CN113279687A - 一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法 - Google Patents

Abstract

本专利涉及一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，包括如下步骤：在地表河流与矿区边界之间布设止水帷幕查治勘探线，止水帷幕查治勘探线穿过待治理矿区内的地下空区；在止水帷幕查治勘探线上探查钻孔施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆封堵，形成帷幕墙注浆段，帷幕墙注浆段与实体地层段共同构成止水帷幕墙。本发明通过构建帷幕墙有效隔断地表河流对老空区的补给，减轻浅部水体对矿井开采的威胁，而且施工工期短，成本低，阻隔效果好。

Description

一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法

技术领域

本专利属于煤矿水灾害治理技术领域，具体而言涉及一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法。

背景技术

地下煤炭资源的开采，会打破原本的地应力平衡，改变煤层至地表一定范围内的岩土体力学性质与地下水赋存状态，严重情况下会造成地表不均匀沉降与塌陷。制约煤矿安全生产的重要因素之一，就是水害。受开采工艺的制约，多期的开采历史会形成多层位复杂的废弃老巷及采空区。这样分布不均、探查难度大的地下空间成为地下水赋存的空间与运移的通道。尤其浅层采空区与开采裂隙发育高度会影响地表水体及河流阶地的稳定性。一旦形成地表塌陷，地表河流与多层采空区具有较强水力联系时，高势能水体对煤矿深部开采会产生较大威胁。

在高海拔地区，比如我国的西部地区，对过水通道的探查与封堵难度大，其原因在于冻土层的厚度大，对钻井施工机械、材料要求高，对探查与封堵产生不利影响。为确保地下工程治理效果，需要赶在积雪融化、河流水位上升之前，建造一定强度的地下防水帷幕墙。

然而，在高海拔地区的适宜施工时间仅在每年的4-5月份，适宜施工的时间非常短，采用现有先探查、再治理的方式，需要先寻找所有的过水通道，再建造地下防水帷幕墙，根本无法在短短两个月之内完成地下防水帷幕墙的探查以及建造，而且为了提高探查精度就需要数量众多的探查钻孔，导致施工成本非常高，并进一步延长施工周期。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，用以解决现有探查治理方法采用先探查、再治理的方式，导致施工时间长、成本高，而且空区与补水源之间的封堵效果差的问题中的一者或多者。

本发明的目的是这样实现的：

一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，包括如下步骤：在地表河流与矿区边界之间布设止水帷幕查治勘探线，止水帷幕查治勘探线穿过待治理矿区内的地下空区；在止水帷幕查治勘探线上探查钻孔施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆封堵，形成帷幕墙注浆段，帷幕墙注浆段与实体地层段共同构成止水帷幕墙。

进一步地，在布设止水帷幕查治勘探线之前，还包括如下步骤：

在待治理矿区内沿河流流向等间距布置多条物探线，根据物探解译结果识别地下空区以及富水异常区的空间分布特征。

进一步地，止水帷幕查治勘探线穿过富水异常区。

进一步地，对未揭露空区的探查钻孔进行注浆，充填地下实体地层段发育的岩体裂隙。

进一步地，对未揭露空区的探查钻孔进行注浆时，在浆液内加入水泥质量3％的速凝剂；采用由稀浆到稠浆的注浆工艺，钻孔初次注浆浓度水灰比0.9:1-0.8:1，二次注浆采用0.8:1-0.7:1。

进一步地，在止水帷幕勘探线的两侧，围绕揭露空区的探查钻孔加密施工投料钻孔，投料钻孔用于精确探查地下空区的空间分布范围以及向地下空区灌注粗骨料速凝混凝土。

进一步地，平行于止水帷幕勘探线布置多条投料线，投料线上等间距施工投料钻孔，且每一条投料线上两端的钻孔未揭露地下空区。

进一步地，止水帷幕查治勘探线的两侧分别布设第一投料线和第二投料线，第一投料线、第二投料线与止水帷幕查治勘探线之间的垂直距离均为2m，投料线上的投料钻孔密度为4m。

进一步地，先向第一投料线、第二投料线上的投料钻孔灌注粗骨料速凝混凝土，以快速构建稳定的帷幕阻隔体；再向揭露空区的探查钻孔带压灌注水泥-水玻璃双浆液，将两侧的粗骨料帷幕阻隔体挤密。

进一步地，采空区的高度≥4m，采空区底板倾角为20°-45°。

进一步地，第一投料钻孔正对的老空区底板具有第一深度，第二投料钻孔正对的老空区底板具有第二深度，第一深度小于第二深度；注浆时，先通过第二投料钻孔向低处空区灌注粗骨料速凝混凝土，形成第一帷幕阻隔体；随后，再通过第一投料钻孔向高处空区灌注粗骨料速凝混凝土，形成第二帷幕阻隔体；最后，再在第一帷幕阻隔体和第一帷幕阻隔体之间的探查钻孔带压灌注水泥-水玻璃双浆液。

进一步地，在对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆前，开展水文示踪试验，基于水文示踪试验精准确定重点封堵的过水通道以及估算所需泥浆量。

进一步地，在加密的投料钻孔中选取一或多个投料钻孔作为临时水文观测孔，完成监测任务后，对临时水文观测孔与其他投料钻孔进行投料注浆封堵；在加密投料线的外侧施工永久水文观测孔，久水文观测孔不注浆封堵，在水幕墙建设完成后仍作为水文监测用。

