CN115354961A - 一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，包括：对采矿区域进行地层勘察；以劈裂注浆的方式，向第四系含水层与风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液，形成第一隔水垫层；以下行注浆的方式，向曲线分支钻孔内注入第二浆液，形成第二隔水垫层；以上行注浆的方式，在第一隔水垫层的顶部继续注入第三浆液，形成第三隔水垫层。通过第一隔水垫层切断第四系含水层向风化基岩含水层的垂向补给；通过第二隔水垫层，实现对采后顶板的导水裂隙带内的导水通道进行封堵；通过在第三隔水层，提高总垫层高度，对煤层开采造成的地表变形进行治理，综合三次注浆操作，对矿井顶板水害防治及地表变形进行综合有效的治理，保护地下水资源。

Description

一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法
技术领域
本申请涉及矿井顶板水害防治及地表变形治理技术领域，尤其涉及一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法。
背景技术
随着国家煤炭资源开采重心逐渐向西部转移，西部煤层高强度开采造成导水裂隙带快速发育，以致导水裂隙带发育至基岩含水层内。由于部分矿井存在红土隔水层缺失的情况，导致其第四系萨拉乌苏组含水层(即第四系含水层)与基岩含水层之间存在较大的水力补给关系，以致地下水通过基岩含水层及导水裂隙带流入矿井，使第四系含水层成为稳定的矿井涌水补给，造成了矿井采空区内形成稳定的、大量的涌水问题。伴随着煤层顶板周期来压的作用，矿井采空区极易发生顶板突水事故，危及井下安全生产。并且，煤炭资源的高强度开采，易造成地表变形，以致出现土地破坏、水土流失等不可逆的环境损坏。
目前，国内针对顶板水害的防治主要分为两类：一类是对工作面开采工艺进行调整从而抑制导水裂隙带的发育高度，如充填开采、限高开采、改变采煤方法、留设隔水煤柱等；另一类是对顶板含水层进行改造，如对含水层进行提前疏放水、注浆进行通道封堵。上述方法各自具有其特点，并且具有一定的效果，但是均存在一定的局限性。第一类方法，针对厚煤层开采等条件时会造成大量的煤炭资源浪费；第二类方法，当遇到含水层补给来源较多时，无法进行疏放水等方案。并且，对于煤矿高强度开采引起的地表变形问题暂时没有较为合适的方法进行治理。
因此，如何在保证煤炭资源高强度开采的前提下，对矿井顶板水害防治及地表变形进行有效治理，以保护地下水资源，避免出现矿井突涌水等问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提出一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法。
基于上述目的，本申请第一方面提供了一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，包括如下步骤：
对采矿区域进行地层勘察，包括对位于地表层下方的第四系含水层、风化基岩含水层及导水裂隙带的位置、厚度、水分布情况进行勘察，确定所述导水裂隙带发育至所述风化基岩含水层内，且存在第四系含水层向风化基岩含水层的越流补给；其中，所述风化基岩含水层位于所述第四系含水层下方；
以劈裂注浆的方式，向所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液，直至符合第一预设条件，停止注入第一浆液，待所述第一浆液凝固后，形成第一隔水垫层；
从所述地表层向下施工曲线分支钻孔，所述曲线分支钻孔的顶部位于所述化基岩含水层内，所述曲线分支钻孔的底部位于所述导水裂隙带的顶部或顶部下方，以下行注浆的方式，向所述曲线分支钻孔内注入第二浆液，直至符合第二预设条件，停止注入第二浆液，待所述第二浆液凝固后，形成第二隔水垫层；
以上行注浆的方式，在所述第一隔水垫层的顶部继续注入第三浆液，直至符合第三预设条件，停止注入第三浆液，待所述第三浆液凝固后，形成第三隔水垫层，所述第三隔水垫层位于所述第一隔水垫层的顶部。
进一步地，所述第一浆液的注浆压力大于等于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面的垂向应力。
