CN114837608B - 多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，适用于煤炭资源开采过程中的水资源保护。针对煤系地层含水层与隔水层确定注浆靶区位置与类型，针对不同类型靶区设计注浆时机、浆液类型，最终采用多段分级注浆工艺实现不同类型靶区的封堵，计算煤层开采过程中裂隙发育高度、覆岩渗透率，根据含水层、隔水层的空间叠置关系，确定隔水层缺失注浆靶区、裂隙未弥合注浆靶区的位置；结合靶区垂向和横向展布特征布置钻孔，进行多个注浆靶点三级注浆，实现多靶点不同尺度裂隙的封堵，再造采动覆岩隔水层。该方法有效治理地下水资源流失问题，不但提高了煤层开采的安全性，而且大大提高了煤炭的采出率。

Description

多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法

技术领域

本发明涉及一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，适用于煤系地层水资源保护，属于采矿工程技术领域。

背景技术

煤炭开采过程中，上覆岩层产生移动和破断，采动覆岩形成了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中，裂隙带由下至上沿着岩层界面呈阶梯状增长特征。在现有高强度煤层开采条件下，裂隙导升高度较高，极易穿过上覆隔水层与含水层，造成矿井涌突水，地下水资源流失，甚至造成地表生态破坏。

现有研究表明采动裂隙导升高度与煤层开采厚度有较大关联，开采厚度越大，裂隙导升高度越高。因此，目前主要采用分层开采、限高开采、充填开采等方法，通过减小等效的开采厚度，抑制导水裂隙发育高度，从保护隔水层完整性角度出发减少水资源流失。然而，针对隔水层厚度较小的区域、以及隔水层距离煤层较近的区域，现有开采方法不但不能实现水资源保护，而且造成大量煤炭资源滞留地下。

现有渗透注浆技术主要适用于围岩加固、局部区域堵水，主要采用水泥、水玻璃等注浆材料，一方面浆液凝结速度快，粘度在几小时之内迅速增加至数千毫帕秒，另一方面注浆材料的大量颗粒直径超过0.05毫米，难以通过直径为0.15毫米的孔隙和宽度为0.15毫米的裂隙。因此，采用现有注浆材料与注浆工艺，难以实现采动覆岩微孔隙、微裂隙的封堵，隔水层人工再造效果很差。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，可以实现煤炭资源的水资源保护性开采。

为达到以上目的，本发明的一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其步骤如下：

步骤一、基于煤系地层水文地质调查资料，确定矿区地层中是否存在粘土隔水层、泥岩隔水层，若存在则继续确认表土层、砂层潜水含水层、粘土隔水层、裂隙砂岩或灰岩含水层、泥岩或粉砂岩隔水层、煤层的厚度与层间距信息，然后根据煤层开采厚度确定裂隙带、采动裂隙的采动裂隙导升高度，推断出潜在涌突水区域、突水区域的裂隙透水能力，并通过粘土隔水层、泥岩隔水层的厚度确定出注浆靶区，注浆靶区位置位于砂层潜水含水层的下部到粘土隔水层的顶部之间，一级裂隙砂岩或灰岩含水层的下部到泥岩或粉砂岩隔水层的顶部之间；

步骤二、调配适用于矿区动水注浆、多尺度孔隙与裂隙堵水的三种不同的混合注浆浆液，包括：水泥-水玻璃浆液、粘土-水泥浆液、凝胶浆液，之后将水泥-水玻璃浆液装入水泥-水玻璃浆液罐，粘土-水泥浆液装入土-水泥浆液罐，凝胶浆液装入凝胶浆液罐；

步骤三、根据三种不同的混合注浆浆液的粘度、地层孔隙度与渗透率、注浆压力、注浆钻孔半径，确定单孔浆液扩散半径R，并确认矿区地层中地下水层与隔水层分布；

步骤四、在煤系地层地表垂直向靶区间隔布置多个注浆钻孔，注浆钻孔贯穿不同深度的多个注浆靶区，注浆钻孔位置在平面上采取交错排状布置，一方面避免注浆区域重叠而增加成本，另一方面也保证靶区的全面封堵；