进一步地，估算所需泥浆用量的规则为：

若示踪剂浓度降低30％以内，所需泥浆用量为3-4V；

若示踪剂浓度降低30％-60％，所需泥浆用量为2-3V；

若示踪剂浓度降低60％-80％，所需泥浆用量为1.2-2V；

若示踪剂浓度降低超过80％，所需泥浆用量为1-1.2V；

其中，V是指注满单一探查钻孔的泥浆与泥浆渗透量之和。

进一步地，完成止水帷幕墙构建后，还包括步骤：

施工复查钻孔检查止水帷幕墙的堵水效果，并对堵水效果不理想的位置进行补充封堵。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，采用突水通道探查治理一体化技术，不再刻意寻找所有的过水通道，直接在地表河流与矿区边界间施工地下止水帷幕，以治代查，查治一体化施工，大幅节约工程成本，而且解决了地下空区地质信息难以精确获取、注浆过程控制难度大、采空区注浆帷幕体外部积水威胁大的问题。

b)本发明提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，先施工探查钻孔，根据探查钻孔揭露空区情况合理布置勘探线上的加密钻孔或勘探线两侧的投料钻孔；利用探查钻孔精确探查地下空区的水文地质条件、范围、类型及积水情况，根据探查钻孔的探查结果确定地下空区空隙度，据此估算充填浆液填料类型及数量。此外，投料钻孔通过揭露地下空区的空间大小，设计灌注速凝骨料，通过合理控制，能够形成完整性好、强度高及低渗透性的堵水帷幕体。

c)本发明提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，注浆之前在揭露空区的探查钻孔中选取一部分钻孔作为水文临时监测孔，根据地下水位变化分析注浆堵水效果，以指导关键注浆孔群的设计和施工；同时监测孔实时反馈的注浆过程中浆液扩散范围进行监测，通过反馈的浆液扩散范围信息调整注浆参数，控制浆液扩散范围。

d)本发明提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，对帷幕墙探查钻孔、投料钻孔、复查钻孔的孔径参数差异化设计，并根据是否揭露空区采取不同的注浆工艺，在保证阻隔效果的同时，提升了施工效率，并降低了施工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法的流程图；

图2为本发明的止水帷幕查治勘探线、投料线的平面布设示意图；

图3为本发明的止水帷幕查治勘探线与两侧投料线的平面放大图；

图4为本发明的临时水文观测孔、永久水文观测孔的平面布置示意图；

图5为本发明的具有水平底板老空区的三排钻孔注浆剖面图；

图6为本发明的具有大倾斜角度底板老空区的三排钻孔注浆剖面图。

附图标记：

1-地表河流；2-矿区边界；3-富水异常区；4-止水帷幕查治勘探线；5-投料线；6-未揭露空区的探查钻孔；7-揭露空区的探查钻孔；8-投料钻孔；801-第一投料钻孔；802-第二投料钻孔；9-临时水文观测孔；10-永久水观测文孔；11-老空区。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，操作流程如图1所示，包括如下步骤：

在地表河流与矿区边界之间布设止水帷幕查治勘探线，止水帷幕查治勘探线穿过待治理矿区内的地下空区；

在止水帷幕查治勘探线上探查钻孔施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆封堵，形成帷幕墙注浆段，帷幕墙注浆段与实体地层段共同构成止水帷幕墙。

具体而言，本实施例的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法包括如下步骤：

S1.利用物探手段探查待治理矿区内的地下空区以及富水异常区3的空间分布特征。

矿井附近煤炭开采历史悠久，可能存在多期、多类型的地下空区，难以通过地表调查和常规技术手段难以准确查清其规模、形态、埋深等重要信息。如何钻探确判识地下空区类型、充填情况、形态分布及水文地质条件，是注浆截流工程成败的关键所在，也是工程难度最大的地方。

本步骤中，在待治理矿区内等间距布置多条地球物理勘探线(简称“物探线”)，探查待治理矿区地下空区的地质信息，其中，地下空区的地质信息包括地下空区的水文地质条件、范围及类型等特征，地下空区的类型包括采空区、废弃老巷以及由于煤矿开采在地下岩层间形成的离层空间。物探线位于河流与矿区边界2围成的区域内，物探线可以大致平行于河流流向布置，整体上沿河流流向布置，具体结合地势起伏，划定以河流为边界到矿区排水点之间平面为物理勘探区，区内布设三条地球物理勘探线，根据物探解译结果识别地下空区以及富水异常区3的空间分布特征，富水异常区3包括富水的废弃老巷、采空区以及离层空间，并根据富水程度将富水异常区3划分为强富水区、弱富水区。

本实施例的一个可选实施方式，采用瞬变电磁法和高密度直流电法对待治理矿区进行勘探，每个勘探点间距10m。通过采用瞬变电磁法与高密度直流电法相结合的勘探方式，能够利用不同方法进行相互验证、互为补充，以提高勘探精度。

S2.基于待治理矿区内的空区以及富水异常区3的平面分布，在地表河流1与矿区边界2之间布设止水帷幕查治勘探线4，止水帷幕查治勘探线4穿过待治理矿区内的空区及富水异常区3。

当煤层开采后，矿井巷道或者采空区会积存矿井水，而且由于覆岩原岩应力的破坏导致各地层不一致的沉降变形，在地下岩层间形成离层空间，在负压作用下，覆岩含水层大量水资源向离层空区积聚，储存在离层空间内。因此，对于临近河流的矿区，矿区水源为临近的河流以及空区内赋存的离层水或矿井水，步骤S1中物探查明的富水异常区3包括富水的废弃老巷、采空区以及离层空间。因此，止水帷幕查治勘探线4布置在地表河流1与矿区边界2之间，且尽量大致平行于河流的主体流向布置，如果有矿区边界限制，可以靠近矿区边界2布置，如图2所示。