进一步地，在所述劈裂注浆之前，从所述地表层向下施工垂直钻孔，所述垂直钻孔的底部位于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处，向所述垂直钻孔内注入所述第一浆液，所述垂直钻孔的底部与所述曲线分支钻孔的顶部连通。
进一步地，所述垂直钻孔和所述曲线分支钻孔均设有多个，每一所述垂直钻孔与至少两个所述曲线分支钻孔连通，两个所述曲线分支钻孔以对应的垂直钻孔的中心轴线为轴对称分布。
进一步地，所述曲线分支钻孔的平均造斜率为13～17°/m。示例性的，曲线分支钻孔的平均造斜率可以为13°/m、14°/m、15°/m、16°/m、17°/m等。
进一步地，所述第一浆液和第二浆液的扩散半径均大于等于20m，相邻所述垂直钻孔之间的间距小于等于30m。
进一步地，所述第三预设条件为：所述第三浆液的总注浆量的计算公式为：Q＝A·S·H·ξ/K；
其中，A为不均匀扩散损失系数；S为第一隔水垫层顶部的面积，m2；H为地表层下沉量，m；K为第三浆液结石率；ξ为第三隔水垫层的压缩变形系数。
进一步地，所述第一浆液的粘度小于所述第三浆液的粘度。
进一步地，所述第一浆液的粘度小于50MPa·s且颗粒粒径小于60μm；和/或，所述第三浆液的粘度为50～70MPa·s且颗粒粒径小于60μm。
进一步地，所述第一浆液的流动性小于所述第二浆液，所述第一浆液的凝固速度小于所述第二浆液的凝固速度。
进一步地，所述第一浆液包括如下组分：水泥和水。
进一步地，所述第一浆液中水和水泥的质量比为0.5：1.0～1.2。
示例性的，所述第一浆液中水和水泥的质量比为0.5：1.0、0.5：1.1、0.5：1.2等。
进一步地，所述第二浆液包括如下组分：水泥、粉煤灰、膨润土、粒径为1～5mm的细砂和水。
进一步地，所述粉煤灰和水泥的质量比为3.5～4.5；水和水泥的质量比为0.7～1.2；所述膨润土和水的质量比为0.2～0.4；所述水泥和所述细沙的质量比为0.5～0.8。
示例性的，所述粉煤灰和水泥的质量比可以为3.5、4.0、4.5等；所述水和水泥的质量比可以为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2等；所述膨润土和水的质量比可以为0.2、0.3、0.4等；所述水泥和所述细沙的质量比可以为0.5、0.6、0.65、0.7、0.8等。
进一步地，所述第三浆液包括如下组分：水、水泥、粉煤灰。
进一步地，所述水、水泥和粉煤灰的质量比为0.5：1.0～1.2；0.5～1.0。
基于同一发明构思，本申请第二方面提供了一种煤层顶板堵水和地表减沉治理监测系统，包括：
数据综合处理模块；
注浆量监测模块，与所述数据综合处理模块电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的注浆量，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块；
浆液性质监测模块，与所述数据综合处理模块电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的浆料性质，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块；
注浆压力监测模块，与所述数据综合处理模块电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的注浆压力，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块。
从上面所述可以看出，本申请提供的煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，基于岩层交界面处进行隔水垫层再造，首先通过向第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液形成第一隔水垫层，切断第四系含水层向风化基岩含水层的垂向补给，从源头切断第四系含水层的水源供给；通过向所述曲线分支钻孔内注入第二浆液形成第二隔水垫层，实现对采后顶板的导水裂隙带内的导水通道进行封堵，从通道切断第四系含水层内的水向采空区涌流；进一步通过在所述第一隔水垫层的顶部继续注入第三浆液形成第三隔水层，提高总垫层高度，进而提高地表层的高度，对煤层开采造成的地表变形进行治理，综合三次在不同位置进行不同浆料的注浆操作，对矿井顶板水害防治及地表变形进行综合有效的治理，保护地下水资源，避免出现矿井突涌水等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的煤层顶板堵水和地表减沉治理方法的流程示意图；
