CN114109492B - 一种煤矿双层地下水库的建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿双层地下水库的建造方法，包括如下步骤：S1：获得各岩层的地质数据、基本物理力学参数和煤层的特征；S2：确定出煤层间距、上层采空区的边界、下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度；S3：确定煤层开采方式；S4：按照步骤S3确定的煤层开采方式进行煤层回采，建造成上层地下水库和安装好上层管道，建造成下层地下水库和安装好下层管道；S5：将上层管道与下层管道连接形成煤矿双层地下水库。本发明公开的煤矿双层地下水库的建造方法，实现将上层地下水库与下层地下水库构建成双层地下水库，增加了储水能力，解决了煤层群垂直空间内多个采空区地下水库的建设问题，拓宽了煤矿地下水库的适用条件。
Description
技术领域
本发明涉及地下水库技术领域，尤其涉及一种煤矿双层地下水库的建造方法。
背景技术
针对西部矿区煤矿地下水库保护利用水资源理论与技术，国内许多学者已经开展了诸多研究。申请号为201210256979.X的专利文献公开了一种分布式地下水库及其建造方法。申请号为201210134162.5的专利文献公开了一种矿井地下水的分布式利用方法。申请号为201210133605.9的专利文献公开了一种矿井地下水的分布式存储方法。
目前针对煤矿地下水库的研究，主要适用于单煤层的煤矿地下水库建设或者上下层煤层的地下水库分采区布置，单层的地下水库的存在库容不足的缺陷。
有鉴于此，提供一种煤矿双层地下水库的建造方法成为必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种煤矿双层地下水库的建造方法。
本发明技术方案提供一种煤矿双层地下水库的建造方法，包括如下步骤：
S1：对开采区的地层进行勘查和物理力学性质测试，获得各岩层的地质数据、基本物理力学参数和煤层的特征；
S2：确定出上层煤层与下层煤层之间的煤层间距；
确定出回采完所述上层煤层后形成的上层采空区的边界；
确定出回采完下层煤层后形成的下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度；
S3：根据所述导水裂隙带的高度及所述煤层间距确定煤层开采方式；
如所述煤层间距小于所述导水裂隙带的高度，则选择下行开采，先回采所述上层煤层再回采所述下层煤层；
如所述煤层间距大于所述导水裂隙带的高度，则选择上行开采，先回采所述下层煤层再回采所述上层煤层；
S4：按照步骤S3确定的煤层开采方式进行煤层回采；
在回采完所述上层煤层后，建造上层人工坝体封闭所述上层采空区以形成上层地下水库，并在所述上层人工坝体上安装上层管道；
在回采完所述下层煤层后，建造下层人工坝体封闭所述下层采空区以形成下层地下水库，并在所述下层人工坝体上安装下层管道；
S5：将所述上层管道与所述下层管道通过连接管道连接形成煤矿双层地下水库。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S4中还包括：
当选择上行开采时，则在回采所述上层煤层的过程中，从所述上层煤层的煤层底板向下方的所述层间岩层打多个疏水钻孔。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S4中还包括：
在回采所述下层煤层时，从下层煤层巷道中向层间岩层中打多个注浆钻孔，向所述注浆钻孔中注浆以封闭所述层间岩层的边界。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S4中还包括：
所述下层煤层的下层煤柱坝体采用内错布置，所述下层煤柱坝体处于所述上层采空区的边界范围内；
所述上层煤层的上层煤柱坝体采用外错布置，所述上层煤柱坝体处于所述下层采空区的边界范围外。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S1中还包括：
采前对所述开采区中的整个煤岩层进行地质勘查，钻取全岩岩芯，绘制全岩柱状图；
对所述全岩岩芯进行物理力学性质测试，获得各岩层的应力应变曲线和基本物理力学参数，包括：密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、单轴抗压强度、三轴峰值强度。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S2中还包括：
通过相似模拟实验的方式确定出所述上层采空区的边界、所述下层采空区的边界和所述层间岩层的所述导水裂隙带的高度。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S4中还包括：
在所述上层煤层开采完后，采用物探方法和钻探方法获得上覆岩层的导水裂隙的分布状态；