步骤五、根据煤层开采的时间进行注浆，在煤层开采前30天对隔水层缺失注浆靶区进行注浆，保证采煤过程中隔水的作用，在煤层采后30天对裂隙未弥合注浆靶区，保证采动覆岩中的部分裂隙在应力恢复作用下弥合，以较少钻孔实现多个靶区有效封堵；

步骤六、使用注浆器对注浆钻孔中不同深度进行注浆，所述注浆器包括内部空心的注浆管柱，注浆管柱的顶部通过管路分别与水泥-水玻璃浆液罐、粘土-水泥浆液罐、凝胶浆液罐连接，注浆管柱的低端密封，靠近注浆管柱的低端的侧面设有多个出浆口，注浆管柱的出浆口上下端分别设有封隔器，从而使出浆口的浆液只能在封隔器允许的宽度向注浆钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，封隔器的宽度与待注浆的地层厚度匹配；利用注浆管柱的出浆口移动到注浆靶区位置后进行注浆，只在注浆靶区所在的注浆层位向钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，在每个注浆靶区均利用三种混合注浆浆液实施三级段塞注浆，三级段塞注浆由下至上实施，一级段塞注入水泥-水玻璃浆液、二级段塞注入粘土-水泥浆液、三级段塞注入凝胶浆液；修复隔水层缺失段或封堵采动未弥合裂隙，从而实现了采动覆岩隔水层的人工再造。

进一步，粘土隔水层、泥岩隔水层均为隔水层，隔水层厚度小于5m的靶区界定为隔水层缺失注浆靶区，隔水层厚度大于5m但煤层开采后裂隙未弥合的靶区界定为裂隙未弥合注浆靶区；针对隔水层实施的三级段塞注浆，其中若隔水层较少，则可以不进行一级段塞注浆，只进行二级段塞和三级段塞的注浆。

进一步，三级混合注浆材料以段塞的形式通过注浆管柱匹配封隔器逐级在注浆钻孔中注入不同的靶区地层，一级段塞注入靶区底部2～4m厚度范围，之后依次向上实施二级和三级段塞，从而注入靶区的整个厚度范围，二级段塞和三级段塞的浆液注入厚度大于5m；

注浆是当注浆流量下的注浆压力高于8MPa后结束当前段塞位置的注浆，各级段塞注入量为：

N_qi＝Q_iT_i

式中，N_qi为第i级段塞注入量，Q_i为注浆速率，T_i为第i级段塞初凝时间。

进一步，考虑对潜水层和承压水层两种水资源进行保护，针对粘土隔水层厚度小于5m或没有粘土隔水层的区域，确定厚度在5m～8m范围的泥岩隔水层为隔水层缺失注浆靶区；针对粘土隔水层、泥岩隔水层渗透率与厚度乘积高于10mD·m的区域，mD为渗透率单位，毫达西，确定度厚在5m～8m范围的泥岩隔水层为裂隙未弥合注浆靶区。

进一步，步骤一中，采动裂隙导升高度通过下式计算：

式中，H_d为采动裂隙导升高度，a、b为系数，M为煤层开采厚度，M₁为开采厚度小于3m的部分煤层，系数a、b具体针对不同采煤方法、不同地层岩石类型根据经验或实际数据拟合获得。