图2为本申请实施例的形成第一隔水垫层后的示意图；
图3为本申请实施例的导水裂隙带注浆封堵完成后的示意图；
图4为本申请实施例的煤层顶板堵水和地表减沉治理方法整体的示意图；
图5为本申请实施例的煤层顶板堵水和地表减沉治理监测系统。
图中，1、注浆站；2、原始地表层；3、第一隔水垫层；4、导水裂隙带；5、采空区；6、煤层；7、第四系含水层与风化基岩含水层的交界面；8、风化基岩含水层底面；9、导水裂隙带顶部；10、变形后的地表层；11、曲线分支钻孔；12、第二隔水垫层；13、治理后的地表层；14、第三隔水垫层；15、垂直钻孔；16、注浆量监测模块；17、浆液性质监测模块；18、注浆压力监测模块；19、数据综合处理模块。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
参考图1，本申请提供了一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，具体包括如下步骤。
步骤S101、对采矿区域进行地层勘察，包括对位于地表层下方的第四系含水层、风化基岩含水层及导水裂隙带4的位置、厚度、水分布情况进行勘察，确定所述导水裂隙带4发育至所述风化基岩含水层内，且存在第四系含水层向风化基岩含水层的越流补给；其中，所述风化基岩含水层位于所述第四系含水层下方。
具体地，一般来说，采矿区从上至下依次为地表层、第四系含水层、风化基岩含水层，风化基岩含水层的下方有煤层6和采空区5。在开采过程中，由于对煤炭的高强度开采，增加了导水裂隙带4的发育高度，使导水裂隙带4发育至风化基岩含水层，进而造成第四系含水层连通风化基岩含水层和导水裂隙带4，使得地下水涌入采空区5，造成矿井涌水量急剧增加，同时对于生态脆弱地区，容易造成地下水流失、土地沙漠化等环境问题。同时，由于高强度开采，导致地表层下陷，发生变形。本申请专门针对该情况进行综合治理。
具体地，通过相关钻孔资料室内力学试验等手段，得到第四系含水层、风化基岩含水层的深度、顶板各岩层的物理力学参数，得到第四系含水层与风化基岩含水层交界面的深度。根据物探、钻探、瞬变电磁测量及地下水流速、流向检测等方法和手段，确定第四系含水层对风化基岩含水层存在越流补给，第四系含水层内的水会越流至风化基岩含水层。同时确定导水裂隙带4发育至风化基岩含水层内，导水裂隙带4成为连通风化基岩含水层、第四系含水层的强导水通道，地下水沿导水裂隙带4流入采空区5，造成采空区5大量涌水问题。
步骤S102、以劈裂注浆的方式，向所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液，直至符合第一预设条件，停止注入第一浆液，待所述第一浆液凝固后，形成第一隔水垫层3。
具体地，参考图2，在开采前，从所述地表层向下施工垂直钻孔15，所述垂直钻孔15的底部位于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处。向所述垂直钻孔15内注入第一浆液，增大注浆压力对该交界面附近进行挤压，使其沿交界面发生劈裂。在第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7进行劈裂注浆，通过施加液体压力在两岩层弱胶结面处，当液体压力超过抗拉强度时，岩体阻力最小的小主应力面产生水力劈裂，在岩体中突然形成破裂面，注浆浆液量突然增加。
其中，所述第一浆液的注浆压力大于等于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面的垂向应力。
所述垂向应力的计算公式为：
σv＝γh (1)
其中，γ—第四系岩层容重，N/m3；h—第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7至地表层的平均垂直距离，m。
