CN114658485A - 煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，包括以下步骤：确定导水裂隙带的高度，然后在导水裂隙带的高度范围内确定厚硬砂岩含水层的层位；确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R；确定首采工作面边界侧向帷幕与采空区侧向边界的水平距离S₁；确定第一接续侧向帷幕的布设位置；水力压裂注浆构造边界侧向帷幕和第一接续侧向帷幕；完成对首采工作面的侧向截水阻渗和正常回采；完成第一接续工作面的侧向截水阻渗和正常回采；进行第二接续工作面的侧向截水阻渗；依次类推，直至采区或盘区内的煤层开采完毕。本发明方法实现了顶板水害与冲击地压灾害的协同防治，最终大幅减少矿井涌水量，可以达到事半功倍的防治效果。

Description

煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法

技术领域

本发明属于煤矿开采安全技术领域，具体涉及一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害的治理方法。

背景技术

随着我国煤矿开采深度的增加，越来越多的煤矿面临高水压、高地应力的采掘环境，蒙陕矿区作为我国重要能源基地之一，在主采侏罗纪延安组冲击倾向性煤层时，其上往往赋存洛河组厚硬富水砂岩层，在对其进行高强度开采时同时，面临坚硬顶板冲击地压和顶板水害两大难题。

现有技术中，防治上述矿井的冲击地压和突水灾害时，常常割裂彼此，相互独立；即从防治冲击地压的角度，需要采取水力压裂、近场爆破预裂、大直径钻孔卸压等局部卸压解危方法；矿井水害防治常采用采前顶板预疏放、加大排水能力等措施，但是，由于砂岩顶板孔隙注浆受限于孔喉较小，水可以绕过但浆液难以通过，所以砂岩顶板直接注浆堵水难以实现；存在防治措施工程量巨大、代价高、而且不能消除坚硬顶板型冲击地压与顶板水复合灾害威胁的缺陷，严重威胁到煤矿安全生产，综上所述，继续一种能够对冲击地压和突水灾害进行协同防治的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，通过水力压裂预裂后的再注浆改性来降低厚硬砂岩含水层的渗透性，同时实现对厚硬砂岩层的预裂弱化，破坏其结构完整性，使其缓慢自然下沉，以解决现有技术中缺少协同防治坚硬顶板冲击地压与顶板水复合灾害方法的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，包括以下步骤：

步骤1、获取井田地质数据和开采沉陷监测数据，根据得到的井田地质数据和开采沉陷监测数据确定工作面开采后形成的导水裂隙带的高度，然后在导水裂隙带的高度范围内确定厚硬砂岩含水层的层位；

步骤2、根据开采沉陷监测数据确定的岩层移动角，以及厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的距离确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R；

步骤3、根据矿区开采设计确定首采工作面的平面位置，进一步确定首采工作面的边界侧向帷幕布设位置，所述首采工作面边界侧向帷幕靠近井田边界，且与采空区侧向边界之间的水平距离S₁∈[R+1，R+10]；

步骤4、根据矿区开采设计确定留设保护煤柱宽度B，根据首采工作面的平面位置和保护煤柱宽度B，确定在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置；

步骤5、在边界侧向帷幕布设位置和第一接续侧向帷幕的布设位置处通过水力压裂形成水平裂缝浆液通道与垂直裂缝浆液通道，然后向形成的水平裂缝浆液通道和垂直裂缝浆液通道内注浆，构造边界侧向帷幕和第一接续侧向帷幕，完成对首采工作面的侧向截水阻渗；

步骤6、对首采工作面进行正常回采至完毕，然后按照步骤4的方法确定用于第一接续工作面侧向截水阻渗的第二接续侧向帷幕的位置，按照步骤5的方法形成对完成对第一接续工作面的侧向截水阻渗；