在所述下层煤层开采完后，采用物探方法和钻探方法获得所述层间岩层的导水裂隙的分布状态。
在其中一项可选技术方案中，所述物探方法包括瞬变电磁法、高密度电法和矿井直流电法。
在其中一项可选技术方案中，所述钻探方法包括钻孔-窥视仪观测法。
在其中一项可选技术方案中，所述步骤S4中还包括：
在所述上层地下水库和所述下层地下水库中分别安装有水泵；
在所述上层管道和所述下层管道中分别安装有电动阀；
所述步骤S5中还包括：在矿井外建控制系统，将所述水泵和所述电动阀与所述控制系统连接，通过所述控制系统来控制所述水泵和所述电动阀的开关，以调度所述上层地下水库和所述下层地下水库中的水。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的煤矿双层地下水库的建造方法，实现将上层地下水库与下层地下水库构建成双层地下水库，可以使矿井水从上层地下水库通过层间岩层的裂隙渗流到下层地下水库，避免了煤矿地下水库需要一定的水流角度的问题。层间岩层的裂隙、上层采空区及下层采空区共同组成了双层地下水库，增加了储水能力，解决了煤层群垂直空间内多个采空区地下水库的建设问题，拓宽了煤矿地下水库的适用条件，具有广阔的应用前景和重要意义。
附图说明
参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1为本发明一实施例提供的煤矿双层地下水库的建造方法的流程图；
图2为发明一实施例提供的煤矿双层地下水库，其中，煤层间距小于层间岩层的导水裂隙带的高度；
图3为发明一实施例提供的煤矿双层地下水库，其中，煤层间距大于层间岩层的导水裂隙带的高度；
图4为上层地下水库的俯视图；
图5为下层地下水库的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-5所示，本发明一实施例提供的一种煤矿双层地下水库的建造方法，包括如下步骤：
S1：对开采区的地层进行勘查和物理力学性质测试，获得各岩层的地质数据、基本物理力学参数和煤层的特征。
S2：确定出上层煤层1与下层煤层2之间的煤层间距。
确定出回采完上层煤层1后形成的上层采空区的边界。
确定出回采完下层煤层2后形成的下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度。
S3：根据导水裂隙带的高度及煤层间距确定煤层开采方式。
如煤层间距小于导水裂隙带的高度，则选择下行开采，先回采上层煤层1再回采下层煤层2。
如煤层间距大于导水裂隙带的高度，则选择上行开采，先回采下层煤层2再回采上层煤层1。
S4：按照步骤S3确定的煤层开采方式进行煤层回采。
在回采完上层煤层1后，建造上层人工坝体12封闭上层采空区以形成上层地下水库，并在上层人工坝体12上安装上层管道5。
在回采完下层煤层2后，建造下层人工坝体23封闭下层采空区以形成下层地下水库，并在下层人工坝体23上安装下层管道6。
S5：将上层管道5与下层管道6通过连接管道7连接形成煤矿双层地下水库。
本发明提供的煤矿双层地下水库的建造方法，可以将上下两层采空区建造成大型的双层地下水库。
该煤矿双层地下水库的建造方法的施工方法如下：
第一步：在开采前，通过物探和钻探的方式，对开采区的地层进行勘查和物理力学性质测试，以获得各岩层的地质数据、基本物理力学参数和煤层的特征。
具体为：采前对开采区中的整个煤岩层进行地质勘查，钻取全岩岩芯，绘制全岩柱状图。
对全岩岩芯进行物理力学性质测试，获得各岩层的应力应变曲线和基本物理力学参数，包括：密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、单轴抗压强度、三轴峰值强度。
第二步：根据第一步获得的数据、特征、参数等，通过计算和相似模拟实验的方式，确定出上层煤层1与下层煤层2之间的煤层间距、回采完上层煤层1后形成的上层采空区的边界、回采完下层煤层2后形成的下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度。
层间岩层为处于上层煤层1与下层煤层2之间的岩层。导水裂隙带为层间岩层的垮落带和裂隙。
第三步：根据导水裂隙带的高度及煤层间距确定煤层开采方式。
如上层煤层1与下层煤层2之间的煤层间距小，则垮落带和裂隙的高度可能会比煤层间距大，此时应采用下行开采，避免先开采下层煤层2时因导水裂隙带的发育使得上层煤层1向下层煤层2的采空区中跨落。下行开采指的是多煤层开采条件下，首先开采埋深较浅的煤层，也即是先回采上层煤层1再回采下层煤层2。
如上层煤层1与下层煤层2之间的煤层间距大，则垮落带和裂隙的高度会比煤层间距小，此时应采用上行开采。上行开采指的是多煤层开采条件下，首先开采埋深较深的煤层，然后依次开采较浅的煤层，也即是先回采下层煤层2再回采上层煤层1。在开采下层煤层2时，因上层煤层1没开采，没有形成采空区，顶部的水少，减少了下层煤层2开采时的突水事故的发生。
