CN113356830B - 基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，利用硬岩层(关键层)离层发育、闭合存在一定的滞缓时间，依据关键层理论及岩层力学强度，找到离地表最近且有一定发育滞缓时间的一层或多层关键层，预先在关键层布置钻孔，并在孔内设置监测系统；当离层发育至该关键层下方时，监测系统自动识别，启动注浆泵，进行快速注浆，在该关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆，以阻隔向上传导的开采空间，以阻止采动对浅部岩层和浅地表水体的损伤，同时增加岩体结构强度，对浅地表岩层形成“保护圈”，预防浅地表水漏失和地表沉陷，保护地表生态水位，有利于西部生态脆弱区生态保护。
Description
技术领域
本发明涉及浅层生态水保护技术领域。具体地说是基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法。
背景技术
近年来，伴随着煤炭资源的长期持续高强度开采以及东部地区煤炭资源的日渐枯竭，西部地区逐渐成为我国煤炭资源的主产区，西部5省(自治区)内蒙古、山西、陕西、新疆、宁夏的煤炭资源总量占全国煤炭总量的78％。然而，西部地区气候干旱，植被覆盖度低，同时该区域也是水资源严重匮乏区域，水资源量仅占全国约3.9％。浅表水(地表水和第四系潜水)作为该地区植被的重要水源，易因煤炭开采而渗漏和水位下降，使当地脆弱的生态环境进一步恶化。例如，对陕北煤炭基地榆神府矿区2015年的统计结果表明，2015年区内泉数量相对1994年由2580个减少至376个；总流量从4997.0597L/s下降到996.392L/s，衰减了76％；水位降深＞15m和8～15m的区域面积分别超过300km2和350km2，其中70％以上的水位明显下降区是由高强度开采直接导致的。由于高强度开采会造成地表出现大裂缝或台阶状裂缝，导致地下水大量漏失，水位骤降，土壤持水保墒能力降低，引起区域性植被退化，尤其是依赖地下水的植被影响最为明显。据统计榆神府矿区在2000～2014年间植被覆盖度变差区域有383.1km2，其中有61.5％的变差区域是由煤层开采导致的。可见，西部资源开发与环境保护矛盾十分突出，解决开采保水(尤其是浅表水保护)问题是保障西部矿区长远可持续发展的基础。因此，在最大限度地提高煤炭资源采出率的同时，减少开采造成的地表水或地下潜水的漏失，即生态水位的保护开采问题，已成为我国西部生态脆弱地区亟待解决的典型难题。
生态水位是指维持生态系统结构、功能和生态过程所需的潜水水位埋深。生态水位的保护性开采理念是保护浅地表岩层结构，促进浅地表岩层结构的稳定性和生态水位埋深的稳定性。鉴于西北地区脆弱的生态环境和地表植被系统对地下水埋深的敏感性，在采煤条件下，控制地下水位的合理埋深，某种意义上就保护了生态系统，促进了矿区植被的正常发育生长。为了实现矿区水资源的保护性开采，国内外学者围绕岩层采动裂隙发育演化机理与规律、有效隔水层厚度的量化与评价、岩层控制技术与采动裂隙修复技术开展了大量的科学研究和现场实践工作。针对采动损伤和防护的方法，可以总结为源头的消减-传播路径的阻隔-受护对象的防护，如表1所示：
表1
但是，受研究对象复杂性、技术手段有限性等因素的影响，现阶段对岩层结构损伤机理、采动岩层时空演化规律与机制等理论研究还不够深入、细致；保水技术也存在技术成本过高、资源浪费严重、技术实效不佳等各种问题，导致实施的保水技术措施难于推广和应用，造成矿区水资源破坏常有发生，西部矿区生态环境破坏形势依然很严峻。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种从切断采动损伤的传播途径入手的基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，利用覆岩采动传导过程中硬岩层离层空间发育、闭合的滞缓时间的关键层理论，有效阻隔开采对浅地表岩(土)层结构的损伤，预防浅地表水漏失和地表沉陷，最大限度地降低煤炭开采对地表生态环境的扰动和破坏。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，包括如下步骤：
(1)利用关键层离层发育、闭合存在一定的滞缓时间，依据关键层理论及岩层力学强度，判识出离地表最近的一层或多层亚关键层；
(2)预先在亚关键层布置钻孔，并在孔内设置监测系统；
