CN112901268B - 一种煤层底板水害防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层底板水害防治方法，通过确定采煤工作面底板承压含水层的突水系数Ts，测定采煤工作面的温度Tc，对底板进行钻孔，确定底板承压含水层的导升带，测定承压水温度及随温度变化的密度，确定承压水温度变化目标，对导升带进行注浆，并在煤层开采前对底板承压含水层的温度调整到目标值T后计算新的突水系数，并利用新的突水系数与临界突水系数进行比较，从而确定是否施工。该方法简单易实施，费用相对较低，能够对水资源具有较好的保护绿色环保。

Description

一种煤层底板水害防治方法
技术领域
本发明涉及煤层开采技术领域，具体涉及一种煤层底板水害防治方法。
背景技术
中国华北和华南地区煤层开采受到底板承压水的威胁，为安全带压开采，需要对底板水害进行防治。常见的底板水害防治方法有底板注浆加固、底板承压水疏水降低压力及两种方法联合。其中底板注浆加固需要注入化学材料，对含水层有污染。底板承压水进行疏放降低压力，存在以下问题：
1)承压水的疏放造成水资源的污染和浪费；
2)承压水的疏放造成矿井水排水系统负荷很大，容易出现矿井水害；
3)承压水排出需要大量的排水费用。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种煤层底板水害防治方法，简单易实施，费用相对较低，能够对水资源具有较好的保护绿色环保。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种煤层底板水害防治方法，包括如下步骤：
步骤一：确定采煤工作面底板承压含水层的突水系数Ts，其中，突水系数Ts＝P/M，M为采煤工作面和底板承压含水层之间的隔水层的厚度，P为底板承压含水层对隔水层的压力；
步骤二：测定采煤工作面的温度Tc；
步骤三：在煤层开采前，从采煤工作面向底板承压含水层实施钻孔，在钻孔的过程中并对钻孔水位进行观测，直到钻孔钻到底板承压含水层，并取得底板承压含水层的水样，此时不进行钻孔封孔；
步骤四：依据步骤三中钻孔水文观测确定底板承压含水层的导升带；
步骤五：对步骤三中的水样进行天然温度测试获得该水样的实际温度Tz；
步骤六：采用步骤三中获取的水样，测定不同温度下底板承压含水层水的密度，测试范围为min(Tc，Tz)-5℃和max(Tc，Tz)+5℃之间每1℃测试测试水的密度；其中，min(Tc，Tz)为Tc和Tz之间的最小值，max(Tc，Tz)为Tc和Tz之间的最大值；
步骤七：依据步骤六中获得测试水的最小密度对应的温度值，作为底板承压水温度变化的目标值T；
步骤八：对步骤四确定的导升带进行注浆，注浆钻孔采用步骤三中的钻孔，注入后对钻孔进行透孔，保持钻孔与底板承压含水层的水力联系；
步骤九：在煤层开采前对底板承压含水层的温度调整到目标值T；
步骤十：计算温度调整后工作面突水系数Ts1＝P1/M，其中P1＝W*g*h，其中g为重力加速度，W为底板承压含水层水的密度，h为底板承压含水层作用在隔水层底部的水位高度，通过步骤三中的测量获得；
步骤十一：如果Ts1小于等于临界突水系数Ts0，则可以开采采煤工作面中的煤层，采煤到相应钻孔位置时停止温度调节，并全面封孔；
如果Ts1大于临界突水系数Ts0，则首先需要对隔水层进行注浆改造，改造的厚度和浆液参数通过数值模拟获得(具体怎么模拟得到)；隔水层改造后，进行采煤，采煤到相应钻孔位置时停止温度调节，并全面封孔；
步骤十二：采煤工作面完成开采没有发生突水事故。
优选地，采用钻孔柱状图确定采煤工作面和底板承压含水层之间的隔水层的厚度M和底板承压含水层对隔水层的压力P。
优选地，在步骤二中，测温点至少3个，且包括采煤工作面的进风巷和回风巷，测温结果取平均值得到采煤工作面温度Tc。