步骤7、对第一接续工作面进行正常回采至完毕，然后在第二接续工作面的实体煤侧，按照步骤2到步骤5的方法，构造用于第二接续工作面阻水的第三接续侧向帷幕，并对第二接续工作面进行正常回采至回采完毕，依次类推，直至采区或盘区内的煤层开采完毕。

本发明还具有以下技术特征：

更进一步的，所述确定设置在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置具体包括：

若留设保护煤柱宽度B大于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S₂应满足条件：R+1≤S₂≤B；

若留设保护煤柱宽度B小于等于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S₂应满足条件：R+1≤S₂≤R+10。

更进一步的，所述厚硬砂岩采动影响范围边界R通过下式确定：

R＝H/tanδ

式中，

R为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；

H为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；

δ为岩层移动角，单位为度。

更进一步的，步骤5所述水力压裂施工操作参数包括：压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为4～10m³/m，注入排量为6～12m³/min，平均砂比为10～15％。

更进一步的，步骤5所述注浆材料包括质量百分含量为10％～30％的水泥、 70％～90％的粉煤灰与激发剂。

更进一步的，步骤1所述的导水裂隙带的高度，可以通过液压支架工作阻力监测和井-地微震监测联合实现动态确定。

更进一步的，所述液压支架工作阻力通过下式确定：

式中，p_t′为顶板周期来压破断时液压支架工作阻力，σ_P为液压支架工作阻力的均方差，

为液压支架工作阻力的平均值。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明方法将厚硬砂岩顶板的力学边界条件改造和渗透性改造融为一体，通过先水力压裂后注浆阻渗的方式，实现了顶板水害与冲击地压灾害的协同防治，通过对厚硬砂岩含水层压裂注浆，大幅减少含水层过水断面，大幅降低了含水层的渗透系数，进而使工作面回采过程中厚硬砂岩含水层的侧向涌水量大幅减少，最终大幅减少矿井涌水量，可以达到事半功倍的防治效果，保障类似地质条件煤矿的安全生产。

(2)本发明方法通过对厚硬砂岩含水层进行水力压裂，显著降低了顶板的悬臂长度，改变了厚硬砂岩顶板的力学边界条件，从而使厚硬砂岩顶板破断时所释放的弯曲弹性能大幅较少，进而达到弱化坚硬顶板的目的，降低冲击地压危险。

(3)本发明方法操作简单，适应性强，具有很强的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为侧向帷幕与工作面的关系剖面图；

图3为侧向帷幕与工作面的关系平面图；

图4为注浆压裂前后砂岩含水层孔隙过水断面示意图，其中(a)为注浆压裂前，(b)为注浆压裂后；

图5为顶板弯矩随悬臂长度L变化的曲线图；

图6为坚硬顶板破断的弯曲弹性能随悬臂长度L变化的示意图。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

对本发明所涉及的技术术语解释如下：

首采工作面：是指在井田开采设计的采区或盘区边界布置的第一个工作面。

厚硬砂岩含水层：是指水能够透过并给出相当数量水的砂岩层，其厚度和力学强度均较大。

临空侧巷道：接续工作面中最靠近采空区一侧的巷道。

实体煤侧：接续工作面中远离采空区一侧的巷道。

采动影响范围：下方工作面煤层开采会造成上方岩层发生一定范围的破坏，其与完整岩层的交界位置即为采动影响边界，在采动影响边界内的区域属于采动影响范围。

接续侧向帷幕：保护接续工作面一侧的侧向帷幕。

井田边界：煤矿开采设计中划分的最近采区或盘区边界的位置。

以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

遵从上述技术方案，如图1至图6所示，某煤矿的主采煤层1的厚度为10m，埋深680m，属近水平煤层，煤层上方160m赋存有厚硬的洛河组砂岩含水层，顶板赋存厚硬砂岩层，厚硬砂岩的岩性以中细砂岩、细砂岩及泥岩互层为主，采用综采放顶煤开采工艺，为冲击地压矿井，水文地质类型复杂，周边临近矿井涌水量为2500m³/d。该矿的首采工作面走向长1800m，开采计划包括101工作面，102工作面，103工作面，需要进行煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理。

