CN115182782A - 一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利属于煤矿地下水保护及灾害防治领域，具体涉及一种煤矿开采地下水“浅保‑深储”全空间保护方法。本发明充分发挥传统保水开采和煤矿地下水库优势，其核心是“主关键层下注浆不破断，保护浅部含水层，深部矿井水利用采空区储存、自净化后再利用”，充分利用地表和井下施工过程中互不干扰的优势，不影响采煤工作面高效生产；通过在主关键层下注浆控制其不发生破断，能够避免上覆岩层中关键层破断产生强烈动载荷对传统煤矿地下水库隔水煤柱和人工坝体失稳的危险，显著提高了煤矿的安全性；根据岩层“类双曲线”移动，对主关键层下注浆充填的采比进行了修正，修正后注采比与现场实测结果更接近，能够更准确指导现场注浆。
Description
技术领域
本发明专利属于煤矿地下水保护及灾害防治领域，具体涉及一种通过主关键层下精准注 浆保护浅部地下水，同时利用采空区建设地下水库储存深部矿井水，实现煤矿水资源空间保 护与再利用的方法。
背景技术
安全、高效和绿色是当今煤炭开采的三大主题。煤炭开采引起上覆岩层破断移动，当采 动裂隙与含水层连通时，地下水将流向采空区，造成一定范围内地下水位下降、生态破坏。 传统采用抽排方法处理矿井水，造成地表环境污染和水资源浪费。据统计，我国每年因煤炭 开采破坏地下水约80亿吨，而利用率仅25％左右，损失的矿井水资源相当于我国每年工业 和生活缺水量(100亿吨)的60％。西部矿区煤炭产量约占全国煤炭产量70％，但水资源匮乏， 仅占全国3.9％。随着我国煤炭开发战略西移，煤炭规模化开发与水资源短缺的矛盾更为突出。 煤炭开采对地下水资源和地表生态的破坏是煤炭开发面临的主要问题。
传统保水开采主要保护浅层的地下水，常采用的方法是窄条带不充填或条带充填开采保 护浅部含水层，但对深部地下水仍然采用抽排的方法来处理，仍会造成大量水资源浪费。并 且窄条带不充填会造成煤炭资源浪费严重，条带充填开采由于回采工作面增加了充填工艺， 造成开采效率较低，难以实现高产高效开采。煤矿地下水库则是充分利用采空区破断岩体空 隙将矿井水储存起来，实现地下水资源再利用。但浅部的含水层仍然会遭受破坏，造成浅部 地下水位下降和地表植被缺水。
因此，有必要设计一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法。本发明是在充分 发挥传统保水开采和煤矿地下水库优势的基础上而提出的一种综合保护地下水资源的方法。 其核心是“基于关键层理论利用天然或构建人工隔水层，保护浅部地下水，避免水位下降和 地表生态破坏；利用采空区建地下水库，储存深部地下水，自净化后重新利用”。采动地下水 “浅保-深储”空间保护与再利用技术充分利用地表和井下在空间上施工过程中互不干扰的优 势，不影响采煤工作面高效生产。从地表间隔一定距离(小于主关键层断裂步距)钻井至主 关键层下部，进行注浆建立人工隔水层(注浆材料一般采用粉煤灰浆体)，保护浅部含水层， 避免浅部水位下降；深部含水层在随顶板断裂而破坏，利用采空区建立地下水库储存深部的 地下水资源。
发明内容
本发明的目的是为了解决煤矿开采造成地下水位下降、地表植被破坏和矿井水排放造成 的环境污染问题，而设计了一种通过主关键层下精准注浆保护浅部地下水，同时利用采空区 储存深部矿井水，经自净化后再利用，实现煤矿水资源全空间保护。
本发明提出了一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，该技术能够实现将传 统保水开采和煤矿地下水库的优势互补结合。地表钻井至主关键层下部进行精准注浆建立人 工隔水层，保护浅部含水层；深部利用采空区建立地下水库储存深部地下水资源，充分利用 地表和井下在空间上施工互不干扰的优势，不影响采煤工作面高效生产。
为实现上述目的，而设计了一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法：
(1)根据关键层理论，判定上覆岩层中的主关键层，必须满足强度和刚度2个条件：
其中，
式中，E、h、γ分别为岩层的弹性模量、厚度、容重；q为岩层上的载荷；[σt]为岩层抗 拉强度；L为岩层周期断裂步距。由此可确定上覆岩层中的关键岩层，最上部关键岩层称为主关键层。
(2)根据主关键层极限跨距和基岩垮落角，主关键层下初次注浆位置和周期注浆钻孔间 距分别为
(3)根据相似模拟试验或数值模拟确定主关键层下部岩层垮落角；
(4)根据岩层“类双曲线”移动，可得修正后的不同注浆充填层位注采比：
(5)根据干灰质量与压实灰体体积的换算关系，得出主关键层下注浆量：
式中，Wm为工作面宽度；η为当量压缩系数，可根据试验数据拟合曲线确定。
(6)根据上面计算得出的注浆参数，采煤过程中间隔指定距离从地表钻孔进行注浆。
所述的上覆岩层中必须存在主关键层，根据关键层理论来判定。
所述的主关键层下注浆材料一般采用粉煤灰，颗粒直径范围为2mm～20mm，并加入适量 的纳米黏土或黄土，起到更好的隔水作用，比例约占2％～5％。
所述的地表钻孔至主关键层下注浆的钻孔直径范围为200mm～400mm，可超前工作面进 行预先钻孔。
所述的地表钻孔至主关键层下注浆泵压力范围1MPa～5MPa，每小时注浆量不低于5t。
所述的深部储水采空区位置选址应无断层等地质构造。
所述的深部储水采空区的煤柱宽度应该不小于15m，具体根据开采煤层厚度和强度确定； 人工隔水坝体水泥强度不小于80MPa。
本发明与传统保水开采相比，具有以下优点：
第一，本发明充分发挥传统保水开采和煤矿地下水库优势，其核心是“主关键层下注浆 不破断，保护浅部含水层，深部矿井水利用采空区储存、自净化后再利用”，充分 利用地表和井下施工过程中互不干扰的优势，不影响采煤工作面高效生产；
第二，本发明通过在主关键层下注浆控制其不发生破断，能够避免上覆岩层中关键层破 断产生强烈动载荷对传统煤矿地下水库隔水煤柱和人工坝体失稳的危险，显著提高了煤矿的安全性；
第三，根据岩层“类双曲线”移动，对主关键层下注浆充填的采比进行了修正，修正后 注采比与现场实测结果更接近，能够更准确指导现场注浆。
附图说明
图1采动地下水“浅保-深储”空间协同控制技术示意图