第四步：按照步骤S3确定的煤层开采方式进行煤层回采，包括：
在回采完上层煤层1后，在上层煤柱坝体11之间建造上层人工坝体12，从而封闭上层采空区，建成上层地下水库。在上层人工坝体12上安装上层管道5，用于上层地下水库注排水。
在回采完下层煤层2后，在下层煤柱坝体21之间建造下层人工坝体23，从而封闭下层采空区，建成下层地下水库。在下层人工坝体23上安装下层管道6，用于下层地下水库注排水。
第五步：通过连接管道7将上层管道5与下层管道6连接，使得上层地下水库与下层地下水库联系到一起，建造成煤矿双层地下水库。上层地下水库中的矿井水可经层间岩层的裂隙向下层地下水库渗流，并起到净化作用。上层地下水库中的矿井水还可经上层管道5、连接管道7和下层管道6流入下层地下水库中。
由此，本发明提供的煤矿双层地下水库的建造方法，实现将上层地下水库与下层地下水库构建成双层地下水库，可以使矿井水从上层地下水库通过层间岩层的裂隙渗流到下层地下水库，矿井水也可通过管道流入下层地下水库，避免了煤矿地下水库需要一定的水流角度的问题。层间岩层的裂隙、上层采空区及下层采空区共同组成了双层地下水库，增加了储水能力，解决了煤层群垂直空间内多个采空区地下水库的建设问题，拓宽了煤矿地下水库的适用条件，具有广阔的应用前景和重要意义。
在其中一个实施例中，如图3所示，步骤S4中还包括：
当选择上行开采时，则在回采上层煤层1的过程中，从上层煤层1的煤层底板向下方的层间岩层打多个疏水钻孔3。
此时，因煤层间距大，在回采下层煤层2时，层间岩层的中上部受扰动少，裂隙少。因此，在回采上层煤层1的过程中，从上层煤层1的煤层底板向下方的层间岩层打多个疏水钻孔3，以与导水裂隙带连通，利于上层地下水库中的矿井水通过层间岩层的疏水钻孔3、裂隙等渗流到下层地下水库中。
在其中一个实施例中，如图2-3所示，步骤S4中还包括：
在回采下层煤层2时，从下层煤层巷道22中向层间岩层中打多个注浆钻孔4，向注浆钻孔4中注浆以封闭层间岩层的边界，以防止下层采空区中的水从竖向裂隙渗出进入下层煤层巷道22中。
从下层采空区的边界(下层煤层巷道22)向层间岩层打注浆钻孔4，向注浆钻孔4中注浆，以从下至上对层间岩层边界的裂缝进行注浆封堵，主要用于防止水体流入下层煤层巷道22。在对层间岩层边界的裂缝封堵后，对注浆钻孔4也进行封堵。
在其中一个实施例中，步骤S4中还包括：
下层煤层2的下层煤柱坝体21采用内错布置，下层煤柱坝体21处于上层采空区的边界范围内。
上层煤层1的上层煤柱坝体11采用外错布置，上层煤柱坝体11处于下层采空区的边界范围外。
采用下行开采，在上层煤层1开采结束后，回采下层煤层2时，下层煤柱坝体21应该采用内错布置，下层煤柱坝体21处于上层采空区的边界范围内，减少下层煤柱坝体21的顶部应力。
下层煤层2回采后，层间岩层的导水裂隙的水平边界垂直投影位于上层地下水库的边界范围内，利于上层地下水库中的水经导水裂隙向下渗流。
采用上行开采时，在下层煤层2开采结束后，回采上层煤层1时，上层煤柱坝体11应该采用外错布置，使得上层煤柱坝体11处于下层采空区的边界范围外，确保上层煤柱坝体11不会压在下层采空区上，利于结构稳定。上层煤柱坝体11位于层间岩层的导水裂隙的水平边界垂直投影的外部，从而可确保后续建造成的上层地下水库中的水能够经导水裂隙向下渗流
在其中一个实施例中，步骤S2中还包括：
通过相似模拟实验的方式确定出上层采空区的边界、下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度。
本实施例中，通过在实验进行相似模拟实验，以模拟出上层采空区的边界、下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度，然后通过相似比放大，即可获得实际的上层采空区的边界、下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度。
在其中一个实施例中，步骤S4中还包括：
在上层煤层1开采完后，采用物探方法和钻探方法获得上覆岩层的导水裂隙的分布状态，以获得上覆岩层的渗流路径。
在下层煤层2开采完后，采用物探方法和钻探方法获得层间岩层的导水裂隙的分布状态，以获得层间岩层的渗流路径。
在其中一个实施例中，物探方法包括瞬变电磁法、高密度电法和矿井直流电法。物探方法指的是地球物理勘探方法，其包括瞬变电磁法、高密度电法、矿井直流电法等方法。
在其中一个实施例中，钻探方法包括钻孔-窥视仪观测法。钻探方法指的是煤层开采时在巷道中布置钻孔，通过钻孔窥视仪观测采煤工作面回采时岩层裂隙演化规律。
在其中一个实施例中，步骤S4中还包括：
在上层地下水库和下层地下水库中分别安装有水泵8。在上层管道5和下层管道6中分别安装有电动阀9。
步骤S5中还包括：在矿井外建控制系统，将水泵8和电动阀9与控制系统连接，通过控制系统来控制水泵8和电动阀9的开关，以调度上层地下水库和下层地下水库中的水。