可选的，止水帷幕查治勘探线4在尽量较短的情况下，尽量多的穿过强富水区、弱富水区，后期通过注浆形成帷幕墙，帷幕墙能够将强富水区、弱富水区充填封堵，或者，将强富水区、弱富水区分隔为两部分，以减少矿区水源的数量及此类水源的供水能力。

可选的，止水帷幕查治勘探线4在强富水区、弱富水区的窄处穿过，以降低注浆封堵的施工难度。

步骤S3：按照布设的止水帷幕查治勘探线4进行探查钻孔施工，在止水帷幕查治勘探线4上探查钻孔的施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔7内进行注浆封堵，形成帷幕墙注浆段，止水帷幕查治勘探线4上的帷幕墙注浆段与相邻的实体地层段共同构成止水帷幕墙。

按照布设的止水帷幕查治勘探线4进行探查钻孔施工，探查钻孔用于地下空区的水文地质条件、范围及类型(采空区或废弃老巷)的精确探查，以确定地下空区及废弃老巷位置、充填程度及积水情况。根据探查结果确定地下空区空隙度，据此估算浆液(填料)类型及数量。

根据从地下采取的岩芯判断探查钻孔是否钻遇空区，将揭露空区探查钻孔和未揭露空区的探查钻孔6进行记录，在探查钻孔施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔7进行注浆封堵，浆液注入空区后封堵地下空区内的过水通道，形成的帷幕墙注浆段与相邻的实体地层段共同构成止水帷幕墙。

由于未揭露空区的探查钻孔，该钻孔地下岩体为实体，实体岩层本身就具有较好的隔水效果，在未揭露空区探查钻孔一定范围内，无需注浆，可以节省施工成本。然而，考虑到地下实体地层段，尤其受采煤影响会发育裂隙，存在漏渗情况，因此为了提升止水帷幕墙的隔水性能，在一个可选实施方式中，对未揭露空区的探查钻孔6进行注浆，将止水帷幕查治勘探线4上的地下实体地层段发育的岩体裂隙进行充填，将实体地层段发育的岩体裂隙进行充填，能够进一步增强实体岩体段的阻隔效果，以保证止水帷幕墙的隔水性能。

由于地下空区的空间范围大，通过向一排投料钻孔注浆难以迅速完成整个空区的注浆封堵，并且在水量大的情况下，难以快速完成注浆封堵，影响帷幕墙的成型，从而影响过水通道的封堵效果。本实施例的一个可选实施方式，围绕揭露空区的探查钻孔7加密施工投料钻孔8，以精确探查地下空区的空间分布范围，获得采空区的平面分布范围以及竖直方向发育深度。基于精确确定的地下空区范围及空间特征参数，一方面可以较为准确的估算注浆用量，避免浆液过多导致资源浪费、成本增加，还能避免因浆液不足影响帷幕墙建造，无法有效阻隔过水通道；另一方面，只需在已确定的地下空区范围内的钻孔进行注浆，通过多个注浆钻孔能够在地下空区准确快速地建成稳固、阻隔性好的帷幕墙，有效阻隔过水通道。

具体而言，对于止水帷幕查治勘探线4上揭露空区的探查钻孔7，止水帷幕勘探线上揭露空区的探查钻孔7的两侧布置至少一排投料钻孔8，增加的每一排投料钻孔8平行止水帷幕勘探线布置，同一排投料钻孔8密度为4m，相邻两排投料钻孔8的垂直间距为2m。当钻孔钻遇煤层或未揭露空区后，停止加密钻孔继续施工，空区界限位于该未揭露空区的加密钻孔与相邻揭露空区的加密钻孔之间，逐渐加密钻孔直至准确确定地下空区范围，从而准确圈定过水通道所在范围通过精准探查地下空区边界尤其富水区边界对提高帷幕墙施工效率、帷幕墙的阻隔效果以及精准控制注浆量具有重要意义。

通过对多排加密投料钻孔8注浆，可以快速完成空区注浆封堵过水通道，并提升止水帷幕墙的隔水性能，但考虑到施工成本以及时间，若将全部揭露空区的钻孔中均注浆，则遇到大范围空区时，需要的浆液量非常大，导致成本高昂，因此在保证水幕墙的隔水效果前提下，尽量减少注浆钻孔数量，对降低成本以及提高施工效率至关重要。本实施例的一个可选实施方式，如图3至图6所示，在止水帷幕查治勘探线4已经揭露空区的钻孔两侧分别平行布设一排止水帷幕查治投料钻孔8，成排的投料钻孔8形成投料线5，止水帷幕查治勘探线4距其两侧的投料线5的垂直距离均为2m，也就是说，止水帷幕查治勘探线4作为基准线，位于中间，其两侧分别布设平行的第一投料线和第二投料线，第一投料线、第二投料线与止水帷幕查治勘探线4之间的垂直距离均为2m，孔位呈梅花状布置。

根据《矿山帷幕注浆规范》(DZ/T 0285-2015)中非可溶岩地层注浆帷幕厚度不小于5m。由于浆液在岩体中的渗透范围在1m左右，通过设置一条止水帷幕查治勘探线4、两条加密的投料线5，且两条投料线5距离查治勘探线的间距均为2m，能够使得注浆范围大于6m，也即本实施例的帷幕墙厚度可达6m以上，满足阻隔要求的止水帷幕墙的最小阻隔厚度要求。

