CN114370250B - 基于地层勘探的采空区灾害治理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于地层勘探的采空区灾害治理方法，首先进行补充勘探以确定各地层的厚度、埋深、密度和力学参数，以及关键层位置、破断距、采后位置和垮落带岩层原始厚度。基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，然后计算基本顶理论下沉值，基于两者差值创造性的提出了采空区等效残余采高的概念，并基于条带开采理念认为采空区无需全区域处理，仅部分处理即可。创造性的结合关键层破断距和破断位置确定注浆区域位置以及注浆充填宽度，并给出了控制层的确定方式。基于此确定的注浆钻孔布置方案，可以减小钻孔施工量、注浆充填量，节约成本与时间。

Description

基于地层勘探的采空区灾害治理方法
技术领域
本发明涉及地质勘探与采空区灾害治理领域，具体为一种基于地层勘探的采空区灾害治理方法。
背景技术
煤矿井采空区是常见的矿井灾害，采用自地面施工的注浆钻孔向采空区内灌注充填性浆体是采空区灾害最常见的治理方式，但是现有技术中在注浆充填时注浆钻孔常常基于固定的间距布置于整个采空区，未考虑采空区内垮落岩石的状态，导致注浆钻孔施工量大，整个灾害处理的工程量大、效率低、费用高；可以预见的是，这种情况在面临较大采空区时问题会更加严重。此外，煤矿层开采过程中产生的煤矸石、火电厂燃煤发电产生的粉煤灰的堆积物会对地下水造成污染，扬尘会对空气造成污染，对这两种固体废弃物的处理也势在必行。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于采空区内不包含区段煤柱，尤其是采用沿空留巷方式回采后的采空区，包括如下步骤：
S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；位于边界煤柱上的补充勘探钻孔采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；
优选的，步骤S1中的力学试验还包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；
S2，位于采空区上方的补充勘探钻孔，终孔钻进至煤矿层的垮落带，并勘探出各关键层的标高位置，并对各关键层的倾向破断位置进行确定和校核；
优选的，步骤S2中，基于步骤S1确定的关键层原始位置、煤层厚度、垮落带特征，初步估算出各关键层在采空区上方的大体位置，当位于采空区上方的补充勘探钻孔钻进至各关键层上下处时采用取芯钻进工艺。
S3，将采空区内相邻关键层之间的间距与原始间距进行比较，若某两层相邻关键层在采空区内的间距大于原始间距，则在这两层相邻的关键层之间存在离层；
S4，拟合出沿采空区倾向的基本顶位置曲线，其中边界煤柱和采空区上部的基本顶标高分别为H1、H2，令C1＝H1-H2即可得采空区上部的基本顶实际下沉值；
S5，确定基本顶的理论下沉值C2；
可以通过物理模拟、数值模拟或者理论计算确定，作为优选的，本发明提出一种具有创造性的确定方法，具体的：将Salamon提出的垮落带破碎岩体受力与变形关系公式
Figure GDA0004139954200000021
转化为变形与受力关系公式
Figure GDA0004139954200000022
其中
Figure GDA0004139954200000023
Figure GDA0004139954200000024
据此确定垮落带破碎岩体的理论压缩量即其上位基本顶的理论下沉值为C2＝εHk，垮落带在垂直方向上的应变之和即为垮落带的累计压缩量，为简化计算此处C2由垮落带垂直方向中心处的应变ε与垮落带高度Hk的乘积近似求得垮落带破碎岩体的理论压缩量；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，可根据上覆地层的各层厚度与密度确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，可近似取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度；
S6，将基本顶的理论下沉值C2与实际下沉值C1做差可得等效残余采，在满足地表残余沉陷控制需求的前提下，采用概率积分法或者通过数值模拟，确定在该等效采高下，按照条带开采方式时的多组条带采宽与条带留宽，且条带采宽与条带留宽之和等于导水裂隙带上方的某一关键层破断距，同时条带留宽不小于30m，选择满足上述需求的最下部的关键层作为控制层；条带留宽对应采空区注浆区域宽度，条带采宽对应采空区非注浆区域宽度；
S7，选择控制层的各破断块体的中部作为注浆区域，在注浆区域宽度边界施工帷幕孔，在注浆区域内部施工注浆孔；在帷幕孔和注浆孔钻进至步骤S3确定的离层时，注入粉煤灰、水泥与水拌合的浆体，离层充满后向下延伸帷幕孔和注浆孔至垮落带；首先通过帷幕孔注入粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥与水拌合的浆体至采空区，然后通过注浆孔注入粉煤灰和/或将煤矸石粉碎成的煤矸石粉与水拌合的浆体至采空区。
优选的，帷幕孔施工于注浆区域内部且靠近边界，距边界的距离等于帷幕孔的浆液扩散半径确定。