(3)当离层发育至该亚关键层下方时，监测系统自动识别，启动注浆泵，进行快速注浆，该亚关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，在步骤(1)中，开采空间从下往上以离层形式上传至地表，开采空间向上传播的过程中出现层间裂缝，即离层；针对裂缝损伤区域，划分为四个区域：中间断裂密实区、左翼离层断裂区、右翼离层断裂区和顶部离层区；顶部离层区的岩层存在一系列的又硬又厚的关键层；关键层指的是对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，根据上覆岩层中厚硬岩层对采场覆岩活动控制程度的不同，关键层分为主关键层和亚关键层，当上覆岩层存在为一层至数层即厚又硬的岩层，且对采场上覆岩层直至地表的全部岩层活动起主要控制作用时，则为主关键层；当只对采场上覆岩层局部岩层活动起到控制作用时，则为亚关键层；
过主关键层时滞缓时间比较长，过亚关键层时滞缓时间比较短；近地表的关键层为亚关键层，且近地表的亚关键层出现滞缓时间的频次会增加，但滞缓时间有所缩短。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，在空间尺度上，关键层能够阻断开采空间向上传播，控制岩层损伤范围；
在时间尺度上，关键层在开采空间向上传播的过程中存在滞缓效应；
即开采空间向上传播的过程中通过关键层时都会出现一定时间的滞缓。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，在矿井开采过程中，采用实时动态GPS测量方法开展小时间尺度的地表沉陷动态监测，捕捉地表沉陷速度跳跃前滞缓时间段，将这段时间作为关键层损伤的实测滞缓时间，修正关键层正理论模型，从而识别出离地表最浅的关键层区域。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，在步骤(2)中，在关键层区域预先布置钻孔，布置用于监测的传感器。
上述基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，在步骤(3)中，通过注浆，以阻隔开采空间进一步向上传播，避免开采对浅层岩层的损伤，防止井下开采对浅层水土的破坏，可以有效保护地面生态环境。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本申请对我国西部脆弱的生态环境和高强度的开采，试图从切断采动损伤的传播途径入手，通过进一步研究、探明西部生态脆弱区煤层高强度开采扰动下开采空间传导时间效应及机制，利用覆岩采动传导过程中硬岩层离层空间发育、闭合的滞缓时间，提出一种重点针对浅地表岩(土)层结构和生态水位保护的关键发育识别-快速注浆的新型技术。这种技术能够有效阻隔开采对浅地表岩(土)层结构的损伤，预防浅地表水漏失和地表沉陷，最大限度地降低煤炭开采对地表生态环境的扰动和破坏。
同时，由于注浆位置为浅部岩层，注浆深度较浅，极大减小注浆孔工程量，且注浆压力小，将有效提高治理效率、降低工程成本。
依据关键层理论及岩层力学强度，判识出离地表最浅的关键层，预先在关键层下方打好注浆钻，并布上传感器，当离层发育至该关键层下方时，传感器感知并启动注浆泵，利用关键层在开采空间向上传播的过程中的滞缓效应，在该关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆，从而阻隔开采空间进一步向上传播，避免了开采对浅层岩层的损伤，防止井下开采对浅层水土的破坏，可以有效保护地面生态环境。同时，由于注浆位置为浅部关键层，注浆深度较浅，极大减小注浆孔工程量，且注浆压力小，将有效提高治理效率。
利用硬岩层离层发育、闭合存在一定的滞缓时间，找到离地表最近且有一定关键层发育滞缓时间的一层或多层硬岩层，阻隔向上传导的开采空间，以阻隔采动对浅部岩层和浅地表水体的损伤，同时增加岩体结构强度，对浅地表岩层形成“保护圈”，预防浅地表水漏失和地表沉陷，保护地表生态水位，有利于西部生态脆弱区生态保护。
本申请的研究能够实现西部生态脆弱区煤炭资源高效开采与生态保护双赢，对于西部矿区实现绿色可持续发展、践行生态文明核心价值理念具有重要的现实意义。
附图说明
图1标准岩样试件的原始状态图；
图2模拟开挖宽度为60m的煤层，并进行支护图；
图3模拟开挖宽度为120m的煤层，并进行支护图；
图4模拟开挖宽度为180m的煤层，并进行支护图；
图5模拟开挖宽度为240m的煤层，并进行支护图；
图6模拟开挖宽度为300m的煤层，并进行支护图
图7移架和放顶90m图；
