CN114087019B - 一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，采用多种地球物理勘探法、钻孔单位涌水量及基于沉积控水规律的含水层富水性预测方法，联合确定富水异常区，根据富水异常区的确定和地下水流向的流向，来设计定向长钻孔主孔，提高了煤层开采顶板含水层富水性预测结果可靠性，为顶板疏放水钻孔布置提供可靠依据，同时本发明在富水性异常区圈定成果与导水裂隙带高度判定成果的基础上，通过地下水流向流速的测定与地下水流场的模拟，在垂直地下水流向的方向沿导水裂隙带顺层布置定向长钻孔，在富水异常区开分支孔疏放富水异常区顶板水，减少钻孔数量，降低煤矿防治水费用。

Description

一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法

技术领域

本发明涉及煤矿防治水领域，具体为一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法。

背景技术

近些年，西部生产矿井涌水量逐年增加，与勘探阶段预计的涌水量相差甚远，且区域煤层顶板上覆巨厚砂岩孔隙裂隙含水层，富水性极不均一，能否科学开展顶板水害防治工作是矿井安全、高效开采的重要因素，具有重要的经济意义与显著的社会意义。

目前，顶板水害防治的手段有煤炭资源开采前疏放(超前疏放)、注浆改造含水层、帷幕注浆、充填开采或者限制采高等，其中，超前疏放是应用最广泛、最普遍的一种顶板水害防治方法，但随着煤炭资源强度的增大，开采深度的增加，复杂水文地质条件下煤层顶板水害面临巨大的挑战，传统的超前疏放存在如下问题：

(1)顶板疏放目标层位与疏放区域判别可靠性较差，影响顶板疏放钻孔布置，从而降低顶板疏放水效果。生产矿井目前根据地球物理勘探方法圈定富水异常区，地球物理勘探具有多解性，富水异常区可靠性较差，加之砂岩含水层具有非均质的特征，增加了富水性异常区圈定准确性，疏放钻孔布置依据不充分，降低了顶板疏放水效果。

(2)常规顶板疏放钻孔施工数量较多，钻探费用高，疏放效率较低。顶板含水层富水异常一般为空间面状，而常规的顶板疏放孔为点状，较难实现大面积的有效疏放，钻孔布设较多会增加钻探费用，增加煤矿防治水费用。

发明内容

针对现有技术中超前疏放存在疏放区域无法确定，从而导致疏放效率较低的问题，本发明提供一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，该方法有效的确定疏放区域，并提高了疏放效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，包括如下步骤：

步骤1，在开采区煤层的顶板巨厚砂岩含水层内确定地下水流向；

步骤2，在巨厚砂岩含水层内确定地下水流向后，确定顶板砂岩含水层富水异常区和煤层顶板覆岩中导水裂隙带顶界面；

步骤3，设计并施工定向长钻孔主孔疏放富水异常区顶板水；

步骤4，对富水异常区顶板水疏放效果进行检验。

优选的，步骤1中，确定地下水流向的方法为在煤层的顶板巨厚砂岩含水层内布置若干监测钻孔，并在若干监测钻孔内分别安置地下水流向流速仪，用于检测煤层开采区域地下水流向；地下水流向流速仪反馈流水流向信息，并采用地下水流数值模拟软件建立地下水流数值模型，模拟地下水流场，进行地下水流向的确定。

优选的，步骤2中，采用地球物理勘探方法、钻孔单位涌水量及含水层富水性预测方法确定煤层的顶板巨厚砂岩含水层富水异常区。

优选的，步骤2中，采用经验公式、数值模拟、物理模拟和现场实测的手段综合确定煤层顶板覆岩中导水裂隙带顶界面。

进一步的，所述经验公式通过施工定向钻的煤矿及其周边煤炭开采区导水裂隙带实测数据与煤层厚度的拟合计算得到。

优选的，步骤3中，根据地下水流向设计定向长钻孔主孔，在煤层开采工作面的顺槽中设置钻场，并在钻场内按照所设计的定向长钻孔主孔的轨迹沿着煤层顶板覆岩顺层施工，当定向长钻孔主孔施工至导水裂隙带顶界面内，根据富水异常区的形状进行定向长钻孔主孔的分支钻孔设置。