有益效果：本发明涉及基于地层勘探的采空区灾害治理方法，首先进行补充勘探以确定各地层的厚度、埋深、密度和力学参数，据此进一步确定覆岩中的关键层位置及破断距、基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；同时还勘探出各关键层的采后埋深，并校核关键层破断位置。基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，然后采用Salamon变化模型计算基本顶理论下沉值，基于两者差值创造性的提出了采空区等效残余采高的概念，并基于条带开采理念认为采空区无需全区域处理，仅部分处理即可。创造性的结合关键层破断距和破断位置确定注浆区域位置以及注浆充填宽度，并给出了控制层的确定方式。基于此确定的注浆钻孔布置方案，可以减小钻孔施工量、注浆充填量，节约成本与时间；此外还提出了采空区离层确定方式及处理方法，最后采用粉煤灰和将煤矸石粉碎成的煤矸石粉作为注浆材料，消耗了固体废弃物。
附图说明
图1是本发明地层勘探的补充探测线布置示意图；
图2是本发明地层勘探的补充勘探钻孔布置剖面示意图；
图3是本发明采空区灾害治理的注浆钻孔布置剖面示意图；
图中：采空区1、边界煤柱2、补充探测线3、补充探测钻孔4、垮落带5、帷幕孔6、注浆孔7，注浆区域/留设条带8，非注浆区域/开采条带9。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
如图1-3所示，基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于采空区内不包含区段煤柱，尤其是采用沿空留巷方式回采后的采空区，包括如下步骤：
S1，沿采空区1倾向布置1条补充勘探线3，补充勘探线3上间隔施工有补充勘探钻孔4；位于边界煤柱2上的补充勘探钻孔4，采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱2一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、埋深/标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度(垮落带岩层是指位于基本顶与煤层之间的岩层)；
S2，位于采空区1上方的补充勘探钻孔4，终孔钻进至煤矿层的垮落带5，勘探出各关键层(包括基本顶)的标高位置(采后的埋深)，并对各关键层的倾向破断位置进行确定和校核；
优选的，步骤S2中，基于步骤S1确定的关键层原始位置、煤层厚度、垮落带特征，初步估算出各关键层在采空区上方的大体位置(层位)，当位于采空区上方的补充勘探钻孔钻进至各关键层上下处时采用取芯钻进工艺。
S3，将采空区内相邻关键层之间的间距与原始间距(根据位于边界煤柱上的补充勘探钻孔的取芯结果确定)进行比较，若某两层相邻关键层在采空区内的间距大于原始间距，则在这两层相邻的关键层之间存在离层；
S4，基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶的位置，拟合出沿采空区倾向的基本顶位置曲线，其中边界煤柱2和采空区1上部的基本顶标高分别为H1、H2，边界煤柱上部的基本顶标高可近似作为基本顶的原始标高，令C1＝H1-H2即可得采区回采后的采空区上部的基本顶实际下沉值；
S5，确定基本顶的理论下沉值
步骤S1中的力学试验还包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；
将Salamon提出的垮落带破碎岩体受力与变形关系公式
Figure GDA0004139954200000041
转化为变形与受力关系公式
Figure GDA0004139954200000042
其中
Figure GDA0004139954200000043
Figure GDA0004139954200000044
据此确定垮落带破碎岩体的理论压缩量即其上位基本顶的理论下沉值为C2＝εHk，垮落带在垂直方向上的应变之和即为垮落带的累计压缩量，为简化计算此处由垮落带垂直方向中心处的应变与垮落带破碎岩体初始厚度的乘积近似求得垮落带破碎岩体的理论压缩量；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，埋深越大所受应力越大，具体可根据上覆地层的各层厚度与密度确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数，可根据采空区所在矿井或其他矿井的相似工况下的实测参数确定；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，可近似取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度，可由垮落带岩层原始厚度与垮落带破碎岩体初始碎胀系数之积确定；
S6，将基本顶的理论下沉值C2与实际下沉值C1做差可得等效残余采高Mc＝C2-C1，在满足地表残余沉陷控制需求的前提下，采用概率积分法或者通过数值模拟，确定在该等效采高下，按照条带开采方式时的多组条带采宽与条带留宽，且条带留宽不小于30m，此处条带留宽对应采空区注浆区域8宽度，条带采宽对应采空区非注浆区域9宽度；