进一步，步骤二中，确定了应力恢复作用下孔隙型、裂隙型地层渗透率的计算公式：

k＝k₀e^-γσ

式中，k为渗透率，γ为渗透率模量，σ为有效应力恢复值，k₀为应力未恢复时的渗透率，k₀的计算公式为：

式中，φ_m为孔隙型地层孔隙度，r_a为地层平均孔隙半径；φ_f为裂隙型地层孔隙度，h_a为平均裂隙半宽。

进一步，步骤三中，通过浆液粘度、地层孔隙度与渗透性、注浆设备耐压能力，确定每个钻孔浆液扩散半径R的具体过程为：

式中，R为单个钻孔浆液扩散半径，R_c为钻孔半径，H_c为钻孔注浆地层厚度，P_c为钻孔注浆压力，P_w为地层静水压力，Q为注浆流量，μ为浆液粘度，A为宾汉流体修正系数。

进一步，基于单孔注浆扩散半径为R，从地面向靶区垂直布置的多个钻孔，在平面上将钻孔作为三角形的顶点，每三个组成等腰三角形的钻孔，组成等腰三角形的高为1.7R，底边为1.5R。

进一步，所采用的凝胶注浆材料由纳米粘土、聚丙烯酰胺、乙酸铬、硫脲配制而成，纳米粘土质量百分数为1％～10％，聚丙烯酰胺质量百分数为1％～10％，乙酸铬质量百分数为0.1％～0.5％，硫脲质量百分数为0.1％～0.5％，其余成分为水；

所采用的水泥-水玻璃注浆材料由普通硅酸盐水泥、水玻璃、氢氧化钙配制而成，水泥质量百分数为30％～60％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为10％～20％；氢氧化钙质量百分数为5％～15％，其余成分为水；

所采用的粘土-水泥注浆材料由粘土、普通硅酸盐水泥、水玻璃配制而成，水玻璃为速凝剂，粘土质量百分数为30％～50％，普通硅酸盐水泥质量百分数为10％～25％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为1％～5％，其余成分为水。

进一步，步骤五中，注浆压力选择2～8MPa，注浆速率根据钻孔涌水量进行选取，涌水量小于40L/min的钻孔注浆流量选取40L/min，反之选取60L/min。

有益效果：本方法基于矿区易于获取的水文地质资料、煤层开采参数，通过设计注浆靶区、钻孔布置、三级混合注浆材料、多段分级注浆工艺，在动水条件下对不同层位、不同尺度的裂隙与孔隙进行封堵，达到隔水层的人工再造，不仅减少了矿井涌突水事故，增加了煤炭开采效率，而且实现了矿区水资源保护。

附图说明

图1为本发明隔水层人工再造注浆靶区确定的示意图。

图2为本发明注浆钻孔垂向布置的示意图。

图3为本发明注浆钻孔平面优化布置的示意图。

图4为本发明注浆工艺系统组成示意图。

图中：1、表土层；2、疏松砂层潜水含水层；3、粘土隔水层；4、裂隙砂岩承压水含水层；5、泥岩隔水层；6、煤层；7、垮落带；8、裂隙带；9、采动裂隙；10、隔水层缺失注浆靶区；11、裂隙未弥合注浆靶区；12、水泥-水玻璃浆液罐；13、粘土-水泥浆液罐；14、凝胶浆液罐；15、清水罐；16、阀门；17、高压管线；18、注浆泵；19、注浆管柱；20、封隔器；21、注浆钻孔；22、地表。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例做详细的阐述：

如图1、2和4所示，矿区地层自上而下分别为：表土层1、疏松砂层潜水含水层2、粘土隔水层3、裂隙砂岩承压水含水层4、泥岩隔水层5和煤层6，其中煤层6开采后形成垮落带7，并出现裂隙带8和采动裂隙9；