由于是作用在岩层的交界面，交界面处的侧向应力主要为相对较小的摩擦力，因此其侧向水平应力远小于垂向应力，因此当第一浆液的注浆压力大于等于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面的垂向应力时，由于侧向水平应力更小，因此第一浆液主要是沿第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7进行水平劈裂延伸，进而形成水平注浆面。因此，最终形成的第一隔水垫层3为位于第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7处的水平分布的隔水垫层。
进行劈裂注浆时，劈裂面的浆液扩散范围，即单个垂直钻孔15的第一隔水垫层3的范围为：
Figure BDA0003728903010000071
其中，γg为浆液的重力密度，kN/m3；H为注浆压头与地下水压头之差；b为裂隙张开度；r为注浆的垂直钻孔的半径；t为注浆时间；μg为第一浆液的动力黏度，MPa·s。
其中，所述垂直钻孔15可以设有多个，多个所述垂直钻孔15均匀分布在待注浆区域。本实施例中，所述垂直钻孔15设有多个，相邻所述垂直钻孔15之间的间距小于等于30m，所述第一浆液的扩散半径均大于等于20m，这样使得各个垂直钻孔15形成的第一隔水垫层3之间存在交圈，保证整个第一隔水垫层3的完整性和隔水性。
其中，所述第一预设条件依据矿井控水采煤、含水层注浆改造技术领域内的通用标准，结合实际矿区情况进行设定。本实施例中，所述第一预设条件为：注浆压力稳定在2.5MPa左右20min以上。当注浆至符合第一预设结束条件时，表明劈裂注浆完成。
当注浆至符合第一预设结束条件后，停止注入第一浆液，待所述第一浆液凝固后，形成第一隔水垫层3，使得第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处形成第一隔水垫层3，切断第四系含水层向风化基岩含水层的垂向补给，从源头切断第四系含水层的水源供给，实现了对风化基岩含水层的基础改造。
其中，所述步骤S012可以在开采前进行，也可以在开采后进行，具体何时进行步骤S102在此不做具体限定，依据实际工程情况决定。而下述步骤S103、步骤S104均需在开采后进行。
步骤S103、从所述地表层向下施工曲线分支钻孔11，所述曲线分支钻孔11的顶部位于所述化基岩含水层内，所述曲线分支钻孔11的底部位于所述导水裂隙带4的顶部或顶部下方，以下行注浆的方式，向所述曲线分支钻孔11内注入第二浆液，直至符合第二预设条件，停止注入第二浆液，待所述第二浆液凝固后，形成第二隔水垫层12；
具体的，参考图3，所述垂直钻孔15的底部与所述曲线分支钻孔11的顶部连通。所述垂直钻孔15和所述曲线分支钻孔11均设有多个，每一所述垂直钻孔15与至少两个所述曲线分支钻孔11连通，两个所述曲线分支钻孔11以对应的垂直钻孔15的中心轴线为轴对称分布。
本实施例中，所述垂直钻孔15设有多个，每一所述垂直钻孔15与四个所述曲线分支钻孔11连通，四个所述曲线分支钻孔11以对应的垂直钻孔15的中心轴线为轴均匀对称分布。相邻所述垂直钻孔15之间的间距小于等于30m，所述第二浆液的扩散半径大于等于20m，这样使得相邻两个曲线分支钻孔11形成的第二隔水垫层12之间存在交圈，保证整个第二隔水垫层12的完整性和隔水性，确保对导水裂隙带4实现全面封堵。
其中，对导水裂隙带4的封堵采用曲线分支钻孔11，所述曲线分支钻孔11的平均造斜率为13～17°/m。通过平均造斜率较大的曲线分支钻孔11对导水裂隙带4进行封堵，既可以增加第二隔水垫层12的厚度，确保封堵效果，又可以提高注浆的效率，节约注浆时间。
其中，所述第二预设条件依据矿井控水采煤、含水层注浆改造技术领域内的通用标准，结合实际矿区情况进行设定。本实施例中，所述第二预设条件为：注浆压力稳定在4MPa左右20min以上。当注浆至符合第二预设结束条件时，表明导水裂隙带4封堵完成。
当注浆至符合第二预设结束条件后，停止注入第二浆液，待所述第二浆液凝固后，形成第二隔水垫层12，所述第二隔水垫层12位于所述导水裂隙带4的顶部或其下方，实现对采后顶板的导水裂隙带4内的导水通道进行封堵，从通道切断第四系含水层内的水向采空区5涌流。
步骤S104、以上行注浆的方式，在所述第一隔水垫层3的顶部继续注入第三浆液，直至符合第三预设条件，停止注入第三浆液，待所述第三浆液凝固后，形成第三隔水垫层14，所述第三隔水垫层14位于所述第一隔水垫层3的顶部。