图2采动地下水“浅保-深储”空间协同控制技术三维图
图3不同位置主关键层下注浆区修正模型图
图中：1.采空区(地下水库)；2.主关键层下注浆区；3.浅部含水层；4.主关键层；5.深部含水层；6.底板；7.开采煤层；8.区段煤柱；9.人工坝体；10.采煤工作面；11.注浆 泵；12.地表注浆钻孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
(1)根据关键层理论，判定上覆岩层中的主关键层，必须满足强度和刚度2个条件：
其中，
式中，E、h、γ分别为岩层的弹性模量、厚度、容重；q为岩层上的载荷；[σt]为岩层抗 拉强度；L为岩层周期断裂步距。由此可确定上覆岩层中的关键岩层，最上部关键岩层称为主关键层。
(2)根据主关键层极限跨距和基岩垮落角，主关键层下初次注浆位置和周期注浆钻孔间 距分别为
(3)根据相似模拟试验或数值模拟确定主关键层下部岩层垮落角；
(4)根据岩层“类双曲线”移动，可得修正后的不同注浆充填层位注采比：
(5)根据干灰质量与压实灰体体积的换算关系，得出主关键层下注浆量：
式中，Wm为工作面宽度；η为当量压缩系数，可根据试验数据拟合曲线确定。
(6)根据上面计算得出的注浆参数，采煤过程中间隔指定距离从地表钻孔进行注浆。
(7)利用采空区建设地下水库，构筑人工坝体进行密封，将深部含水层破坏后流入到采 空区的矿井水调至已经建好的采空区，经过自净化后作为深部储备水资源。
Claims (7)
1.一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其包含两个重要注浆步骤：
(a)根据主关键层极限跨距和基岩垮落角，主关键层下初次注浆位置和周期注浆钻孔间距分别为
(b)根据岩层“类双曲线”移动，可得不同注浆充填层位注采比的修正计算方法：
2.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其中上覆岩层中必须存在主关键层，根据关键层理论来判定。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其中主关键层下注浆材料一般采用粉煤灰，颗粒直径范围为2mm～20mm，并加入适量的纳米黏土或黄土，起到更好的隔水作用，比例约占2％～5％。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其中地表钻孔至主关键层下注浆的钻孔直径范围为200mm～400mm，可超前工作面进行预先钻孔。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”空间保护与再利用方法，其中地表钻孔至主关键层下注浆泵压力范围1MPa～5MPa，每小时注浆量不低于5t。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其中深部储水采空区位置选址应无断层等地质构造。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法，其中深部储水采空区的煤柱宽度应该不小于15m，具体根据开采煤层厚度和强度确定；人工隔水坝体水泥强度不小于80MPa。
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| CN202111173805.2A CN115182782A (zh) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法 |
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| CN202111173805.2A CN115182782A (zh) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法 |
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| CN115182782A true CN115182782A (zh) | 2022-10-14 |
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| CN202111173805.2A Pending CN115182782A (zh) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 一种煤矿开采地下水“浅保-深储”全空间保护方法 |
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| CN (1) | CN115182782A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115600401A (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-13 | 中国矿业大学（北京）（Cn） | 一种维护煤矿地下水库安全的下关键层稳定性评价方法 |
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2021
- 2021-10-08 CN CN202111173805.2A patent/CN115182782A/zh active Pending
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| CN115600401A (zh) * | 2022-10-17 | 2023-01-13 | 中国矿业大学（北京）（Cn） | 一种维护煤矿地下水库安全的下关键层稳定性评价方法 |
| CN115600401B (zh) * | 2022-10-17 | 2023-09-08 | 中国矿业大学(北京) | 一种维护煤矿地下水库安全的下关键层稳定性评价方法 |
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