一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其步骤如下：

步骤一、基于煤系地层水文地质调查资料，确定矿区地层中是否存在粘土隔水层3、泥岩隔水层5，若存在则继续确认表土层1、砂层潜水含水层2、粘土隔水层3、裂隙砂岩或灰岩含水层4、泥岩或粉砂岩隔水层5、煤层6的厚度与层间距信息，然后根据煤层开采厚度确定裂隙带8、采动裂隙9的采动裂隙导升高度，推断出潜在涌突水区域、突水区域的裂隙透水能力，并通过粘土隔水层3、泥岩隔水层5的厚度确定出注浆靶区，注浆靶区位置位于砂层潜水含水层2的下部到粘土隔水层3的顶部之间，一级裂隙砂岩或灰岩含水层4的下部到泥岩或粉砂岩隔水层5的顶部之间；粘土隔水层3、泥岩隔水层5均为隔水层，隔水层厚度小于5m的靶区界定为隔水层缺失注浆靶区10，隔水层厚度大于5m但煤层开采后裂隙未弥合的靶区界定为裂隙未弥合注浆靶区11；针对隔水层实施的三级段塞注浆，其中若隔水层较少，则可以不进行一级段塞注浆，只进行二级段塞和三级段塞的注浆；

采动裂隙导升高度通过下式计算：

式中，H_d为采动裂隙导升高度，a、b为系数，M为煤层开采厚度，M₁为开采厚度小于3m的部分煤层，系数a、b具体针对不同采煤方法、不同地层岩石类型根据经验或实际数据拟合获得。

步骤二、调配适用于矿区动水注浆、多尺度孔隙与裂隙堵水的三种不同的混合注浆浆液，包括：水泥-水玻璃浆液、粘土-水泥浆液、凝胶浆液，之后将水泥-水玻璃浆液装入水泥-水玻璃浆液罐12，粘土-水泥浆液装入土-水泥浆液罐13，凝胶浆液装入凝胶浆液罐14；

确定了应力恢复作用下孔隙型、裂隙型地层渗透率的计算公式：

k＝k₀e^-γσ

式中，k为渗透率，γ为渗透率模量，σ为有效应力恢复值，k₀为应力未恢复时的渗透率，k₀的计算公式为：

式中，φ_m为孔隙型地层孔隙度，r_a为地层平均孔隙半径；φ_f为裂隙型地层孔隙度，h_a为平均裂隙半宽；

步骤三、根据三种不同的混合注浆浆液的粘度、地层孔隙度与渗透率、注浆压力、注浆钻孔半径，确定单孔浆液扩散半径R，并确认矿区地层中地下水层与隔水层分布；

通过浆液粘度、地层孔隙度与渗透性、注浆设备耐压能力，确定每个钻孔浆液扩散半径R的具体过程为：

式中，R为单个钻孔浆液扩散半径，R_c为钻孔半径，H_c为钻孔注浆地层厚度，P_c为钻孔注浆压力，P_w为地层静水压力，Q为注浆流量，μ为浆液粘度，A为宾汉流体修正系数。

步骤四、在煤系地层地表垂直向靶区间隔布置多个注浆钻孔21，注浆钻孔21贯穿不同深度的多个注浆靶区，注浆钻孔21位置在平面上采取交错排状布置，一方面避免注浆区域重叠而增加成本，另一方面也保证靶区的全面封堵；

步骤五、根据煤层开采的时间进行注浆，在煤层开采前30天对隔水层缺失注浆靶区10进行注浆，保证采煤过程中隔水的作用，在煤层采后30天对裂隙未弥合注浆靶区11，保证采动覆岩中的部分裂隙在应力恢复作用下弥合，以较少钻孔实现多个靶区有效封堵；注浆压力选择2～8MPa，注浆速率根据钻孔涌水量进行选取，涌水量小于40L/min的钻孔注浆流量选取40L/min，反之选取60L/min。