具体的，参考图4，在导水裂隙带4封堵完成后，钻孔上行至第一隔水垫层3上方，采用黏度较大的第三浆液继续注浆，形成第三隔水垫层14。随着第三浆液的不断注入，第三隔水垫层14的高度不断增加，进而抬升地表层的高度，减少地下开采活动造成的地表变形量，最终实现对地表变形的治理。
进一步地，所述第三预设条件为：所述第三浆液的总注浆量的计算公式为：
Q＝A·S·H·ξ/K (3)
其中，Q为第三浆液的总注浆量；A为不均匀扩散损失系数；S为第一隔水垫层3顶部的面积，m2；H为地表层下沉量，m；K为第三浆液结石率；ξ为第三隔水垫层14的压缩变形系数。
其中，A、K、ξ均为常数，与实际注浆情况和第三浆液的性质有关，本实施例中，A取1.1，K取90％，ξ取1.2。
所述地表层下沉量依据开采强度和相关实测参数进行计算，依据地表层下沉量对第三隔水垫层14的厚度进行估算，并且依据地表层下沉量及上述公式(3)对第三浆液的总注浆量进行计算，以使得第三隔水垫层14的厚度符合实际治理需求。
本申请通过在所述第一隔水垫层3的顶部继续注入第三浆液形成第三隔水垫层14，提高总垫层高度，进而提高地表层的高度，对煤层6开采造成的地表变形进行治理。
整个注浆工程属于先下行注浆(依次为第一隔水垫层3-第二隔水垫层12)，再上行至第一隔水垫层3上方注浆形成第三隔水垫层14。如果将第三隔水垫层14的注浆过程放在第二隔水垫层12注浆之前进行操作，那么会使得第二隔水垫层12的注浆操作较为复杂和繁琐，不利于实际操作。并且，只有第二隔水垫层12注浆完成之后，对待需要抬升的地表层的高度才能有较为准确的测算，此时再进行第三隔水垫层14的注浆，才会更高效，更准确。
从上面所述可以看出，本申请提供的煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，通过向第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液形成第一隔水垫层3，切断第四系含水层向风化基岩含水层的垂向补给，从源头切断第四系含水层的水源供给；在开采后，通过向所述曲线分支钻孔11内注入第二浆液形成第二隔水垫层12，实现对采后顶板的导水裂隙带4内的导水通道进行封堵，从通道切断第四系含水层内的水向采空区5涌流；进一步通过在所述第一隔水垫层3的顶部继续注入第三浆液形成第三隔水层，提高总垫层高度，进而提高地表层的高度，对煤层6开采造成的地表变形进行治理，综合三次在不同位置进行不同浆料的注浆操作，对矿井顶板水害防治及地表变形进行综合有效的治理，保护地下水资源，避免出现矿井突涌水等问题。
在一些实施例中，所述第一浆液的粘度小于所述第三浆液的粘度。具体地，所述第一浆液的粘度小于50MPa·s且颗粒粒径小于60μm；和/或，所述第三浆液的粘度为50～70MPa·s且颗粒粒径小于60μm。所述第一浆液的流动性小于所述第二浆液，所述第一浆液的凝固速度小于所述第二浆液的凝固速度。
具体的，本申请采用第一浆液对风化基岩含水层进行改性，采用第二浆液对导水裂隙带4进行封堵，采用第三浆液提升地表层的高度。
由于所述第一浆液的流动性较差且凝固速度较小，凝固较慢，因此其可以缓慢的以浆态流动，可以更好的驱赶风化基岩含水层的裂隙内的裂隙水，以保证注浆封堵的效果。
由于第二浆液的流动性较好且凝固速度较大，凝固较快，因此其可以快速的流经曲线分支钻孔11且可以快速凝固，减少水流冲刷对第二浆液的驱散作用，提高封堵效率。
由于第三浆液的粘度较大，确保第三浆液在第一隔水垫层3顶部扩散过程的稳定性，以形成厚度均匀且稳定的第三隔水垫层14，以对地表层进行均匀有效的治理，避免地表层各个部位抬升高度出现不一致的情况。
其中，所述第一浆液包括如下组分：水和水泥；所述第一浆液中水和水泥的质量比为0.5：1.0～1.2。
所述第二浆液包括如下组分：水泥、粉煤灰、膨润土、粒径为1～5mm的细砂和水；所述粉煤灰和水泥的质量比为3.5～4.5；水和水泥的质量比为0.7～1.2；所述膨润土和水的质量比为0.2～0.4；所述水泥和所述细沙的质量比为0.5～0.8。
所述第三浆液包括如下组分：水、水泥、粉煤灰；所述第三浆液中水、水泥和粉煤灰的质量比为0.5：1.0～1.2；0.5～1.0。相较于第一浆液，所述第三浆液中添加了粉煤灰，以提升第三浆液的粘度。
本申请中，针对风化基岩含水层的不同区域，不仅采用了不同的注浆方式，还使用了不用的浆液，每种浆液匹配特定的注浆区域，既确保了注浆的效果，又节约了注浆的成本。