图8移架和放顶120m图；
图9移架和放顶150m图；
图10移架和放顶190m，出现关键层2；
图11移架和放顶190m，出现关键层3
图12移架和放顶190m，出现关键层4；
图13移架和放顶220m，出现关键层2-1；
图14移架和放顶250m，出现组合滞缓组：关键层组4-1和关键层组4-2；
图15移架和放顶250m，出现组合滞缓组：关键层组4-3；
图16移架和放顶250m，出现交错滞缓组：交错关键层组5-1；
图17移架和放顶250m，出现交错滞缓组：交错关键层组5-2；
图18移架和放顶250m，出现交错滞缓组：交错关键层组5-3；
图19移架和放顶250m，出现交错滞缓组：交错关键层组5-4；
图20移架和放顶300m；
图21图9的关键层1对应的岩层损坏沉降与滞缓时间的对应关系图；
图22图13的关键层4对应的岩层损坏沉降与滞缓时间的对应关系图。
具体实施方式
第一，利用关键层理论和岩层力学强度识别离地表最近的亚关键层
从西部矿区典型矿井，开采不同深度岩样，在实验室加工成标准岩样试件。
对岩样进行开采，通过非接触式摄影测量系统进行地表沉陷动态监测。
模拟煤层开挖和支护的过程，采用非接触式摄影测量系统捕捉煤层开采过程中覆岩移动，捕捉频次为0.01s。
第一阶段：开挖+支护阶段
如图1所示，为标准岩样试件的原始状态，下部黑色条带为模拟煤层。
如图2所示，模拟开挖宽度为60m的煤层，并进行支护。
如图3所示，模拟开挖宽度为120m的煤层，并进行支护。
如图4所示，模拟开挖宽度为180m的煤层，并进行支护。
如图5所示，模拟开挖宽度为240m的煤层，并进行支护。
如图6所示，模拟开挖宽度为300m的煤层，并进行支护。
第二阶段：移架和放顶阶段
如图7所示，移架+放顶90m：直接顶冒落。
如图8所示，移架+放顶120m：直接顶冒落，出现离层。
如图9所示，移架+放顶150m：老顶冒落、出现离层，出现关键层1。
如图10-图12所示，移架+放顶190m：覆岩向上依次垮落、离层，在开采空间向上传播过程中，出现关键层2、关键层3和关键层4。在时间上出现二次短暂的传播滞缓，最后停滞于关键层4。
在空间上形成四片覆岩损伤区域：中间断裂密实区、左翼离层断裂区、右翼离层断裂区和顶部离层区。
如图13所示，移架+放顶220m：覆岩局部出现垮落、离层，在开采空间向上传播过程中，在空间上，顶部离层区离层进一步发育，下山翼内形成“小四区”；在时间上，依旧停滞与关键层4，但下山翼局部出现离层向上传播，并最终停滞于“小四区”的关键层2-1。
开采空间从下往上传播途径上，出现关键层1、关键层2、关键层3和关键层4。在空间上，顶部离层区离层进一步发育，下山翼内形成亚关键层，即“小四区”中的关键层2-1。
如图14-图19所示，移架+放顶250m：覆岩移动不明显，开采空间向上传播不明显。形成了组合滞缓组(图14-图15)和交错滞缓组(图16-图19)。
组合滞缓组，如图14-图15：关键层组4-1、关键层组4-2和关键层组4-3。
交错滞缓组，如图16-图19：交错关键层组5-1、交错关键层组5-2、交错关键层组5-3、交错关键层组5-4、交错关键层组5-5
如图20所示，移架+放顶300m：覆岩出现较大范围损伤，覆岩经历垮落、裂缝、离层最终延伸至地表；开采空间向上传播过程中经历关键层组滞缓，交错关键层组滞缓，最终传至地表，形成地表沉陷盆地。近地表出现滞缓时间的频次会增加，但滞缓时间有所缩短。
关键层指的是对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层。
根据顶部离层区上方岩层的厚度和强度不同，关键层分为主关键层和亚关键层，当顶部离层区上方的岩层为一层至数层厚硬岩层，且厚硬岩层起主要的控制作用时，则为主关键层；当顶部离层区上方的岩层为一层至数层薄软岩层时，则为亚关键层；
过主关键层时滞缓时间比较长，过亚关键层时滞缓时间比较短；近地表的关键层为亚关键层，且近地表的亚关键层出现滞缓时间的频次会增加，但滞缓时间有所缩短。
4、通过对非接触式摄影测量设备得到的影像和数据进行分析，得到开采空间传递和地表沉陷滞缓时间的规律。
(1)、针对图9的关键层1，建立岩层损坏沉降与滞缓时间的对应关系图(图21)。其中，关键层1的滞缓时间达到20s。在岩层塌落的第25s-45s过程中，离层逐渐形成，即一个层的下落的位移增大，而上部下落的位移值偏小，进而形成了关键层1。
(2)、针对图13的关键层4，建立岩层损坏沉降与滞缓时间的对应关系图(图22)。关键层4的滞缓时间达到36s。在岩层塌落的第53s-90s过程中，存在下层和上层的位移差，形成了一个位移差的平台期，可以利用这个平台期，进行浅表层的注浆支护。