步骤六、使用注浆器对注浆钻孔21中不同深度进行注浆，所述注浆器包括水泥-水玻璃浆液罐12、粘土-水泥浆液罐13、凝胶浆液罐14、清水罐15，水泥-水玻璃浆液罐12、粘土-水泥浆液罐13、凝胶浆液罐14、清水罐15的出口分别通过阀门16连接注浆泵18，注浆泵18的出浆口通过在高压管线17上连接有设置在地表22下方注浆钻孔21中的注浆管柱19，注浆管柱19的低端密封，靠近注浆管柱19的低端的侧面设有多个出浆口，注浆管柱19的出浆口上下端分别设有封隔器20，从而使出浆口的浆液只能在封隔器20允许的宽度向注浆钻孔21侧壁中的孔隙与裂隙注浆，封隔器20的宽度与待注浆的地层厚度匹配；利用注浆管柱19的出浆口移动到注浆靶区位置后进行注浆，只在注浆靶区所在的注浆层位向钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，在每个注浆靶区均利用三种混合注浆浆液实施三级段塞注浆，三级段塞注浆由下至上实施，一级段塞注入水泥-水玻璃浆液、二级段塞注入粘土-水泥浆液、三级段塞注入凝胶浆液；修复隔水层缺失段或封堵采动未弥合裂隙，从而实现了采动覆岩隔水层的人工再造；三级混合注浆材料以段塞的形式通过注浆管柱19匹配封隔器20逐级在注浆钻孔21中注入不同的靶区地层，一级段塞注入靶区底部2～4m厚度范围，之后依次向上实施二级和三级段塞，从而注入靶区的整个厚度范围，二级段塞和三级段塞的浆液注入厚度大于5m；

注浆是当注浆流量下的注浆压力高于8MPa后结束当前段塞位置的注浆，各级段塞注入量为：

N_qi＝Q_iT_i

式中，N_qi为第i级段塞注入量，Q_i为注浆速率，T_i为第i级段塞初凝时间。

考虑对潜水层和承压水层两种水资源进行保护，针对粘土隔水层3厚度小于5m或没有粘土隔水层的区域，确定厚度在5m～8m范围的泥岩隔水层5为隔水层缺失注浆靶区；针对粘土隔水层3、泥岩隔水层5渗透率与厚度乘积高于10mD·m的区域，mD为渗透率单位，毫达西，确定度厚在5m～8m范围的泥岩隔水层5为裂隙未弥合注浆靶区11。

如图3所示，基于单孔注浆扩散半径为R，从地面向靶区垂直布置的多个钻孔，在平面上将钻孔作为三角形的顶点，每三个组成等腰三角形的钻孔，组成等腰三角形的高为1.7R，底边为1.5R。

所采用的凝胶注浆材料由纳米粘土、聚丙烯酰胺、乙酸铬、硫脲配制而成，纳米粘土质量百分数为1％～10％，聚丙烯酰胺质量百分数为1％～10％，乙酸铬质量百分数为0.1％～0.5％，硫脲质量百分数为0.1％～0.5％，其余成分为水；

所采用的水泥-水玻璃注浆材料由普通硅酸盐水泥、水玻璃、氢氧化钙配制而成，水泥质量百分数为30％～60％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为10％～20％；氢氧化钙质量百分数为5％～15％，其余成分为水；

所采用的粘土-水泥注浆材料由粘土、普通硅酸盐水泥、水玻璃配制而成，水玻璃为速凝剂，粘土质量百分数为30％～50％，普通硅酸盐水泥质量百分数为10％～25％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为1％～5％，其余成分为水。

本发明多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，应用在陕西某煤矿的保水开采中，以下通过实例进行具体实施方式说明。

矿区特征：该矿主采煤层位于侏罗系中统延安组，主采煤层N号煤层厚度约5～7m，发育稳定。该煤矿M盘区埋深约为200m，采用一次采全高的方式开采。煤层上覆含水层主要有：第四系萨拉乌苏组潜水层，为松散岩类孔隙含水层，其厚度为0～86m，平均30m左右；侏罗系直罗组裂隙承压水含水层，为砂岩裂隙承压水含水层，其厚度为10～90m，在M盘区的厚度70m左右。萨拉乌苏组潜水层下部隔水层为第四系中下更新统黄土隔水层，厚度在0～120m，平均45m左右，但在M盘区的局部区域存在黄土缺失段(以下简称“天窗”)，煤炭开采过程中极易造成突水溃沙事故。侏罗系直罗组裂隙承压水含水层下部隔水层为直罗组层间泥岩、粉砂岩隔水层，平均厚度在0～90m，在M盘区隔水层厚度平均80m，隔水作用较好，但隔水层下部即为N号煤层，开采过程中极易被裂隙带导通，涌突水可能性较大。