在实际施工过程中，由于钻孔间距较小容易相互影响，且投放骨料需要一定的强度增长时间，所以将施工队伍分为若干个作业小组，作业小组命名为勘查一班、勘查二班、投料一班、投料二班、水文观测班等，对止水帷幕查治勘探线4进行分段施工、跳孔施工，保证邻间两施工钻机相距大于5m，以避免相互影响。通过采用分段、跳孔的施工方式，有助于提高施工效率，降低施工难度。

本实施例的一个可选实施方式，止水帷幕查治勘探线4划分为2-4段进行分段施工，同时考虑地下水渗流路径，分段施工时，每一施工段均从上游开始施工，到下游段完成合拢。

示例性的，将止水帷幕查治勘探线4分为两段，勘查一班先由上游向下游完成第一段勘探线上钻孔施工，随后继续进行第二段勘探线上钻孔施工，当勘查一班完成第一段勘探线施工后，统计并记录第一段勘探线上探查钻孔的揭露地下空区情况，勘查二班对第一段勘探线上揭露空区范围内进行加密钻孔施工，同时，投料一班从上游向下游对第一段勘探线上已揭露空区的探查钻孔7(含加密的投料钻孔8)进行注浆，形成第一帷幕墙注浆段。勘查二班完成对第一段勘探线上揭露空区范围的加密钻孔施工后，对第二段勘探线上揭露空区范围内进行加密的投料钻孔8施工。当投料一班完成第一段勘探线上所有注浆钻孔注浆施工后或者在注浆施工过程中，投料二班从上游向下游开始对第二段勘探线上已揭露空区的探查钻孔7(含加密的投料钻孔8)内进行注浆，直至完成第二段勘探线上所有揭露空区的钻孔注浆，形成第二帷幕墙注浆段，其中，第一帷幕墙注浆段和第二帷幕墙注浆段均包括实体地层段以及由浆液凝固成的墙体段，第一帷幕墙注浆段、第二帷幕墙注浆段共同构成整条止水帷幕墙。采用分段施工的方式，大幅提升了施工效率，缩短了工期。

本实施例中，止水帷幕查治勘探线4可以为直线，也可以为折线，另外，与止水帷幕查治勘探线4平行加密的投料线5并不特指严格几何意义上的两条直线平行，止水帷幕查治勘探线4、两条投料线5之间可以大致平行，除去勘探线两端点的钻孔，相邻两条勘探线不交叉。

本实施例的一个可选实施方式，在实施例1的步骤S3之后，还包括如下步骤S4：检查止水帷幕墙的堵水效果，并对堵水效果不理想的位置进行补充封堵。

在其中一个可选实施方式中，通过对比施工前后矿井涌水量评估帷幕墙的堵水效果，根据施工前后的矿井涌水量数据，评估帷幕墙堵水效果。具体而言，每日观测帷幕体两侧水文观测孔水位数据，必要时可以进行抽水试验验证帷幕体两侧含水层间是否存在水力联系，是否存在局部或大面积绕流。定时观测矿井排水点涌水量，对比过去三年同时段内涌水量随时间变化情况，分析帷幕体的截水率与止水效果。进一步地，观测河流对岸地下水水位，分析施工前后地下水流向，论证帷幕体的存在会不会影响地下水的流场分布情况，新流场分布规律，预测矿井涌水量以及划定应该重点进行水文监测的区域。更进一步地，还可以利用数值建模结合实际水文地质条件参数，开展帷幕体本身的稳定性及防渗性分析，辅助评估帷幕墙的堵水效果。

本实施例的一个可选实施方式，止水帷幕墙构建完成后，经过一段时间凝固，形成稳定的止水帷幕墙，在空区范围内注浆钻孔之间的区域范围内施工复查钻孔，根据复查钻孔取出的岩芯情况检验注浆效果，从而实现止水帷幕墙的堵水效果的检查。对取出的岩芯进行观察，重点观察混凝土墙体与空区顶壁之间的关系。若混凝土顶板与空区顶壁贴合为一体，则表明帷幕墙将过水通道成功封堵；若混凝土顶板与空区顶壁之间不贴合，二者端面的形状不同，表明混凝土顶板与空区顶壁之间有空隙，过水通道未完全封堵，通过检验孔进行注浆再次补浆封堵，从而保证帷幕墙的封堵阻隔效果。

在其中一个可选实施方式中，采用水泥单液浆进行补浆封堵，可在帷幕注浆薄弱区内充分扩散，增强帷幕体强度和抗渗性能。

与现有技术相比，本实施例提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法至少可实现如下有益效果之一：

1、采用突水通道探查治理一体化技术，不再刻意寻找所有的过水通道，直接在地表河流与矿区边界间施工地下止水帷幕，以治代查，查治一体化施工，大幅节约工程成本，而且解决了地下空区地质信息难以精确获取、注浆过程控制难度大、采空区注浆帷幕体外部积水威胁大的问题。

2、先施工探查钻孔，根据探查钻孔揭露空区情况合理布置勘探线上的加密钻孔或勘探线两侧的投料钻孔，其中，利用探查钻孔能够精确探查地下空区的水文地质条件、范围、类型及积水情况，根据探查结果确定地下空区空隙度，据此估算充填浆液填料类型及数量。

3、投料钻孔通过揭露地下空区的空间大小，设计灌注速凝骨料，通过合理控制，能够形成完整性好、强度高及低渗透性的堵水帷幕体。

实施例2

本发明的又一具体实施例，公开了一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，在实施例1的基础上进行改进，具体而言，在实施例1的步骤S3中，在对已揭露空区的探查钻孔7内进行注浆前，开展水文示踪试验，基于水文示踪试验精准确定重点封堵的过水通道以及估算所需泥浆量。