参考图4，本申请提供了一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，具体包括如下步骤。
(1)矿井水文地质勘探：通过相关钻孔资料室内力学试验等手段，得到第四系含水层、风化基岩含水层的位置、深度和顶板各岩层的物理力学参数，得到第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7的深度，确定交界面的劈裂压力。
(2)隔水垫层再造区域范围：根据物探、钻探、瞬变电磁测量及地下水流速、流向检测等方法和手段，确定第四系含水层越流至风化基岩含水层的降落漏斗区域，同时确定导水裂隙带4发育至风化基岩含水层内，从而形成连通风化基岩含水层、第四系含水层的强导水通道，地下水沿导水裂隙带4流入采空区5，造成采空区5大量涌水问题。
(3)隔水垫层再造注浆参数：
①在第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7处进行劈裂注浆，通过施加液体压力在两岩层弱胶结面处，当液体压力超过抗拉强度时，岩体阻力最小的小主应力面产生水力劈裂，在岩体中突然形成破裂面，注浆浆液量突然增加。
其中，两岩层交界面的垂向应力计算公式为：σv＝γh；
其中，γ—第四系岩层容重，N/m3；h—第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7至地表层的平均垂直距离，m。
由于是作用在岩层的交界面，交界面处的侧向应力主要为相对较小的摩擦力，因此其侧向水平应力远小于垂向应力，所以浆液主要是沿其交界面进行劈裂延伸，进而形成水平注浆面。
②劈裂面浆液扩散范围，即单孔垫层范围为：
Figure BDA0003728903010000111
其中，γg为浆液的重力密度，kN/m3；H为注浆压头与地下水压头之差；b为裂隙张开度；r为注浆的垂直钻孔的半径；t为注浆时间；μg为第一浆液的动力黏度，MPa·s。
其中，注浆压头是注浆口处的压力大小，地下水压头是促进水在地下流动的水柱的高度。
(4)隔水垫层再造过程：
a、在采前将垂直孔钻进至第四系含水层与风化基岩含水层的交界面7处，增大注浆压力对岩层交界面附近进行挤压，使其沿交界面发生劈裂
b、当劈裂后采用粘度小于MPa·s且颗粒粒径小于60μm的第一浆液进行注浆，增大注浆压力使第一浆液沿水平交界面内不断扩张。所述第一浆液包括如下组分：水和水泥，所述水和水泥的质量比为0.5：1.0。
c、当注浆压力稳定在2.5MPa左右，时间大于20min，表明水平劈裂注浆完成。
(5)导水裂隙通道封堵
待水平劈裂注浆完成后，改为采用第二浆液进行注浆。所述第二浆液包括如下组分：水泥、粉煤灰、膨润土、粒径为1～5mm的细砂和水，所述粉煤灰和水泥的质量比为4.0；水和水泥的质量比为0.9；所述膨润土和水的质量比为0.23。所述水泥和所述细沙的质量比为0.65。以该配比为基础配比，实际注浆过程中，所述第二浆液的组分含量以基础配比为基础行动态调节，最终形成第二隔水垫层12。
采后顶板基岩内存在大量的导水裂隙带4，当第一隔水垫层3完成后，钻孔下行，在导水裂隙带4上方采用快速凝结的大量第二浆液进行注浆，使第二浆液进入导水裂隙带4内进行注浆封堵，减少井下涌水量。
当注浆压力稳定在了4MPa左右，稳定时间不小于20min，表明导水裂隙带4封堵完成。
(6)地表变形治理
在导水裂隙带4封堵完成后，钻孔上行至第一隔水垫层3上方，采用黏度较大的第三浆液继续注浆以提高垫层高度，随着第三隔水垫层14高度不断增加来抬升地表层的高度，减少地下开采活动造成的地表变形，最终实现对地表变形问题的治理。
其中，第三浆液的总注浆量计算公式如下，Q＝A·S·H·ξ/K；其中，Q为第三浆液的总注浆量；A—不均匀扩散损失系数，取1.1；S—垫层涉及面积，m2；H—垫层高度，m；K—浆液结石率，取90％；ξ—垫层压缩变形系数，取1.2。
其中，所述第三浆液包括如下组分：水、水泥和粉煤灰。所述水、水泥和粉煤灰的质量比为0.5：1.0；1.0。
(7)隔水垫层质量监测设备及使用
在隔水垫层再造注浆过程中，可以通过注浆监测系统对注浆压力、注浆速度、浆液性质、注浆量及不同压力持续时间进行细致的监测与分析，进而对注浆压力、浆液配比及注浆量等参数进行优化改进，保证隔水垫层注浆效果的最优化。
