CN114086955A - 一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用 - Google Patents

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李全生
张凯
郭俊廷
贺安民
段伟
杨明浩
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National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Shenhua Shendong Coal Group Co Ltd
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China Energy Investment Corp Ltd
National Institute of Clean and Low Carbon Energy
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    • E21C—MINING OR QUARRYING
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    • E21C41/16—Methods of underground mining; Layouts therefor
    • E21C41/18—Methods of underground mining; Layouts therefor for brown or hard coal

Abstract

本发明提供了一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。本发明方法提供了一种新的保水开采方法，针对浅埋高强度开采煤层，在不减少资源采出的基础上，通过对于覆岩破坏规律的研究，提出了一种先利用冻结法封堵再利用注浆法修复的保水开采方法。相较于直接进行注浆，本发明不但减少了在采动期间对含水层的破坏，而且还利用覆岩的自修复过程减少注浆量降低了成本，是一种适用于我国西部矿区的保水开采方法。

Description

一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用，属于煤炭开采领域。
背景技术
目前，保水开采目标是通过控制导水裂隙带发育高度，避免或减少开采对含水层的破坏。其中常用的是充填开采和部分开采，部分开采又包括限高开采、分层开采、条带开采和预留煤柱等。充填开采是一种置换型开采，煤炭采出后将其他材料充入开采空间，常用的有利用矸石、粉煤灰以及其他材料等制作成固态、膏体状或液态的材料，按照一定比例混合后对采空区进行充填，以降低覆岩破坏高度；部分开采则是通过减少煤炭采出量，保留一部分煤炭用于支撑开采空间，避免或降低覆岩破坏高度的一种资源损失型减损开采方法，常用降低采高、分层开采或是预留煤柱等方法降低开采对于覆岩的破坏程度。但充填或部分开采方法不适用于西部矿区实际开采要求。充填开采的充填量直接与减损效果成正比，西部矿区大范围充填成本巨大，小范围充填又很难达到控制效果，而部分开采又带来煤炭低采出率和低效率的问题，因此均难以适用西部保水开采。基于此，亟需探索出适用于西部矿区的保水开采方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种浅埋煤层的保水开采方法，通过对导水裂隙进行冻结封堵和注浆修复，在最大程度上减少开采对于含水层的破坏，在确保资源最大回收率的基础上，实现煤炭开采及水资源保护的协调发展。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：
S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；
S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；
S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S2包括：
2A获取地表裂缝的宽度及分布数据；
2B确定覆岩中导水裂缝位置；
2C划定封堵区域。