在对已揭露空区的探查钻孔7内注浆之前，在拟建的注浆堵水帷幕探查钻孔探查到老空或老巷时，在加密的投料钻孔8中选取一或多个投料钻孔8作为临时水文观测孔9，完成监测任务后，对临时水文观测孔9与其他投料钻孔8进行投料注浆封堵，在加密投料线5的外侧施工永久水文观测孔10，永久水文观测孔10的孔深为当前勘查深度，久水文观测孔不注浆封堵，在水幕墙建设完成后，仍作为水文监测用，具体的，后期通过压注水试验判断帷幕墙围堵效果，在临时水文观测孔9已经封堵完毕，待帷幕墙固化稳定后，通过永久水文观测孔10再次进行示踪试验，以评估止水帷幕的防渗性能及阻隔效果。

具体而言，勘探孔内投放稳定性好且不污染地下水的示踪剂，以消除对地下水的污染，在临时及永久观测孔同时取水样并测定示踪剂浓度，绘制浓度等值线图，能够根据两侧浓度变化差值，确定封堵泥浆的用量，若示踪剂浓度变化差值大，则说明过水通道的宽度小，地下空区的空间小；若示踪剂浓度变化差值小，则说明过水通道的宽度大，地下空区的空间大，需要更多的封堵浆液。

特别注意的是，选择的示踪剂具有不污染地下水及土壤、易于现场识别或检测、在水中存在稳定、多种示踪剂不起化学反应且原材料易于获取等特点。

在一个可选实施方式中，确定封堵泥浆的用量的规则为：注满探查钻孔的泥浆与泥浆渗透量之和为单一钻孔的标准注浆量V；若示踪剂浓度降低30％以内，所需泥浆用量为3-4V；若示踪剂浓度降低30％-60％，所需泥浆用量为2-3V；若示踪剂浓度降低60％-80％，所需泥浆用量为1.2-2V；若示踪剂浓度降低超过80％，所需泥浆用量为1-1.2V。通过精确计算浆液的用量，避免因浆液不足影响帷幕墙的围堵效果，以及浆液过多导致资源浪费，从而保证了帷幕墙的成功率，显著降低了成本。

勘查孔施工过程中，分层采集水样，监测水位信息。对采集的水样进行室内化学成分分析，并与河流水质对比，采用模糊识别法确定各含水层可能的水源，进而进一步精确圈定过水通道。基于查明的各含水层的水源以及圈定的过水通道，有针对性地进行分层治理、分层施工。

本实施例的一个可选实施方式，基于临时水文监测孔内的水位变化情况判断地下空区范围。具体的，对于岩芯连续且完整度较好的钻孔，通过孔内注水法，观测水位变化情况，以判断地下空区范围。若注水体积与孔内水位成正比关系，且水位上升较快，则判定空区范围较小，采用速凝水泥浆液注浆封堵，形成强度后继续向下钻探至设计深度。

对于岩芯破碎、掉钻且浆液大量漏失的钻孔，停止钻探，启动投料钻孔8施工。此时，在探查钻孔中选取部分探查钻孔做抽水试验，选取一部分投料钻孔8作为临时水文观测孔9，后期进行投料注浆。根据抽水量与水位降深关系，测算水力学参数，随着抽水体积增加，而两个临时水文观测孔9水位急速下降，可判定为此地下空区水源补给少，疑为采空塌陷区或废旧巷道等有限的储水单元。随着抽水体积增加，两个临时水文观测孔9水位基本稳定，可判定此地下空区水源补给足。进一步地，在加密投料线5的外侧施工永久水文观测孔10，投料线5的外侧是指投料线5远离止水帷幕查治勘探线4方向的一侧，投料钻孔8投料在地下形成帷幕墙后，永久水文观测孔10位于帷幕墙的两侧，如图4所示，永久水文监测孔的孔深为当前勘查深度，多组观测数据辅助确定需要重点治理的区段，两侧投料钻孔8投入粗骨料，以快速构建水下临时粗骨料帷幕阻隔体，随后在投料钻孔内带压注入C35速凝混凝土，形成强度且稳定的粗骨料帷幕阻隔体后，居中的探查钻孔做抽水试验，同时观测永久水文观测孔10降深变化，若无变化，说明封堵效果较好，可以继续施工。向探查钻孔带压注入水玻璃-水泥浆液将两侧粗骨料帷幕阻隔体挤密。凝固后继续钻探施工至设计孔深。本施工方案将勘查投料治理合为一体，有利于加快施工进度，大大缩短工期。

后期检验止水帷幕防渗能力时，永久水文观测孔10仍可以发挥作用，施工过程中应注意保护永久水文观测孔10不被破坏。

与现有技术相比，本实施例提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，在注浆之前在拟建的注浆堵水帷幕探查钻孔探查到老空或老巷时选取一部分钻孔作为水文临时监测孔，通过注浆期间以及注浆工程完成后，采取简易单孔、群孔或多孔的压水、注水试验获取不同地点的地下水位变化，根据地下水位变化分析注浆堵水效果，并指导关键注浆孔群的设计和施工。同时监测孔实时反馈的注浆过程中浆液扩散范围进行监测，通过反馈的浆液扩散范围信息调整注浆参数，控制浆液扩散范围。注浆工程实施期间，开展钻探及水文地质试验相结合的注浆效果综合监测工作，及时掌握注浆效果及加固区域动态演变特征，以指导注浆设计信息化调整。