通过上述分析，从而得到：
在空间尺度上，关键层能够阻断开采空间向上传播，控制岩层损伤范围；
在时间尺度上，关键层在开采空间向上传播的过程中存在滞缓效应；
即开采空间向上传播的过程中通过关键层时都会出现一定时间的滞缓。
从而可以利用滞缓时间，在接近地表的浅层硬岩关键层进行阻挡，以阻隔煤层高强度开采传递至浅部岩层的横向发育空间，有效减小开采对浅部岩层的损伤，为矿区浅表水保护构筑最后一道屏障。
第二、预先在关键层四周布置钻孔，并设置监测系统。
在关键层区域预先布置钻孔，布置用于监测的传感器。
由于在接近地表的浅层进行布孔和设置相关监测设备，相比于传统的离层注浆深度大，注浆孔工程量大、工程成本高，浅表层的关键层注浆深度较浅，注浆孔工程量小，工程成本低。
第三、自动识别，利用关键层的滞缓时间效应，进行快速注浆，保护地表生态水。
通过监测系统对距离地表浅层的关键层进行自动识别，利用关键层的滞缓时间，进行快速注浆。在浅表关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆，从而阻隔开采空间进一步向上传播，避免了开采对浅层岩层的损伤，防止井下开采对浅层水土的破坏，可以有效保护地面生态环境。
由于注浆位置为浅部关键层，注浆深度较浅，极大减小注浆孔工程量，且注浆压力小，将有效提高治理效率。
关键层可以分为主关键层和亚关键层，通过观察表明：过主关键层时滞缓时间比较长，过亚关键层时滞缓时间比较短。近地表出现滞缓时间的频次会增加，但滞缓时间有所缩短。近地表的关键层为亚关键层。
由于近地表的关键层为亚关键层，滞缓时间短，因此需要进行提前布孔，然后进行快速注浆，才能实现注浆压力小、工程成本低、治理效率高的目的。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (3)
1.基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用关键层离层发育、闭合存在一定的滞缓时间，依据关键层理论及岩层力学强度，判识出离地表最近的一层或多层亚关键层；
(2)预先在亚关键层布置钻孔，并在孔内设置监测系统；
(3)当离层发育至该亚关键层下方时，监测系统自动识别，启动注浆泵，进行快速注浆，该亚关键层破断、弯曲前对离层空间注满浆；
在步骤(1)中，开采空间从下往上以离层形式上传至地表，开采空间向上传播的过程中出现层间裂缝，即离层；针对裂缝损伤区域，划分为四个区域：中间断裂密实区、左翼离层断裂区、右翼离层断裂区和顶部离层区；顶部离层区的岩层存在一系列的又硬又厚的关键层；关键层指的是对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层；
根据上覆岩层中厚硬岩层对采场覆岩活动控制程度的不同，关键层分为主关键层和亚关键层，当上覆岩层存在为一层至数层即厚又硬的岩层，且对采场上覆岩层直至地表的全部岩层活动起主要控制作用时，则为主关键层；当只对采场上覆岩层局部岩层活动起到控制作用时，则为亚关键层；
过主关键层时滞缓时间比较长，过亚关键层时滞缓时间比较短；近地表的关键层为亚关键层，且近地表的亚关键层出现滞缓时间的频次会增加，但滞缓时间有所缩短；
在空间尺度上，关键层能够阻断开采空间向上传播，控制岩层损伤范围；
在时间尺度上，关键层在开采空间向上传播的过程中存在滞缓效应；
即开采空间向上传播的过程中通过关键层时都会出现一定时间的滞缓；
在矿井开采过程中，采用实时动态GPS测量方法开展小时间尺度的地表沉陷动态监测，捕捉地表沉陷速度跳跃前滞缓时间段，将这段时间作为关键层损伤的实测滞缓时间，修正关键层正理论模型，从而识别出离地表最浅的关键层区域。
2.根据权利要求1所述的基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，其特征在于，在步骤(2)中，在关键层区域预先布置钻孔，布置用于监测的传感器。
3.根据权利要求1所述的基于开采空间关键层滞缓效应的浅表层生态水保护方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过注浆，以阻隔开采空间进一步向上传播，避免开采对浅层岩层的损伤，防止井下开采对浅层水土的破坏，可以有效保护地面生态环境。
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