本实施例提供了一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，包括以下步骤：

步骤1、获取井田地质数据和开采沉陷监测数据，根据得到的井田地质数据和开采沉陷监测数据确定工作面开采后形成的导水裂隙带的高度，然后在导水裂隙带的高度范围内确定厚硬砂岩含水层的层位；

在常规测井中，主要通过钻探、地震、地球物理测井、地质及水文地质、采样测试、抽水试验以及地表水、地下水动态长期观测等多种手段进行综合勘查，得到井田地质数据和开采沉陷监测数据，其中，井田地质数据和开采沉陷监测数据主要包括厚硬砂岩含水层地层、岩层移动角、厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的距离和煤层采厚。

本实施中，根据开采沉陷监测数据确定的岩层移动角为80°，厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的距离为220m。

作为本实施例的一种优选方案，所述的导水裂隙带的高度，可以通过工作面回采过程中的液压支架工作阻力监测和井-地联合微震监测实时动态实测确定，即，工作面向前推进过程中顶板发生周期来压。

通过顶板破断周期来压时的液压支架工作阻力临界值

判定厚硬砂岩含水层顶板发生破断产生周期来压的时间，式中，p_t′为顶板破断周期来压时的液压支架工作阻力临界值，σ_P为过去一段时间内支架工作阻力的均方差， p_t为过去一段时间内支架工作阻力的平均值；

然后根据周期来压的时间确定顶板破断瞬间释放的微震事件能量E；最后，根据能量大于E的微震能量事件的空间位置(x,y,z)与煤层顶板的标高之差确定导水裂隙带的高度。

其中，液压支架工作阻力的通过液压缸的压力监测，井-地联合微震监测通过井下和地面的多个震动波探头的联合监测实现，以确定微震事件发生的时间、发生的空间位置和能量大小(t,x,y,z,E)等参量。

本实施例中，选取工作面开采一段时间内的液压支架工作阻力数据，其支架工作阻力的平均值

液压支架工作阻力的均方差σ_P＝6.6MPa，判断顶板破断周期来压时的液压支架工作阻力临界值p_t′为29.9MPa,工作面推采过程中某天14时22分24秒，液压支架工作阻力突然升高至32MPa,判定顶板发生破断出现周期来压，同时发现微震监测定位顶板破断事件时间、空间和强度参量(t＝14:22:24,x＝5265,y＝8700,z＝445，E＝2E4J)，然后选取过去连续生产的井-地联合微震监测定位的能量E大于2E4 J微震事件，投影至垂直剖面上，定位的最高的微震破裂事件的标高z＝540m,而回采位置煤层的顶板标高为320m，最终确定工作面开采稳定后形成的导水裂隙带高度为220米，导水裂隙带内厚硬砂岩含水层的层位为160m～220m。

步骤2、根据开采沉陷监测数据确定的岩层移动角，以及厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的距离确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R；

所述厚硬砂岩采动影响范围边界R通过下式确定：

R＝H/tanδ

式中，

R为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；

H为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；

δ为岩层移动角，单位为度。

通过上式得出厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R为38.8m。

步骤3、根据矿区开采设计确定首采工作面的平面位置，进一步确定首采工作面的边界侧向帷幕布设位置，所述首采工作面边界侧向帷幕靠近井田边界，且与采空区侧向边界之间的水平距离S₁∈[R+1，R+10]；

因为要考虑一定的测量误差，保留少量安全余量，所以本实施例中最后确定边界侧向帷幕的平面位置与井田边界的水平距离S₁为39.8m～48.8m之间。

步骤4、根据矿区开采设计确定留设保护煤柱宽度B，根据首采工作面的平面位置和保护煤柱宽度B，确定在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置；同样需要考虑测量误差，保留少量安全余量；

