后，然后将设计的钢筋以钢筋笼形式送至设计位置；保护层(6)采用定向钻实施钻掘，然后注入黏土和玄武岩纤维材料混合体，并通过钻探设备锤击压实。
10.根据权利要求9所述的一种煤层底板断层水害加筋防治方法，其特征在于，锤击压实标准为混合体密度大于1g/cm3。
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