优选地，在步骤三中，钻孔钻探过程中每0.1～5m进行钻孔水位观测，相邻钻孔间距为10～40m。
优选地，在步骤八中，注入浆液为黏土浆液，水与黏土的质量比为0.5:1～1:1。
优选地，在步骤九中，温度调整利用温度补偿的方法(如空调制冷原理)，温度调整利用步骤八中的钻孔，在钻孔中埋设温度调整管，并封孔。
本发明的有益效果在于：
本发明利用了底板承压含水层温度变化可以有效降低水的密度，进而减少了底板承压含水层对隔水层的压力，由于地下水多数在最大密度范围内(一般4℃水密度最大，而冰点的密度则大幅度下降)，有很大的降压空间，甚至可以降低10％的水压力。这一个过程还有水中矿物质由于温度和压力的变化而沉淀，进一步降低了承压水的压力。这一过程，不需要大量的做功，且没有水的排放和污染。相比较传统的人工排水会排放周边大量的水，在水量充沛的时候甚至无法实施。而调节温度则节能减排。此外，当水压力变化时可能对导升带有所影响(膨胀作用)，因此首先对导升带进行灌浆，则进一步提高了安全性。最后，底板是否突水主要依据底板突水系数理论，其中一方面是改造隔水层，另一方面时降低水压力。水压力的降低可以有效减少改造隔水层的厚度和注浆量，对环境的污染更小。
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他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种煤层底板水害防治方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
以某华北型煤矿开采10号煤为例，开采过程中受到下伏的底板承压含水层奥灰威胁，但对奥灰水进行疏放实验发现，水量很大经济不合理、且技术难度大，为了减少浆液的注入，对底板承压含水层进行温度调节来安全开采10号煤，事先根据钻孔柱状图确定相关参数以及进行现场相关参数的测量，过程如下：
步骤一：确定1003(指10号煤层的第03个工作面)采煤工作面底板承压含水层的突水系数Ts。通过该地区的钻孔柱状图确定采煤工作面和底板承压含水层之间的隔水层的厚度M和底板承压含水层对隔水层的压力P，突水系数Ts＝P/M＝2/25＝0.08。
步骤二：测定采煤工作面的温度Tc。现场选取测温点为5个，且包括进风巷和回风巷；测温结果取平均值得到采煤工作面温度Tc＝10℃(该值为现场测量得到)。
步骤三：在煤层开采前，从采煤工作面向底板承压含水层实施钻孔。钻孔钻探过程中每0.1～5m进行钻孔水位观测，直到钻孔钻到底板承压含水层，并取得底板承压含水层的水样，此时不进行钻孔封孔。相邻钻孔间距为10～40m。
步骤四：依据步骤三中钻孔水文观测确定底板承压含水层的导升带。从底板承压含水层向上观测到的水位与底板承压含水层水位相差0～2m的范围就是导升带范围。
步骤五：对步骤三中的水样进行天然温度测试获得该水样的实际温度Tz，Tz＝4℃。
步骤六：采用步骤三中获取的水样，测定不同温度下底板承压含水层水的密度，测试范围为min(Tc，Tz)-5℃和max(Tc，Tz)+5℃之间，即-1℃-15℃，每1℃测试测试水的密度。
步骤七：依据步骤六中获得测试水的最小密度对应的温度值，作为底板承压水温度变化的目标值T，此时T＝-1℃，T对应的密度W＝0.92g/cm3。
步骤八：对步骤四确定的导升带进行注浆。注浆钻孔采用步骤三中的钻孔，注入浆液为黏土浆液，水与黏土的质量比为0.5:1～1:1。注入后对钻孔进行透孔，保持钻孔与底板承压含水层的水力联系。
步骤九：在煤层开采前对底板承压含水层的温度调整到目标值T＝-1℃。温度调整利用液氮制冷；温度调整利用步骤八中的钻孔，在钻孔中埋设温度调整管，并封孔。
步骤十：计算温度调整后工作面突水系数Ts1＝P1/M＝0.072；其中P1＝W*g*h，其中g为重力加速度，W为底板承压含水层水的密度，取值9.8m/s2，h为底板承压含水层作用在隔水层底部的水位高度，通过步骤三中的实际测量获得，为0.2m。