本实施例中，边界侧向帷幕布设位置和第一接续侧向帷幕的布设位置如图2 所示。其中，留设保护煤柱宽度B为50m，最后确定第一接续侧向帷幕的布设位置与靠近第一接续侧向帷幕的采空区侧向边界之间的水平距离S₂为 39.8m～50m。

步骤5、在边界侧向帷幕布设位置和第一接续侧向帷幕的布设位置处通过水力压裂形成水平裂缝浆液通道与垂直裂缝浆液通道，然后向形成的水平裂缝浆液通道和垂直裂缝浆液通道内注浆，构造边界侧向帷幕和第一接续侧向帷幕，完成对首采工作面的侧向截水阻渗，从而实现对第一接续工作面临空侧巷道坚硬顶板的压裂弱化；

水力压裂原理：利用地面高压泵组，通过井筒向地层注入大排量液体，在井底憋起高压，当该压力超过地层承受能力时，便会在井底附近的地层形成裂缝。继续注入携带支撑剂的液体，裂缝逐渐向前延伸，支撑剂起到支撑裂缝作用，形成了具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝，达到弱化地层力学性质，提高地层渗透性的效果。

如图5所示，在走向上坚硬顶板的弯矩峰值出现在超前煤壁5m的位置，说明顶板再该位置发生了超前破断，且随着悬臂长度L由16m增至20m，顶板弯矩峰值由6.3E8N·m增至9.4E8N·m，说明悬臂长度L越大，顶板超前界面上的弯矩越大，截面上的拉应力就越大，顶板越易发生超前破断，诱发强烈的动力灾害。如图6所示，随着悬臂长度L由16m增至20m，顶板破断时的弯曲弹性能由4.58E6 J增至1.05E7 J；悬臂长度增加1m造成的动载弹性能增幅达到22.9％。而本发明方法通过对厚硬砂岩含水层侧向进行水力压裂，一方面显著降低了顶板的悬臂长度，使坚硬顶板的弯矩峰值显著减小，从而使厚硬砂岩顶板破断时所释放的弯曲弹性能大幅较少，另一方面，还可以改变了厚硬砂岩顶板的力学边界条件，使顶板的突然剧烈破断转变为缓慢破断下沉，达到弱化坚硬顶板的目的，降低了冲击地压的危险。

边界侧向帷幕和第一接续侧向帷幕用于首采工作面的侧向截水阻渗，以阻断砂岩含水层对工作面的侧向补给。

步骤6、对首采工作面进行正常回采至完毕，然后按照步骤4的方法确定用于第一接续工作面侧向截水阻渗的第二接续侧向帷幕的位置，按照步骤5的方法形成对完成对第一接续工作面的侧向截水阻渗，从而实现对第二接续工作面临空侧巷道坚硬顶板的压裂弱化；

步骤7、在第二接续工作面的实体煤侧，按照步骤2到步骤5的方法，构造用于第二接续工作面阻水的第三接续侧向帷幕，形成对第三接续工作面临空侧巷道坚硬顶板的压裂弱化，然后对第二接续工作面进行正常回采至回采完毕，依次类推，直至采区或盘区内的煤层开采完毕。

如图4所示，本发明方法通过对厚硬砂岩含水层压裂注浆，变孔隙注浆为裂隙注浆，大幅减少了含水层过水断面，降低了含水层的渗透系数，进而使工作面在回采过程中厚硬砂岩含水层的侧向补给涌水量大幅减少，并最终大幅减少矿井涌水量，可以达到事半功倍的防治效果，保障类似地质条件煤矿的安全生产。

更进一步的，所述确定设置在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置具体包括：

若留设保护煤柱宽度B大于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S应满足条件：R+1≤S≤B；

若留设保护煤柱宽度B小于等于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S应满足条件：R+1≤S ≤R+10。