上述确定的条带采宽与条带留宽还应满足：选择位于导水裂隙带上方的关键层，使得条带采宽与条带留宽之和等于关键层破断距，同时条带留宽不小于30m，选择满足上述需求的最下部的关键层作为控制层；
如导水裂隙带上方的第1个关键层的破断距平均为60m，第二个的关键层的破断距平均为75m，假设采宽30+留宽30满足地表控制需求，则选择第一个关键层作为控制层；假设采宽27+留宽33和采宽40+留宽45才能满足地表控制需求，则应选择第二个关键层作为控制层，此时采宽40+留宽45。由于基本顶接近煤矿层，受采动扰动较大，破断距很小，难于满足条带留宽不小于30m；导水裂隙带内一般也容易残存纵向裂隙，故选择导水裂隙带上方的关键层作为控制层，选择满足需求的最下位的关键层是因为只有下部的稳定了上部的才能稳定，否则即成了空中楼阁；且越往上的关键层破断距越大，注浆区域(留宽)的比例越大，注浆量就大，但是注浆区域(留宽)也不应小于30m，否则帷幕孔的施工量太大，注浆速度就慢(帷幕孔的注浆扩散半径相对小、注浆材料成本高)。
S7，选择控制层的各破断块体的中部作为注浆区域，在注浆区域宽度边界施工帷幕孔6，在注浆区域内部施工注浆孔7；在帷幕孔6和注浆孔7钻进至步骤S3确定的离层时，注入粉煤灰、水泥与水拌合的浆体，离层充满后向下延伸帷幕孔6和注浆孔7至垮落带；首先通过帷幕孔6注入粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥与水拌合的浆体至采空区，然后通过注浆孔7注入粉煤灰和/或将煤矸石粉碎成的煤矸石粉与水拌合的浆体至采空区。
优选的，帷幕孔施工于注浆区域内部且靠近边界，距边界的距离等于帷幕孔的浆液扩散半径确定。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于无煤柱开采采空区，包括如下步骤：
S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；位于边界煤柱上的补充勘探钻孔采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；
S2，位于采空区上方的补充勘探钻孔，终孔钻进至煤矿层的垮落带，并勘探出各关键层的标高位置，并对各关键层的倾向破断位置进行确定和校核；
S3，将采空区内相邻关键层之间的间距与原始间距进行比较，若某两层相邻关键层在采空区内的间距大于原始间距，则在这两层相邻的关键层之间存在离层；
S4，拟合出沿采空区倾向的基本顶位置曲线，其中边界煤柱和采空区上部的基本顶标高分别为H1、H2，令C1＝H1-H2即得采空区上部的基本顶实际下沉值；
S5，确定基本顶的理论下沉值C2；
将Salamon垮落带破碎岩体受力与变形关系公式转化为变形与受力关系公式
Figure FDA0004139954190000011
其中
Figure FDA0004139954190000012
Figure FDA0004139954190000013
据此确定垮落带破碎岩体的理论压缩量即其上位基本顶的理论下沉值为C2＝εHk，为简化计算此处C2由垮落带垂直方向中心处的应变ε与垮落带高度Hk的乘积求得；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，根据上覆地层的各层厚度与密度确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度；
S6，将基本顶的理论下沉值C2与实际下沉值C1做差得等效残余采高，在满足地表残余沉陷控制需求的前提下，采用概率积分法或者通过数值模拟，确定在该等效残余采高下，按照条带开采方式时的多组条带采宽与条带留宽，且条带采宽与条带留宽之和等于导水裂隙带上方的某一关键层破断距，同时条带留宽不小于30m，选择满足上述需求的最下部的关键层作为控制层；条带留宽对应采空区注浆区域宽度，条带采宽对应采空区非注浆区域宽度；
S7，选择控制层的各破断块体的中部作为注浆区域，在注浆区域宽度边界施工帷幕孔，在注浆区域内部施工注浆孔；在帷幕孔和注浆孔钻进至步骤S3确定的离层时，注入粉煤灰、水泥与水拌合的浆体，离层充满后向下延伸帷幕孔和注浆孔至垮落带；首先通过帷幕孔注入粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥与水拌合的浆体至采空区，然后通过注浆孔注入粉煤灰和将煤矸石粉碎成的煤矸石粉与水拌合的浆体至采空区。
2.根据权利要求1所述的基于地层勘探的采空区灾害治理方法，其特征在于，步骤S1中，力学试验还包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度。
3.根据权利要求1所述的基于地层勘探的采空区灾害治理方法，其特征在于，步骤S2中，基于步骤S1确定的关键层原始位置、煤层厚度、垮落带特征，算出各关键层在采空区上方的位置，当位于采空区上方的补充勘探钻孔钻进至各关键层上下处时采用取芯钻进。
4.根据权利要求1所述的基于地层勘探的采空区灾害治理方法，其特征在于，步骤S7中，帷幕孔施工于注浆区域内部且靠近边界，距边界的距离等于帷幕孔的浆液扩散半径确定。
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