进一步的，在钻场内进行定向长钻孔主孔时，定向长钻孔主孔的倾角、方位角和孔深根据富水异常区与导水裂隙带顶界面的高度确定。

优选的，在钻场内进行定向长钻孔主孔时，定向长钻孔主孔的倾角、方位角和孔深根据富水异常区与导水裂隙带顶界面的高度确定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，采用多种地球物理勘探法、钻孔单位涌水量及基于沉积控水规律的含水层富水性预测方法，联合确定富水异常区，根据富水异常区的确定和地下水流向的流向，来设计定向长钻孔主孔，提高了煤层开采顶板含水层富水性预测结果可靠性，为顶板疏放水钻孔布置提供可靠依据，同时本发明在富水性异常区圈定成果与导水裂隙带高度判定成果的基础上，通过地下水流向流速的测定与地下水流场的模拟，在垂直地下水流向的方向沿导水裂隙带顺层布置定向长钻孔，在富水异常区开分支孔疏放富水异常区顶板水，减少钻孔数量，降低煤矿防治水费用。

进一步的，通过对地下水流向的确定采用在煤层开采区煤层的顶板巨厚砂岩含水层内布置若干监测钻孔，在若干监测钻孔内分别设置地下水流向流速仪，通过水流向流速仪，反馈流水流向信息，并采用地下水流数值模拟软件建立地下水流数值模型，模拟地下水流场，从而对地下水流向进行确定，提高了对地下水流向的监测效率，保证了监测结果的准确性。

进一步的，采用地球物理勘探方法、钻孔单位涌水量及含水层富水性预测方法确定富水异常区的方式，可以更加精准的确定富水异常区，从而提高了对富水异常区顶板水疏放的精确度和效率。

进一步的，采用拟合公式、数值模拟、物理模拟和现场实测的手段综合确定煤层顶板覆岩中导水裂隙带顶界面，为导水裂隙带顶界面范围内的富水异常区进行疏放提供了保障。

进一步的，在钻场内按照所设计的定向长钻孔主孔的轨迹沿着煤层顶板覆岩顺层施工，当定向长钻孔主孔施工至导水裂隙带顶界面内，根据富水异常区的形状进行定向长钻孔主孔的分支钻孔设置，可以充分的疏放顶板砂岩水。

附图说明

图1为本发明中巨厚非均质砂岩水害区域防治方法的流程图；

图2为本发明中地下水流向监测示意图；

图3为本发明中顶板定向长钻孔剖面布置图。

图中：1-钻场；2-煤层；3-煤层顶板覆岩；4-富水异常区；5-导水裂隙带顶界面；6-定向长钻孔主孔；7-第一定向长钻孔分支孔；8-第二定向长钻孔分支孔；9-地下水流向。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一个实施例中，提供一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，该方法有效的确定疏放区域，并提高了疏放效率。

具体的，该巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，包括如下步骤：

步骤1，在开采区煤层2的顶板巨厚砂岩含水层内确定地下水流向9；

步骤2，在巨厚砂岩含水层内确定地下水流向9后，确定顶板砂岩含水层富水异常区4和煤层顶板覆岩3中导水裂隙带顶界面5；

步骤3，设计并施工定向长钻孔主孔6疏放富水异常区顶板水；

步骤4，对富水异常区顶板水疏放效果进行检验；

步骤5，疏放水回收利用。

具体的，在步骤1中，确定地下水流向9的方法为在煤层2的顶板巨厚砂岩含水层内布置若干监测钻孔，并在若干监测钻孔内分别安置地下水流向流速仪，用于检测煤层开采区域地下水流向；地下水流向流速仪反馈流水流向信息，并采用地下水流数值模拟软件建立地下水流数值模型，模拟地下水流场，进行地下水流向的确定。