西部矿区多为浅埋煤层，煤炭开采时覆岩无法形成“三带”，导水裂隙带大多直接到达地表，对含水层造成极大破坏。研究表明，浅埋煤层开采时，覆岩受采动影响会出现“上行裂隙”与“下行裂隙”。“上行裂隙”是由采动后顶板垮落和离层下沉形成的自下而上发育的导水裂隙带，“下行裂隙”则是由隔水岩组下沉作用而产生的自上而下发育的拉伸裂隙。其中，“上行裂隙”和“下行裂隙”均在开采边界处较为集中且发育高度较大，这就导致二者容易导通进而破坏含水层。又因西部矿区松散层多为风积沙覆盖层，“下行裂隙”通常会连通松散层形成地表裂缝。由于是浅埋煤层导水裂缝通常与地表裂缝联通，因此将地表主裂缝位置视为导水裂隙位置。地表主裂缝的评判标准：长度大于100m或宽度大于20cm的地表裂缝通常为贯通裂缝，即被视为主裂缝。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S3包括：
3A在划定的封堵区域打冻结孔；
3B将冻结管送入冻结孔中，在冻结管中安装冻结器；
3C向冻结管中加入盐水，使盐水在冻结器附近冻结形成冻结壁。
根据本发明的优选实施方式，所述冻结孔的数量根据裂缝的长度和宽度确定，冻结管的冻结半径在5-10m，冻结管数量应确保地表主裂缝均在冻结范围内。
根据本发明的优选实施方式，所述冻结孔的底部位于含水层和隔水层之间。如果冻结孔的底部位于含水层可能会无法封堵导水裂隙，位于隔水层会降低封堵效率。
根据本发明的优选实施方式，所述冻结器安装在冻结管的底部，冻结管的管体需要填充隔温材料，隔温材料一般为聚苯乙烯泡沫塑料。
根据本发明的优选实施方式，冻结孔的深度位于含水层与隔水层之间，并且在冻结管的底部安装冻结器，对临近隔水层的含水层进行冻结，在最小消耗的基础上达到了最好的冻结效果，能够更高效地封堵导水裂隙。
根据本发明的优选实施方式，步骤3C中，向冻结管中加入浓度20％以上的盐水(氯化钙CaCl2溶液)，盐水在冻结管中流动，通过冻结器在冻结孔底部和附近使含水层冻结形成冻结壁，从而达到封堵导水裂隙的目的，防止含水层中的地下水渗透的采空区。
根据本发明的优选实施方式，步骤3C中的盐水为低温盐水，温度为-20～-30℃。
使用冻结法只能够临时封堵导水裂隙，为了防止解冻后导水裂隙再度渗流，应在冻结期对隔水层进行修复。
根据本发明的优选实施方式，所述步骤S4包括：
4A在冻结孔的基础上打注浆孔，注浆孔的底部位于隔水层；
4B将浆液注入到注浆孔中，进而进入到覆岩的导水裂隙中，实现对隔水层的导水裂隙的修复。
根据本发明的优选实施方式，注浆孔的孔径和冻结孔一样大。
根据本发明的优选实施方式，注浆孔的深度位于隔水层内，可将浆料注入到导水裂隙中，实现对隔水层的永久性修复，优选注浆孔的底部位于隔水层中部。
注浆液一般为水泥浆，根据地质条件也可加入水玻璃或粘土。
注浆量通过下式计算：
Q＝λπR2Hηβ/m
式中：Q--注入量m3；
R--浆液扩散半径m；
H--注浆段高m；
η--岩层裂隙率％；
β--注浆有效充填系数％；
m--结石率；
λ--注液损失系数。
根据本发明的优选实施方式，步骤S4中对工作边缘的导水裂隙进行修复。
在开采过程中，随着顶板的垮落，导水裂隙就会沿着工作面边缘向上发育。之后工作面不断向前推进，推进方向上会产生新的导水裂隙，但与此同时采空区内部的裂隙随着工作面的前移在不同程度上有所闭合，尤其是当工作面的推进速度足够快时，破断岩块与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合，恢复隔水层的隔水作用。
因此将覆岩裂隙分为工作面中部和工作面边缘两种类型，其中工作面边缘的导水裂隙在经过冻结之后需要及时使用注浆法修复，确保解冻后导水裂隙不会再次发生渗漏；工作面中部的导水裂隙则先经过冻结预防前期渗水，之后根据后续水位监测和工作面内的渗水量判断，当渗水量超过警戒阈值时，在渗水位置进行注浆修复。
根据本发明的一些实施方式，所述浅埋煤层的保水开采方法还包括如下步骤：
S1确定开采区域含水层、隔水层和覆岩结构数据。
根据本发明的优选实施方式，通过水文地质勘察确定开采区域的地质条件，确定开采区域含水层、隔水层和覆岩结构数据，具体包括含水层分布及补给、隔水层分布情况、覆岩结构及岩性等数据。
根据本发明的一些实施方式，所述浅埋煤层的保水开采方法还包括如下步骤：
S5通过监测地表水位和采空区的漏水情况检验保水成果。
修复完隔水层后，为防止修复区域存在遗漏，或是修复过程不完善，需要对修复结果进行监测，主要的监测手法为地表水位监测和采空区漏水监测。
地表水位监测主要用到水位管和水位检测仪，在地表打孔至含水层区域，将水位管放入钻孔内，然后将水位检测仪的测头从水位管往下放，在测头接触水面后就会发送信号，在水位管内不同深度安装测头，即可实现地下水位的实时监测。采空区漏水监测则是通过预置在采空区内部的传感器来监测采空区是否渗水。
若监测结果显示含水层水位在持续下降，则需要根据漏水位置对隔水层进行二次修复，直到确保隔水层修复完全。
根据本发明的另一个方面，提供了一种上述方法在在煤炭开采尤其是西部矿区煤炭开采中的应用。