实施例3

采空区帷幕注浆过程中，随着注浆体的不断堆积与升高，帷幕体外部采空区的积水会越来越多，水位越来越高。当积水水位较高、水压较大时，一方面可能冲击冲垮帷幕体，另一方面积水甚至可能冲毁矿井生产系统与外部采空区之间的闭墙，一旦闭墙被摧毁，大量的高处采空区的水会瞬间灌入煤矿，给矿井带来灾难性的后果。由于地下空区内存在地势起伏大、地层倾角大且地下水流流速快的不利因素，骨料和浆液的选择尤为关键。投放常规的碎石等硬骨料，需要的钻孔孔径较大，增加施工难度；投放后极易沿地层倾向流失，靶区内难以留存。

基于上述问题，本发明的又一具体实施例，公开了一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，具体公开了实施例1的中的注浆工艺，对帷幕墙探查钻孔、投料钻孔8、复查钻孔的孔径参数差异化设计，并根据是否揭露空区采取不同的注浆工艺，在保证阻隔效果的同时，提升了施工效率，并降低了施工成本，采用本实施例改进后注浆工艺的一体化治理方法，能够实现大空间采空区、倾角较大煤岩层矿区的有效治理，解决了采空区高度≥4m且采空区底板倾角20°-45°的采空区的水灾治理难题。

本实施例中，对探查钻孔、投料钻孔8、复查钻孔的孔径参数及施工工艺进行了如下差异化设计，具体如下：

(1)探查钻孔采用

和190mm牙轮钻头无芯钻进至基岩后，下入

护壁套管并用水泥浆固管，基岩段采用

钻头钻进至最底层煤底板以下2.0m并取芯。

(2)投料钻孔8采用

和245mm牙轮钻头无芯钻进至基岩后，下入

护壁套管并用水泥浆固管，基岩段采用

钻头钻进至采空区或巷道底板以下2.0m并取芯。

(3)复查钻孔采用

和190mm牙轮钻头无芯钻进至基岩后，下入

护壁套管并用水泥浆固管，基岩段采用

钻头钻进至投注混凝土顶板以下1.0m并取芯。

考虑到多层采空区以及复杂介质的赋水情况不明，为了防止浆液扩散导致施工成本高、难以快速凝固成稳定有效阻水的帷幕墙。本实施例中，进行帷幕体施工时，投料线5上的投料钻孔8灌注粗骨料速凝混凝土，按照设计要求，选用商业混凝土填注采空区，强度等级为C30，级配：一级配(5-20mm，最大粒径20mm)；勘探线上揭露空区的探查钻孔7灌注水泥-水玻璃双浆液，水泥-水玻璃双液浆和水泥单液浆配合使用作为注浆材料，双液浆凝胶时间短且可控，具备一定的抗冲刷能力，是主体注浆材料；水泥单液浆扩散性好、凝胶体强度高、与岩土体结合性好，是补充注浆材料。

对于揭露巷道及采空区的探查钻孔，在揭露空区范围内在勘探线两侧等间距2m增加一排投料钻孔，详细勘探空区范围，先在两排投料钻孔中灌注粗骨料速凝混凝土，以快速形成粗骨料帷幕阻隔体，再在两个帷幕阻隔体之间的查治勘探线上揭露空区的探查钻孔7灌注双浆液，对两侧的粗骨料帷幕阻隔体进行挤密，最终形成高强度的帷幕体。若探查出具有一个采空区，则查治勘探线的同一侧具有一条投料线，该条投料线的长度远远小于查治勘探线的长度，这一条投料线跨过这一采空区；若探查出多个采空区，查治勘探线的同一侧具有多条断开的投料线，以此减少钻孔施工数量，降低成本的同时，缩短工期。

进一步地，对于勘探线上未揭露空区的探查钻孔6(也即揭露实体煤岩层的钻孔)，进行双浆液注浆充填岩体裂隙，双液浆可沿实体煤岩层中的裂隙或薄弱区充分扩散充填，增强抗渗性能，从而进一步提升帷幕墙整体的阻隔防渗性能。

考虑到地下空区内存在地势起伏大、地层倾角大且地下水流流速快，投料后极易沿地层倾向流失，靶区内难以留存。不同空区甚至同一空区的底板存在地势起伏，空区底板的深度存在差异，空区底板的深度越大，所处空区的位置越低，空区底板的深度越小，所处空区的位置越高，浆液有由高处向地处流动的趋势。

本实例的一个可选实施方式，对于倾角较大的煤岩层，如倾角在20-45°左右的煤岩层，为确保揭露老巷道或采空区治理效果，采用分排、分序、先低处后高处的施工顺序，以保证帷幕墙的施工效果，而且能够同时可以降低工程造价。具体而言，如图6所示，老空区11的底板成大倾角倾斜，第一投料钻孔801正对的老空区11底板具有第一深度，第二投料钻孔802正对的老空区11底板具有第二深度，第一深度小于第二深度，第一投料钻孔801对应高处空区，第二投料钻孔802对应低处空区。注浆时，先通过第二投料钻孔802向低处空区灌注粗骨料速凝混凝土，终孔压力稳定后，形成一道挡墙，也即形成第一帷幕阻隔体，以防止浆液大范围扩散；随后，再通过第一投料钻孔801向高处空区灌注粗骨料速凝混凝土，终孔压力稳定后，形成又一道挡墙，也即形成第二帷幕阻隔体，待高处空区、低处空区内灌注的混凝土均形成具有一定强度的帷幕阻隔体后，再在两个帷幕阻隔体之间位置的探查钻孔7灌注双浆液，对两侧的帷幕体进行挤密，最终形成一道密实、高强度的地下防渗帷幕体。