多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，本专利的实施步骤如下：

步骤一、确定注浆靶区

首先，根据M盘区导水裂隙钻孔探测发现，该区导水裂隙发育的裂采比为24.8，因此，导水裂隙发育高度在150m左右。因此，煤层开采造成萨拉乌苏组潜水层、侏罗系直罗组裂隙承压水层均被导通。

其次，根据裂隙发育特征，潜在涌突水区域为M盘区的整个上覆区域。此外，考虑采空区中部应力恢复，是黄土、泥岩隔水层在水的作用下会重新弥合，而且黄土还有自愈合能力，裂隙渗透率很低，突水危险性较低；而采区边界裂隙不能完全弥合，裂隙渗透率较高，可能高于10mD。由于部分地区存在隔水层缺失，即“天窗”，因此确定隔水层人工再造的注浆靶区为：一是直罗组裂隙承压含水层底部，距离采取边界50m以内的区域；二是第四系中下更新统黄土隔水层的“天窗”区域，M盘区共有2个天窗，一个位于采区中部，区域大小为500m×1250m，另一个位于采取边界，区域大小为500m×1400m。

步骤二、确定钻孔布置

由于M盘区所处地层埋深较浅，而且地面注浆更方便，采用地面钻孔注浆。

浆液扩散半径计算：探水钻孔直井设计为5cm(实际注浆厚度需>5m)，裂隙平均宽度为1mm，注浆地层厚度设计为5m，裂隙岩体渗透率为10D，浆液粘度按700mPa.s，采用公式(3)～(5)计算获得浆液扩散半径约为51m。

钻孔布置：在确定的注浆靶区按照图3的方式布置钻孔，采用交错排状布置，横向上的钻孔间距为85m，竖向上的钻孔间距为75m。

步骤三、注浆材料设计

采用本专利提出的三级混合注浆材料，分别为水泥-水玻璃注浆材料、粘土-水泥注浆材料、凝胶注浆材料三种注浆材料构成，按照相关材料配比，进行浆液的段塞设计：一级段塞为水泥-水玻璃注浆材料，在注浆层位的最低位置，注浆岩层厚度2～4m以内，一方面起到立即封堵大的涌水通道，另一方面也防止后续的二级、三级浆液在重力作用下沿大的通道漏失；二级段塞为粘土-水泥注浆材料，注浆岩层厚度为整个设计注浆层位，本实例为>5m；三级注浆在二级注浆之后，也是整个设计注浆层位，本实例为>5m。

步骤四、注浆工艺参数设计

针对M盘区中部的“天窗”区域，仅在萨拉乌苏组潜水层底部砂层注浆，钻孔深度较小，在M盘区回采之前进行注浆，起到隔水层提前人工再造的作用，三级混合注浆材料注入段塞总量按照2:5:3的比例注入。

针对采取边界，需要萨拉乌苏组潜水层、侏罗系直罗组裂隙承压水层的底部注浆，采用长钻孔实现两段靶区注浆，一方面防止萨拉乌苏组地层水沿着“天窗”区域与未弥合裂隙漏失；另一方面也封堵侏罗系直罗组地层水沿着未弥合裂隙漏失。实施过程中，“天窗”层段在M盘区回采前注浆，起到隔水层提前人工再造的作用；其他层段注浆在煤层开采过程中或者煤层开采之后注入，起到封堵未弥合采动裂隙的作用。各级段塞注入量按照2:5:3的比例注入。