步骤十一：Ts1大于临界突水系数Ts0＝0.06，则首先需要对隔水层进行注浆改造，改造的厚度和浆液参数通过数值模拟获得，例如其中改造厚度为3.5m，注入浆液约减少30％。隔水层改造后，进行采煤，采煤到相应钻孔位置时停止温度调节，并全面封孔。需要注意的是，该处的临界突水系数以及改造的厚度和浆液参数，都是依据本领域的常规建模得到，即依据采煤工作面的地质条件事先构建模型，获得一个实验上的安全参数，并在实际施工过程中满足这个实验参数的要求，具体的建模在此不作详述。
步骤十二：采煤工作面完成开采没有发生突水事故。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：确定采煤工作面底板承压含水层的突水系数Ts，其中，突水系数Ts＝P/M，M为采煤工作面和底板承压含水层之间的隔水层的厚度，P为底板承压含水层对隔水层的压力；
步骤二：测定采煤工作面的温度Tc；
步骤三：在煤层开采前，从采煤工作面向底板承压含水层实施钻孔，在钻孔的过程中并对钻孔水位进行观测，直到钻孔钻到底板承压含水层，并取得底板承压含水层的水样，此时不进行钻孔封孔；
步骤四：依据步骤三中钻孔水文观测确定底板承压含水层的导升带；
步骤五：对步骤三中的水样进行天然温度测试获得该水样的实际温度Tz；
步骤六：采用步骤三中获取的水样，测定不同温度下底板承压含水层水的密度，测试范围为min(Tc，Tz)-5℃和max(Tc，Tz)+5℃之间每1℃测试测试水的密度；
步骤七：依据步骤六中获得测试水的最小密度对应的温度值，作为底板承压水温度变化的目标值T；
步骤八：对步骤四确定的导升带进行注浆，注浆钻孔采用步骤三中的钻孔，注入后对钻孔进行透孔，保持钻孔与底板承压含水层的水力联系；
步骤九：在煤层开采前对底板承压含水层的温度调整到目标值T；
步骤十：计算温度调整后工作面突水系数Ts1＝P1/M，其中P1＝W*g*h，其中g为重力加速度，W为底板承压含水层水的密度，h为底板承压含水层作用在隔水层底部的水位高度，通过步骤三中的测量获得；
步骤十一：如果Ts1小于等于临界突水系数Ts0，则可以开采采煤工作面中的煤层，采煤到相应钻孔位置时停止温度调节，并全面封孔；
如果Ts1大于临界突水系数Ts0，则首先需要对隔水层进行注浆改造，改造的厚度和浆液参数通过数值模拟获得；隔水层改造后，进行采煤，采煤到相应钻孔位置时停止温度调节，并全面封孔；
步骤十二：采煤工作面完成开采没有发生突水事故。
2.如权利要求1所述的一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，采用钻孔柱状图确定采煤工作面和底板承压含水层之间的隔水层的厚度M和底板承压含水层对隔水层的压力P。
3.如权利要求1所述的一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，在步骤二中，测温点至少3个，且包括采煤工作面的进风巷和回风巷，测温结果取平均值得到采煤工作面温度Tc。
4.如权利要求1所述的一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，在步骤三中，钻孔钻探过程中每0.1～5m进行钻孔水位观测，相邻钻孔间距为10～40m。
5.如权利要求1所述的一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，在步骤八中，注入浆液为黏土浆液，水与黏土的质量比为0.5:1～1:1。
6.如权利要求1所述的一种煤层底板水害防治方法，其特征在于，在步骤九中，温度调整利用温度补偿的方法，温度调整利用步骤八中的钻孔，在钻孔中埋设温度调整管，并封孔。
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