监测钻孔尽量均匀布置于煤层开采区，孔间距100～300m，垂向终孔位置为主要含水层底板，按照图2所示，将地下水流向流速仪放置于监测钻孔中，实时动态监测煤层开采区地下水流向，绘制地下水流场示意图。

地下水流向流速仪井下视频的分辨率高于200万像素，其中，地下水流向精确度+0.1～0.2°，地下水流速范围0.005～0.01μm/s，地下水水位0.003～0.01m，地下水水温0.05～0.1℃，探头尺寸长500～600mm、直径40～50mm，探头重量2.8～3.2kg(空气中)，电源需求80～265VAC，45～65Hz，成像系统为200～260mp，光源为LED光源且亮度可调，井下观测镜头焦距3.0～4.0mm，内置传感器有深度传感器和水温传感器，线缆的长度为300～500m，抗拉强度为30～50kg。

根据图2所示，地下水流向流速仪将流水流向信息反馈至地面监控终端，监控终端通过数据经云服务器分别传输至监控中心、远程管理和手机/移动终端进行监测分析。

步骤2中，采用地球物理勘探方法、钻孔单位涌水量及含水层富水性预测方法确定煤层2的顶板巨厚砂岩含水层富水异常区4。

首先通过开展地球物理勘探，探查砂岩含水层富水性，获得砂岩含水层富水异常分区图，地球物理勘探包括瞬变电磁、直流电法、核磁共振等。

然后收集煤炭开采区水文钻孔的抽水试验结果，得到砂岩含水层钻孔单位涌水量q，含水层富水性分区以钻孔单位涌水量q的大小划分为富水性弱(q≤0.1L/(s·m))、富水性中等(0.1L/(s·m)＜q≤1.0L/(s·m))、富水性强(1.0L/(s·m)＜q≤5.0L/(s·m))、富水性极强(q＞5.0L/(s·m))四个级别。

其次收集煤炭开采区测井相、钻孔资料等，识别主要含水层层序界面的主要标志层，通过绘制基准面旋回柱状图和层序对比剖面图，从而建立层序地层格架。结合层序地层格架划分成果，进行单孔沉积相与多孔沉积相分析，编制主要含水层的沉积微相展布图。

建立上述钻孔单位涌水量与沉积微相的对应关系，编制沉积富水性分区图，采用内插法构建砂岩含水层厚度、渗透率及孔隙度专题图，运用多源地学信息融合的方法将专题图与沉积富水性分区图叠加，获得煤层顶板砂岩含水层富水性分区预测图。

采用地理信息系统GIS软件将砂岩含水层富水异常分区图和煤层顶板砂岩含水层富水性分区预测图叠加，获得最终的砂岩含水层富水异常分区图。

步骤2中，采用经验公式、数值模拟、物理模拟和现场实测的手段综合确定煤层顶板覆岩3中导水裂隙带顶界面5；其中经验公式根据施工区域地质、采矿地质条件不同，经验公式不同，经验公式的参数有采高。

其中，经验公式通过施工定向钻的煤矿及其周边煤炭开采区导水裂隙带实测数据与煤层厚度的拟合计算得到。

步骤3中，根据图3所示，根据地下水流向9设计定向长钻孔主孔6，在煤层2开采工作面的顺槽中设置钻场1，并在钻场1内按照所设计的定向长钻孔主孔6的轨迹沿着煤层顶板覆岩3顺层施工，当定向长钻孔主孔6施工至导水裂隙带顶界面5内，根据富水异常区的形状进行定向长钻孔主孔6的分支钻孔设置。其中分支钻孔包括第一定向长钻孔分支孔7和第二定向长钻孔分支孔8。