注浆压力一般选择2～8MPa，注入流速根据钻孔涌水量进行选取，若涌水量小于40L/min，流量选取40L/min，反之选取60L/min。

应用效果：示例盘区采用隔水层人工再造技术之后，矿区排水管线与水泵数量大幅减少，工作面煤层开采效率可提高30％以上，矿区地下水位提高8m以上；相比传统限高开采方法，试验块段煤炭采取率提高了近35％。

Claims (10)

1.一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、基于煤系地层水文地质调查资料，确定矿区地层中是否存在粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)，若存在则继续确认表土层(1)、砂层潜水含水层(2)、粘土隔水层(3)、裂隙砂岩或灰岩含水层(4)、泥岩隔水层(5)、煤层(6)的厚度与层间距信息，然后根据煤层开采厚度确定裂隙带(8)、采动裂隙(9)的采动裂隙导升高度，推断出潜在涌突水区域、突水区域的裂隙透水能力，并通过粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)的厚度确定出注浆靶区，注浆靶区位置位于砂层潜水含水层(2)的下部到粘土隔水层(3)的顶部之间，一级裂隙砂岩或灰岩含水层(4)的下部到泥岩隔水层(5)的顶部之间；

步骤二、调配适用于矿区动水注浆、多尺度孔隙与裂隙堵水的三种不同的混合注浆浆液，包括：水泥-水玻璃浆液、粘土-水泥浆液、凝胶浆液，之后将水泥-水玻璃浆液装入水泥-水玻璃浆液罐(12)，粘土-水泥浆液装入土-水泥浆液罐(13)，凝胶浆液装入凝胶浆液罐(14)；

步骤三、根据三种不同的混合注浆浆液的粘度、地层孔隙度与渗透率、注浆压力、注浆钻孔半径，确定单孔浆液扩散半径R，并确认矿区地层中地下水层与隔水层分布；

步骤四、在煤系地层地表垂直向靶区间隔布置多个注浆钻孔(21)，注浆钻孔(21)贯穿不同深度的多个注浆靶区，注浆钻孔(21)位置在平面上采取交错排状布置，一方面避免注浆区域重叠而增加成本，另一方面也保证靶区的全面封堵；

步骤五、根据煤层开采的时间进行注浆，在煤层开采前30天对隔水层缺失注浆靶区(10)进行注浆，保证采煤过程中隔水的作用，在煤层采后30天对裂隙未弥合注浆靶区(11)，保证采动覆岩中的部分裂隙在应力恢复作用下弥合，以较少钻孔实现多个靶区有效封堵；

步骤六、使用注浆器对注浆钻孔(21)中不同深度进行注浆，所述注浆器包括内部空心的注浆管柱(19)，注浆管柱(19)的顶部通过管路分别与水泥-水玻璃浆液罐(12)、粘土-水泥浆液罐(13)、凝胶浆液罐(14)连接，注浆管柱(19)的低端密封，靠近注浆管柱(19)的低端的侧面设有多个出浆口，注浆管柱(19)的出浆口上下端分别设有封隔器(20)，从而使出浆口的浆液只能在封隔器(20)允许的宽度向注浆钻孔(21)侧壁中的孔隙与裂隙注浆，封隔器(20)的宽度与待注浆的地层厚度匹配；利用注浆管柱(19)的出浆口移动到注浆靶区位置后进行注浆，只在注浆靶区所在的注浆层位向钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，在每个注浆靶区均利用三种混合注浆浆液实施三级段塞注浆，三级段塞注浆由下至上实施，一级段塞注入水泥-水玻璃浆液、二级段塞注入粘土-水泥浆液、三级段塞注入凝胶浆液；修复隔水层缺失段或封堵采动未弥合裂隙，从而实现了采动覆岩隔水层的人工再造。

2.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)均为隔水层，隔水层厚度小于5m的靶区界定为隔水层缺失注浆靶区(10)，隔水层厚度大于5m但煤层开采后裂隙未弥合的靶区界定为裂隙未弥合注浆靶区(11)；针对隔水层实施的三级段塞注浆，其中若隔水层较少，则可以不进行一级段塞注浆，只进行二级段塞和三级段塞的注浆。