本发明方法提供了一种新的保水开采方法，针对浅埋高强度开采煤层，在不减少资源采出的基础上，通过对于覆岩破坏规律的研究，提出了一种先利用冻结法封堵再利用注浆法修复的保水开采方法。相较于直接进行注浆，本发明不但减少了在采动期间对含水层的破坏，而且还利用覆岩的自修复过程减少注浆量降低了成本，是一种适用于我国西部矿区的保水开采方法。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方式的浅埋煤层保水开采方法的实施示意图；
图2示出了根据本发明一个实施方式的浅埋煤层保水开采方法检验保水成果的监测装置的安装示意图；
附图标记说明：1、含水层；2、隔水层；3、煤层；4、下行裂隙；5、导水裂隙带；6、冻结孔；7、注浆孔；8、地表水位监测装置；9、传感器。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
如无特殊说明，本发明中所涉及的操作和处理方法属于本领域常规方法。
如无特殊说明，本发明中所采用的仪器为本领域常规仪器。
实施例1
本实施例应用于神东矿区的某一浅埋高强度开采工作面。
1)通过水文地质勘查确定开采区域的地质条件，主要探测含水层分布及补给状况、隔水层分布情况、覆岩结构及岩性等。
2)随工作面推进，地表会因采动影响产生地裂缝，对地裂缝数据进行采集，获取地裂缝的宽度及分布情况，选取下行裂隙4导通的地表主裂缝，并以此确定覆岩导水裂隙带5的位置，位于主裂缝上方。
3)在已经确定的导水裂隙带位置打5个冻结孔6，位置沿裂缝分布，冻结孔的底部应在含水层与隔水层之间。
4)将冻结管送入冻结孔中，冻结管末端安装冻结器，冻结管的管体需要填充隔温材料，隔温材料为聚苯乙烯泡沫塑料。
5)将-20～-30℃的低温盐水通入冻结管中，低温盐水在冻结器中流动，使冻结孔底部及其附近含水层冻结形成冻结壁，进而达到封堵导水裂隙的目的。
6)对于工作边缘导水裂隙，在冻结孔的基础上打注浆孔7，注浆孔的孔深要到达隔水层内部，然后通过钻孔将水泥浆和水玻璃浆的1：1混合液注入到覆岩的导水裂隙中，实现隔水层的永久性修复。
7)对于工作中部导水裂隙，根据后续水位监测和工作面内的渗水量判断，工作面中部不需要注浆。
8)在地表打孔至含水层区域，将水位管8放入钻孔内，水位管内不同深度安装有测头，测头接触水面后就会发送信号。
9)在采空区内部安装传感器9监测采空区是否渗水。
10)根据地表水位监测和采空区漏水监测了解到的隔水层修复程度，判断修复效果良好，不需要二次修复。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：
S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；
S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；
S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
2A获取地表裂缝的宽度及分布数据；
2B确定覆岩中导水裂缝位置；
2C划定封堵区域。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
3A在划定的封堵区域打冻结孔；
3B将冻结管送入冻结孔中，在冻结管中安装冻结器；
3C向冻结管中加入盐水，使盐水在冻结器附近冻结形成冻结壁。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述冻结孔的数量根据裂缝的长度和宽度确定；和/或，所述冻结孔的底部位于含水层和隔水层之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述冻结器安装在冻结管的底部，冻结管的管体使用隔温材料。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
4A在冻结孔的基础上打注浆孔，注浆孔的底部位于隔水层；
4B将浆液注入到注浆孔中，进而进入到覆岩的导水裂隙中，实现对隔水层的导水裂隙的修复。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4中对工作面边缘的导水裂隙进行修复。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S1确定开采区域含水层、隔水层和覆岩结构数据。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
S5通过监测地表水位和采空区的漏水情况检验保水成果。
10.权利要求1-9中任一项所述的方法在煤炭开采尤其是西部矿区煤炭开采中的应用。
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