进一步地，根据第一投料钻孔801与第二投料钻孔802之间水流的流动方向确定注浆顺序，示例性的，根据水文监测信息，确定第一投料钻孔801位于第二投料钻孔802的上游，则先向下游的第二投料钻孔802灌注粗骨料速凝混凝土，再向上游的第一投料钻孔801灌注粗骨料速凝混凝土，最后再在两个帷幕阻隔体之间位置的探查钻孔7灌注双浆液，对两侧的帷幕体进行挤密。此注浆顺序，先在下游形成阻隔体，能够防止上游注浆时浆液流失，有助于快速形成帷幕阻隔体。

对于具有水平底板老空区的注浆，如图5所示，第一投料钻孔801正对的老空区11底板的第一深度等于第二投料钻孔802正对的老空区11底板的第二深度，也根据第一投料钻孔801与第二投料钻孔802之间水流的流动方向确定注浆顺序，即先灌注下游投料钻孔，再灌注上游投料钻孔。

本实施例中，在注浆材料的选取上，注浆浆液为42.5硅酸盐水泥浆，其水灰比为0.8:1-0.6:1。当采用双液浆注浆时，应在浆液中掺加水泥质量3％的速凝剂(水玻璃)；当采用粗骨料混泥土通过投料钻孔或揭露空区的探查钻孔7充填地下空区时，选用商业混凝土填注采空区，混凝土由水泥、细沙、石子混合而成，为了增加堵水效果，添加水玻璃，混凝土强度等级为C30。在注浆压力及持续时间方面，钻孔注浆终压力不低于2MPa，持续时间不低于10分钟，可根据现场具体情况进行微调。

本实施例中，对于未揭露空区的探查钻孔6采用如下帷幕注浆工艺：

对未揭露空区的探查钻孔6采用孔口封闭纯压式注浆法向实体岩体中充填注浆，根据地层孔裂隙发育情况严格控制注浆流量以及注入速率。示例性的，在地层大量渗漏，裂隙较为发育地段，注入率为100-200L/min；对于一般地段，裂隙不发育地段，注入率为50-150L/min。为加快施工的目的，待压力起来后，用50-150L/min的注入率，达到设计终压条件。注浆压力按设计要求确定，在施工过程中，按孔口进浆管压力控制。在串浆孔或多孔并联注浆时，分别控制注浆压力。

在注浆过程中，对于实体孔的裂隙注浆，在浆液内加入水泥质量3％的速凝剂，如水玻璃，使注入裂隙的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液沿裂隙水流方向流失。注浆时采用由稀浆到稠浆的注浆工艺，具体的，钻孔初次注浆浓度水灰比0.9:1-0.8:1，二次注浆采用0.8:1-0.7:1。

若注浆过程中灌注量超过设计注浆量，孔口仍不起压力，采用间歇式注浆工艺，间歇时间控制在10-12h左右。间歇后再开始继续注浆，并且仍采用先从稀浆开始，然后逐步加稠的注浆工序，二次注浆为设计量的50％左右，直至孔口起压力，并达到预定压力。进行间歇注浆，停浆后灌入清水，把注浆管内的水泥浆液全部排空，灌入清水量为注浆管和孔内容量之和的3倍左右。

在其中一个可选实施方式中，对于未揭露采空区的探查钻孔，采用阶段压差式注浆工艺，第一注浆阶段，以8-10Mpa的注浆压力，注浆1分钟，此注浆压力较大，可以适当扩展原有裂隙在岩层中的展布；随后进入第二注浆阶段，以2-4Mpa的注浆压力，注浆10分钟以上，钻孔注浆终压力为2MP。通过第一阶段较大压力注浆，能够使储层中原有裂隙扩展，随后立即注浆，将扩展后的裂隙充填，可以扩大注浆渗透范围，使得更大范围的岩体由浆液凝固成一个整体，从而提高了止水帷幕墙的稳固性。

本实施例中，地下空区填注粗骨料速凝混凝土(以下可简称“混凝土”)工艺，具体如下：

对于地层倾角大(20°-45°)的采空区，在商砼通过地面垂直钻孔进入到采空区后，落地的商砼会向深部方向流动，若不采用措施，粗骨料速凝混凝土的注浆量可能很大，因此必须采取商砼无效扩散控制措施。采取商砼灌注控制技术。本实施例的治理方法采取以下商砼灌注技术及商砼灌注控制技术向地下空区进行投料注浆，具体如下：

①粗骨料速凝混凝土灌注过程中，采用聚羧酸高性能减水剂减小商砼塌落度。

粗骨料速凝混凝土的塌落度表示混凝土的流动性强弱，塌落度越大，流动性越大，反之则反。粗骨料速凝混凝土开始灌注时塌落度应稍大一些，避免粗骨料速凝混凝土出现堵孔现象，随着混凝土灌注的进行，现场采用聚羧酸高性能减水剂降低塌落度，逐步减小混凝土的塌落度，直至将塌落度减少最低可灌值。

②商砼中添加速凝剂以加快混凝土凝固。

商砼中添加速凝剂后，其凝固时间会变短，因此可通过添加速凝剂的方法控制无效扩散。在施工现场从孔口直接添加，还可在现场添加至混凝土泵车内搅拌均匀后灌入钻孔中。现场速凝剂定为水玻璃，水玻璃属于不离析混凝土添加材料，性能效果好。

③商砼灌入时在孔口添加有机惰性材料或骨料材料，以减少混凝土的流动性。

为了减少混凝土的无效扩散，还可在混凝土灌入钻孔时，同步添加锯末等有机惰性材料，也可同步添加粉煤灰、砂子或米石等骨料中的一种或多种，添加的这些材料均能减少混凝土的流动性，同时可替代混凝土充填采空区空间。