3.根据权利要求2所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：三级混合注浆材料以段塞的形式通过注浆管柱(19)匹配封隔器(20)逐级在注浆钻孔(21)中注入不同的靶区地层，一级段塞注入靶区底部2～4m厚度范围，之后依次向上实施二级和三级段塞，从而注入靶区的整个厚度范围，二级段塞和三级段塞的浆液注入厚度大于5m；

注浆是当注浆流量下的注浆压力高于8MPa后结束当前段塞位置的注浆，各级段塞注入量为：

N_qi＝Q_iT_i

式中，N_qi为第i级段塞注入量，Q_i为注浆速率，T_i为第i级段塞初凝时间。

4.根据权利要求2所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：考虑对潜水层和承压水层两种水资源进行保护，针对粘土隔水层(3)厚度小于5m或没有粘土隔水层的区域，确定厚度在5m～8m范围的泥岩隔水层(5)为隔水层缺失注浆靶区；针对粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)渗透率与厚度乘积高于10mD·m的区域，mD为渗透率单位，毫达西，确定度厚在5m～8m范围的泥岩隔水层(5)为裂隙未弥合注浆靶区(11)。

5.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：

步骤一中，采动裂隙导升高度通过下式计算：

式中，H_d为采动裂隙导升高度，a、b为系数，M为煤层开采厚度，M₁为开采厚度小于3m的部分煤层，系数a、b具体针对不同采煤方法、不同地层岩石类型根据经验或实际数据拟合获得。

6.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：步骤二中，确定了应力恢复作用下孔隙型、裂隙型地层渗透率的计算公式：

k＝k₀e^-γσ

式中，k为渗透率，γ为渗透率模量，σ为有效应力恢复值，k₀为应力未恢复时的渗透率，k₀的计算公式为：

式中，φ_m为孔隙型地层孔隙度，r_a为地层平均孔隙半径；φ_f为裂隙型地层孔隙度，h_a为平均裂隙半宽。

7.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于步骤三中，通过浆液粘度、地层孔隙度与渗透性、注浆设备耐压能力，确定每个钻孔浆液扩散半径R的具体过程为：

式中，R为单个钻孔浆液扩散半径，R_c为钻孔半径，H_c为钻孔注浆地层厚度，P_c为钻孔注浆压力，P_w为地层静水压力，Q为注浆流量，μ为浆液粘度，A为宾汉流体修正系数。

8.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：基于单孔注浆扩散半径为R，从地面向靶区垂直布置的多个钻孔，在平面上将钻孔作为三角形的顶点，每三个组成等腰三角形的钻孔，组成等腰三角形的高为1.7R，底边为1.5R。

9.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：

所采用的凝胶注浆材料由纳米粘土、聚丙烯酰胺、乙酸铬、硫脲配制而成，纳米粘土质量百分数为1％～10％，聚丙烯酰胺质量百分数为1％～10％，乙酸铬质量百分数为0.1％～0.5％，硫脲质量百分数为0.1％～0.5％，其余成分为水；

所采用的水泥-水玻璃注浆材料由普通硅酸盐水泥、水玻璃、氢氧化钙配制而成，水泥质量百分数为30％～60％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为10％～20％；氢氧化钙质量百分数为5％～15％，其余成分为水；

所采用的粘土-水泥注浆材料由粘土、普通硅酸盐水泥、水玻璃配制而成，水玻璃为速凝剂，粘土质量百分数为30％～50％，普通硅酸盐水泥质量百分数为10％～25％，水玻璃模数3.0，水玻璃质量百分数为1％～5％，其余成分为水。

10.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于步骤五中，注浆压力选择2～8MPa，注浆速率根据钻孔涌水量进行选取，涌水量小于40L/min的钻孔注浆流量选取40L/min，反之选取60L/min。

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