更进一步的，所述厚硬砂岩采动影响范围边界R通过下式确定：

R＝H/tanδ

式中，

R为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；

H为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；

δ为岩层移动角，单位为度。

更进一步的，步骤5所述水力压裂施工操作参数包括：压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为4～10m³/m，注入排量为6～12m³/min，平均砂比为10～15％。

更进一步的，步骤5所述注浆材料包括质量百分含量为10％～30％的水泥、 70％～90％的粉煤灰与激发剂，所述配比的注浆材料在凝固后能够发生塑性变形，渗透性差，粘结强度低。

综上所述，本发明能够有效减少矿井涌水量且有效消除坚硬顶板冲击地压的安全威胁，达到事半功倍的防治效果，保障类似地质条件煤矿的安全生产。

上述实施过程仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取井田地质数据和开采沉陷监测数据，根据得到的井田地质数据和开采沉陷监测数据确定工作面开采后形成的导水裂隙带的高度，然后在导水裂隙带的高度范围内确定厚硬砂岩含水层的层位；

步骤2、根据开采沉陷监测数据确定的岩层移动角，以及厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的距离确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R；

步骤3、根据矿区开采设计确定首采工作面的平面位置，进一步确定首采工作面的边界侧向帷幕布设位置，所述首采工作面边界侧向帷幕靠近井田边界，且与厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R的水平距离S₁∈[R+1，R+10]；

步骤4、根据矿区开采设计确定留设保护煤柱宽度B，根据首采工作面的平面位置和保护煤柱宽度B，确定在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置；

步骤5、在边界侧向帷幕布设位置和第一接续侧向帷幕的布设位置处通过水力压裂形成水平裂缝浆液通道与垂直裂缝浆液通道，然后向形成的水平裂缝浆液通道和垂直裂缝浆液通道内注浆，构造边界侧向帷幕和第一接续侧向帷幕，完成对首采工作面的侧向截水阻渗；

步骤6、对首采工作面进行正常回采至完毕，然后按照步骤4的方法确定用于第一接续工作面侧向截水阻渗的第二接续侧向帷幕的位置，按照步骤5的方法形成对完成对第一接续工作面的侧向截水阻渗；

步骤7、对第一接续工作面进行正常回采至完毕，然后在第二接续工作面的实体煤侧，按照步骤2到步骤5的方法，构造用于第二接续工作面阻水的第三接续侧向帷幕，并对第二接续工作面进行正常回采至回采完毕，依次类推，直至采区或盘区内的煤层开采完毕。

2.如权利要求1所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，所述确定设置在首采工作面远离井田边界一侧的第一接续侧向帷幕的布设位置具体包括：

若留设保护煤柱宽度B大于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S₂应满足条件：R+1≤S₂≤B；

若留设保护煤柱宽度B小于等于厚硬砂岩采动影响范围边界R，则第一接续侧向帷幕的布设位置与采空区侧向边界之间的水平距离S₂应满足条件：R+1≤S₂≤R+10。

3.如权利要求1所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，所述厚硬砂岩含水层采动影响范围边界R通过下式确定：

R＝H/tanδ

式中，

R为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；

H为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；

δ为岩层移动角，单位为度。

4.如权利要求1所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，步骤5所述水力压裂施工操作参数包括：压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为4～10m³/m，注入排量为6～12m³/min，平均砂比为10～15％。

5.如权利要求1所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，步骤5所述注浆材料包括质量百分含量为10％～30％的水泥、70％～90％的粉煤灰与激发剂。

6.如权利要求1所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，步骤1所述的导水裂隙带的高度，可以通过液压支架工作阻力监测和井-地微震监测联合实现动态确定。

7.如权利要求6所述的煤矿厚硬砂岩顶板水害与冲击地压复合灾害治理方法，其特征在于，所述液压支架工作阻力通过下式确定：

式中，p_t′为顶板破断周期来压时的液压支架工作阻力，σ_P为液压支架工作阻力的均方差，

为液压支架工作阻力的平均值。

Images