④错开灌入商砼或其他材料

商砼灌入时若同步添加其他材料时容易发生堵孔，因此还可采用间歇错开灌入的方式将混凝土和有机惰性材料/骨料材料灌入投料钻孔。也就是说，灌入一定体积的混凝土后，接着灌入粉煤灰、砂子、黄土、锯末等充填材料，通过间隔错开充填材料减少混凝土在采空区的流动性。

⑤采用间歇式商砼灌入法

上一批次的混凝土灌入后，可以停止灌入，已灌入采空区的混凝土初步凝固1-4h左右有一定强度，其流动性变差，然后再灌入下一批次的混凝土。然后，再等凝一段时间，之后再灌入接续批次的混凝土，重复上述操作完成所有批次的混凝土灌注。采用间歇式灌入法，每批次混凝土的灌入量和等凝时间可视情况定，一般间隔至少12h。

⑥组合控制方法

以上骨料灌注控制措施①-⑤中的各项技术措施可以组合使用，如在减小混凝土塌落度的同时，可以在钻孔添加其他注浆材料，然后采用间歇式注浆法。

⑦多孔灌注方法

本方法灌注时几个钻孔可以同时灌注，分别灌注混凝土、水玻璃、粉煤灰、砂子等，所灌入的注浆材料在采空区混合，能够有效减少混凝土的自由扩散。

⑧分孔灌注方法

以上商砼控制措施集中在注浆灌注方式上，若控制效果不明显，灌注量仍然很大，则采取分孔控制措施，具体在采空区下游增加一排投料钻孔，专门灌注起阻挡作用的大颗粒砾料(粒径15-20mm)，其余上游钻孔按以上方法灌注，如灌注粗骨料速凝混凝土。

灌注前，在混凝土骨料内加入水泥质量3％的速凝剂(水玻璃)，使注入采空区的混凝土骨料尽快凝固，混凝土塌落度控制在150mm±30mm之间。采用间歇式混凝土灌注工艺，下次灌注前探查混凝土堆积高度，做好记录。注浆时注意观测混凝土的下灌速度和管内堵塞现象，记录注浆过程中发生的各种现象。最终投料钻孔8灌注粗骨料速凝混凝土的高度在采空区顶板以上2-3m范围，上部钻孔孔段内范围采用双液浆加压灌注工艺。

与现有技术相比，本实施例提供的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，对帷幕墙探查钻孔、投料钻孔、复查钻孔的孔径参数差异化设计，并根据是否揭露空区采取不同的注浆工艺，在保证阻隔效果的同时，提升了施工效率，并降低了施工成本，具体采用早强混凝土作为骨料，能够通过投料钻孔在动水、过水断面面积大的条件下快速堆积，形成初步阻水帷幕；在混凝土骨料形成初步帷幕阻隔体后，在两投料线中间的探查钻孔注入双液浆，在控制扩散范围的同时，起到充填空隙作用，提高了帷幕体的完整性，可以实现大采高采空区的精确注浆，通过控制注浆材料的无效扩散，来保证注浆量不会过大，从而节省注浆成本；后期检查帷幕体时，对于阻隔效果差的帷幕注浆薄弱区，采用水泥单液浆进行补充注浆，可在帷幕注浆薄弱区内充分扩散，增强帷幕体强度和抗渗性能。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，包括如下步骤：

在地表河流与矿区边界之间布设止水帷幕查治勘探线，止水帷幕查治勘探线穿过待治理矿区内的地下空区；

在止水帷幕查治勘探线上探查钻孔施工过程中，对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆封堵，形成帷幕墙注浆段，帷幕墙注浆段与实体地层段共同构成止水帷幕墙。

2.根据权利要求1所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，在布设止水帷幕查治勘探线之前，还包括如下步骤：

在待治理矿区内沿河流流向等间距布置多条物探线，根据物探解译结果识别地下空区以及富水异常区的空间分布特征。

3.根据权利要求1所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，止水帷幕查治勘探线穿过富水异常区。

4.根据权利要求1所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，对未揭露空区的探查钻孔进行注浆，充填地下实体地层段发育的岩体裂隙。

5.根据权利要求1所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，在止水帷幕勘探线的两侧，围绕揭露空区的探查钻孔加密施工投料钻孔，以备精确探查地下空区的空间分布范围以及向地下空区灌注粗骨料速凝混凝土。

6.根据权利要求5所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，平行于止水帷幕勘探线布置多条投料线，投料线上等间距施工投料钻孔，且每一条投料线上两端的钻孔未揭露地下空区。

7.根据权利要求6所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，止水帷幕查治勘探线的两侧分别布设第一投料线和第二投料线，第一投料线、第二投料线与止水帷幕查治勘探线之间的垂直距离均为2m，投料线上的投料钻孔密度为4m。

8.根据权利要求7所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，先向第一投料线、第二投料线上的投料钻孔灌注粗骨料速凝混凝土，以快速构建稳定的帷幕阻隔体；

再向揭露空区的探查钻孔带压灌注水泥-水玻璃双浆液，将两侧的粗骨料帷幕阻隔体挤密。

9.根据权利要求1所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，在对已揭露空区的探查钻孔内进行注浆前，开展水文示踪试验，基于水文示踪试验精准确定重点封堵的过水通道以及估算所需泥浆量。

10.根据权利要求9所述的临河煤矿老空区水害查治一体化治理方法，其特征在于，在加密的投料钻孔中选取一个或多个投料钻孔作为临时水文观测孔，完成监测任务后，对临时水文观测孔与其他投料钻孔进行投料注浆封堵；

在加密投料线的外侧施工永久水文观测孔，久水文观测孔不注浆封堵，在水幕墙建设完成后仍作为水文监测用。

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