当上层地下水库中的水过多，而裂隙渗流量小时，可选择开启水泵8和电动阀9，向下层地下水库中输水。
当下层地下水库中的水需要重复过滤时，可选择开启水泵8和电动阀9，将下层地下水库中的水输送到上层地下水库中，再经层间岩层的裂隙渗流，可实现对矿井水的重复过滤。
综上所述，本发明提供的煤矿双层地下水库的建造方法，实现将上层地下水库与下层地下水库构建成双层地下水库，可以使矿井水从上层地下水库通过层间岩层的裂隙渗流到下层地下水库，避免了煤矿地下水库需要一定的水流角度的问题。层间岩层的裂隙、上层采空区及下层采空区共同组成了双层地下水库，增加了储水能力，解决了煤层群垂直空间内多个采空区地下水库的建设问题，拓宽了煤矿地下水库的适用条件，具有广阔的应用前景和重要意义。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对开采区的地层进行勘查和物理力学性质测试，获得各岩层的地质数据、基本物理力学参数和煤层的特征；
S2：确定出上层煤层与下层煤层之间的煤层间距；
确定出回采完所述上层煤层后形成的上层采空区的边界；
确定出回采完下层煤层后形成的下层采空区的边界和层间岩层的导水裂隙带的高度；
S3：根据所述导水裂隙带的高度及所述煤层间距确定煤层开采方式；
如所述煤层间距小于所述导水裂隙带的高度，则选择下行开采，先回采所述上层煤层再回采所述下层煤层；
如所述煤层间距大于所述导水裂隙带的高度，则选择上行开采，先回采所述下层煤层再回采所述上层煤层；
S4：按照步骤S3确定的煤层开采方式进行煤层回采，其中，所述下层煤层的下层煤柱坝体采用内错布置，所述下层煤柱坝体处于所述上层采空区的边界范围内；所述上层煤层的上层煤柱坝体采用外错布置，所述上层煤柱坝体处于所述下层采空区的边界范围外；
在回采完所述上层煤层后，建造上层人工坝体封闭所述上层采空区以形成上层地下水库，并在所述上层人工坝体上安装上层管道；
在回采完所述下层煤层后，建造下层人工坝体封闭所述下层采空区以形成下层地下水库，并在所述下层人工坝体上安装下层管道；
在所述上层地下水库和所述下层地下水库中分别安装有水泵；
在所述上层管道和所述下层管道中分别安装有电动阀；
S5：将所述上层管道与所述下层管道通过连接管道连接形成煤矿双层地下水库；
在矿井外建控制系统，将所述水泵和所述电动阀与所述控制系统连接，通过所述控制系统来控制所述水泵和所述电动阀的开关，以调度所述上层地下水库和所述下层地下水库中的水；
当所述上层地下水库中的水过多，而裂隙渗流量小时，选择开启所述水泵和所述电动阀，向所述下层地下水库中输水；
当所述下层地下水库中的水需要重复过滤时，选择开启所述水泵和所述电动阀，将所述下层地下水库中的水输送到所述上层地下水库中，再经层间岩层的裂隙渗流，实现对矿井水的重复过滤。
2.根据权利要求1所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括：
当选择上行开采时，则在回采所述上层煤层的过程中，从所述上层煤层的煤层底板向下方的所述层间岩层打多个疏水钻孔。
3.根据权利要求1所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括：
在回采所述下层煤层时，从下层煤层巷道中向层间岩层中打多个注浆钻孔，向所述注浆钻孔中注浆以封闭所述层间岩层的边界。
4.根据权利要求1所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：
采前对所述开采区中的整个煤岩层进行地质勘查，钻取全岩岩芯，绘制全岩柱状图；
对所述全岩岩芯进行物理力学性质测试，获得各岩层的应力应变曲线和基本物理力学参数，包括：密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、单轴抗压强度、三轴峰值强度。
5.根据权利要求1所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：
通过相似模拟实验的方式确定出所述上层采空区的边界、所述下层采空区的边界和所述层间岩层的所述导水裂隙带的高度。
6.根据权利要求1所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括：
在所述上层煤层开采完后，采用物探方法和钻探方法获得上覆岩层的导水裂隙的分布状态；
在所述下层煤层开采完后，采用物探方法和钻探方法获得所述层间岩层的导水裂隙的分布状态。
7.根据权利要求6所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述物探方法包括瞬变电磁法、高密度电法和矿井直流电法。
8.根据权利要求6所述的煤矿双层地下水库的建造方法，其特征在于，所述钻探方法包括钻孔-窥视仪观测法。
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