其中，在钻场1内进行定向长钻孔主孔6时，定向长钻孔主孔6的倾角、方位角和孔深根据富水异常区4与导水裂隙带顶界面5的高度确定。

导水裂隙带顶界面5范围内的富水异常区4为疏放目标层位和目标区域，实际施工过程中，应根据前期施工钻孔的涌水量动态调整后续钻孔布置方式，孔内沉渣少。

本发明中定向长钻孔主孔6施工时尽量保持仰角施工，直径范围90～110mm。

具体的，步骤4中，对富水异常区顶板水疏放效果进行检验，采用地球物理勘探的方法再次进行富水异常区探查，对比疏放前后富水性的变化，顶板水疏放后富水异常区范围缩小70％以上；钻孔总出水量、水压保持稳定，变化幅度不高于2％；钻孔稳定总出水量与动态涌水量相差小于10％(72h)；疏放水总量–(计算动态涌水量×疏放水时间)＝实际静储量疏放量，实际静储量疏放量与计算静储量相差小于10％；根据条件相近矿井的经验预估疏放水时间，约2～3个月，具体所需时间根据试验确定。

具体的，步骤5中，回收利用顶板疏放水。一部分顶板疏放水用于井下生产，另一部分抽至地面用于绿化、生活等，实现水资源化利用。

实施例

某煤矿开采煤层2厚度6m，埋深350m，属近水平煤层，顶板砂岩厚度280m，煤层上覆延安组、直罗组、安定组含水层，富水性极不均一，矿井涌水量逐年增大，长壁采煤法综采工艺。该矿目前开采工作面走向长1500m，倾向长255m，该工作面回采前，采用以下步骤对该工作面顶板水进行了区域疏放，保障了安全回采，回收利用了疏放水，实现了矿井水资源化利用。

步骤一：确定地下水流向10的方向为东北向。在开采煤层2工作面地表布置地下水流向流速监测钻孔28个，孔间距100m，按照图2所示，实时动态监测地下水流向为东北向；采用visual modflow地下水流数值模拟软件，构建了地下水流场，根据地下水流场确定地下水流向为东北向，最终确定地下水流向为东北向。

地下水流向流速仪井下视频的分辨率为240万像素，地下水流向精确度+0.1°，地下水流速范围0.008μm/s，探头尺寸长550mm、直径45mm，探头重量2.8kg(空气中)，电源需求100VAC，55Hz，成像系统为200mp，光源为LED光源且亮度可调，井下观测镜头焦距3.5mm，内置传感器有深度传感器和水温传感器，线缆的长度为350m，抗拉强度为45kg。

步骤二：采用地球物理勘探方法、钻孔单位涌水量及含水层富水性预测等手段联合确定砂岩含水层富水性异常区4。

在煤炭开采区施工瞬变电磁、直流电法、核磁共振，分别得到富水异常区解译结果。

收集到区内8个水文孔的抽水资料，钻孔单位涌水量范围为0.02～1.3L/(s·m)，富水性为弱～强。

根据收集的测井相、钻孔资料，识别出主要含水层层序界面的主要标志层为直罗组七里镇砂岩，通过绘制基准面旋回柱状图和层序对比剖面图，从而建立研究区侏罗系层序地层格架，编制直罗组含水层沉积微相展布图。对照以上8个水文孔的钻孔单位涌水量大小，确定出沉积微相与富水性的对应关系为河道富水性强、河漫滩富水性中等、泛滥平原富水性弱，从而绘制沉积富水性分区图。收集区内直罗组含水层厚度、渗透率、孔隙度，采用surfer软件绘制等值线图，完成专题图，然后采用多源地学信息融合的方法将沉积富水性分区图与含水层厚度、渗透率、孔隙度专题图叠加得到含水层富水性分区预测图。

最后采用GIS软件将瞬变电磁、直流电法、核磁共振、富水性分区预测图叠加，获得最终的砂岩含水层富水异常分区图。

步骤三：确定顶板覆岩3中导水裂隙带发育高度6为172m。采用经验公式、数值模拟、物理模拟和现场实测的手段综合确定煤层开采顶板导水裂隙带发育高度。经验公式为:

H＝27.5M-0.98

其中，H为导水裂隙带发育高度，m；M-煤层采厚，m。

经验公式计算的导水裂隙带发育高度为164.02m，数值模拟、物理模拟和现场实测分别获得的导水裂隙带发育高度为172m、170m、168m，综合以上结果确定导水裂隙带发育高度为172m。

步骤四：设计、施工定向长钻孔疏放富水异常区顶板水。垂直步骤一确定的地下水流方向10设计定向长钻孔主孔7轨迹，在煤层2开采工作面的顺槽中设立钻场1在主要砂岩含水层中顺层进行，垂向上在导水裂隙带沟通富水异常区的高度开第一定向长钻孔分支孔7和第二定向长钻孔分支孔8，充分疏放顶板砂岩水。

定向长钻孔保持仰角施工，直径为98mm，倾角60°，方位角325°，孔深为煤层顶板以上172m，实际施工过程中，应根据前期施工钻孔的涌水量动态调整后续钻孔布置方式，孔内沉渣少。

步骤五：进行顶板水疏放效果检验。采用直流电法再次探查疏放水后的富水性，顶板水疏放后富水异常区范围缩小85％；钻孔总出水量、水压保持稳定，变化幅度1.2％；钻孔稳定总出水量与动态涌水量相差8％(72h)；实际静储量疏放量与计算静储量相差6％；疏放水时间约2个月。

步骤六：将顶板疏放水量全部回收利用，一部分顶板疏放水用于井下生产，另一部分抽至地面用于绿化、生活等，实现了水资源化利用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在开采区煤层（2）的顶板巨厚砂岩含水层内确定地下水流向（9）；

确定地下水流向（9）的方法为在煤层（2）的顶板巨厚砂岩含水层内布置若干监测钻孔，并在若干监测钻孔内分别安置地下水流向流速仪，用于检测煤层开采区域地下水流向；地下水流向流速仪反馈流水流向信息，并采用地下水流数值模拟软件建立地下水流数值模型，模拟地下水流场，进行地下水流向的确定；

步骤2，在巨厚砂岩含水层内确定地下水流向（9）后，确定顶板砂岩含水层富水异常区（4）和煤层顶板覆岩（3）中导水裂隙带顶界面（5）；

采用地球物理勘探方法、钻孔单位涌水量及含水层富水性预测方法确定煤层（2）的顶板巨厚砂岩含水层富水异常区（4）；

步骤3，设计并施工定向长钻孔主孔（6）疏放富水异常区顶板水；

根据地下水流向（9）设计定向长钻孔主孔（6），在煤层（2）开采工作面的顺槽中设置钻场（1），并在钻场（1）内按照所设计的定向长钻孔主孔（6）的轨迹沿着煤层顶板覆岩（3）顺层施工，当定向长钻孔主孔（6）施工至导水裂隙带顶界面（5）内，根据富水异常区的形状进行定向长钻孔主孔（6）的分支钻孔设置；

步骤4，对富水异常区顶板水疏放效果进行检验。

2.根据权利要求1所述的一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，其特征在于，步骤2中，采用经验公式、数值模拟、物理模拟和现场实测的手段综合确定煤层顶板覆岩（3）中导水裂隙带顶界面（5）。

3.根据权利要求2所述的一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，其特征在于，所述经验公式通过施工定向钻的煤矿及其周边煤炭开采区导水裂隙带实测数据与煤层厚度的拟合计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，其特征在于，在钻场（1）内进行定向长钻孔主孔（6）时，定向长钻孔主孔（6）的倾角、方位角和孔深根据富水异常区（4）与导水裂隙带顶界面（5）的高度确定。

5.根据权利要求1所述的一种巨厚非均质砂岩水害区域防治方法，其特征在于，所述导水裂隙带顶界面（5）范围内的富水异常区（4）为疏放目标层位和目标区域。