本申请中，使用劈裂注浆方法，可以有效利用岩层交界面的特性，使浆液能够沿交界面边劈裂边注浆，形成第一隔水垫层3。交界面处形成的第一隔水垫层3具有强度大、隔水性好和不易变形的特点，可以有效的防止后续在进行第三隔水垫层14的注浆工艺时出现浆液下渗等问题。
每个垂直钻孔15的第一隔水垫层3的扩散半径不小于20m，导水裂隙带4内第二浆液的扩散范围不小于20m，相邻垂直钻孔15间距为30m，使得各个垂直钻孔15形成的隔水垫层之间存在交圈，保证整个隔水垫层的完整性和隔水性。
下行后的导水裂隙带4注浆主要是对开采后煤层6顶板内形成的导水裂隙带4通道进行封堵，阻止地下水流入采空区5。
第三隔水垫层14的高度根据开采强度和相关参数进行下沉量计算，根据注浆量对第三隔水垫层14高度进行估算，使第三隔水垫层14高度达到预估下沉值，随后通过地面下沉量监测对注浆量进行实时调整，进而减少煤层6开采对地表变形的影响。
相比于现有技术，本申请具有的有益效果为：
本申请能够有效弥补国内顶板水害治理技术的不足，主要针对部分地区存在第四系含水层越流补给至风化基岩含水层进而通过导水裂隙带4进入采空区5，形成水量大、持续时间长的采空区5涌水问题。通过采前对顶板岩层弱胶结面进行劈裂注浆形成第一隔水垫层3，切断第四系含水层的垂向补给；钻孔下行穿过第一隔水垫层3，当采动裂隙带发育至隔水垫层下方，增大注浆量，对下部的导水裂隙带4内的导水通道进行封堵；基于开采参数对地表沉降范围及深度进行预测，在第一隔水垫层3上方动态增加第三隔水垫层14，对煤层6开采造成的地表变形进行治理。综合三次在不同位置进行不同浆料的注浆操作，对矿井顶板水害防治及地表变形进行综合有效的治理，保护地下水资源，避免出现矿井突涌水等问题。
基于同一发明构思，参考图5，本申请还提供了一种煤层6顶板堵水和地表减沉治理监测系统，包括：
数据综合处理模块19；
注浆量监测模块16，与所述数据综合处理模块19电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的注浆量，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块19；
浆液性质监测模块17，与所述数据综合处理模块19电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的浆料性质，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块19；
注浆压力监测模块18，与所述数据综合处理模块19电连接，被配置为实时监测第一浆液、第二浆液和第三浆液的注浆压力，并将监测结果发送至所述数据综合处理模块19。
在隔水垫层再造注浆过程中，通过注浆监测系统对注浆压力、注浆速度、浆液性质、注浆量及不同压力持续时间进行细致的监测与分析，得到注浆效果的评价，进而对注浆压力、浆液配比及注浆量等参数进行优化改进，保证隔水垫层注浆效果的最优化。通过隔水垫层建造、导水裂隙封堵和垫层厚度调整等综合方法，最终实现煤层6顶板水害防治与地表变形治理。
为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
上述实施例的系统用于监测前述任一实施例中相应的煤层6顶板堵水和地表减沉治理方法中的各个参数，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层顶板堵水和地表减沉治理方法，其特征在于，包括如下步骤：
对采矿区域进行地层勘察，包括对位于地表层下方的第四系含水层、风化基岩含水层及导水裂隙带的位置、厚度、水分布情况进行勘察，确定所述导水裂隙带发育至所述风化基岩含水层内，且存在第四系含水层向风化基岩含水层的越流补给；其中，所述风化基岩含水层位于所述第四系含水层下方；
以劈裂注浆的方式，向所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处注入第一浆液，直至符合第一预设条件，停止注入第一浆液，待所述第一浆液凝固后，形成第一隔水垫层；
从所述地表层向下施工曲线分支钻孔，所述曲线分支钻孔的顶部位于所述化基岩含水层内，所述曲线分支钻孔的底部位于所述导水裂隙带的顶部或顶部下方，以下行注浆的方式，向所述曲线分支钻孔内注入第二浆液，直至符合第二预设条件，停止注入第二浆液，待所述第二浆液凝固后，形成第二隔水垫层；
以上行注浆的方式，在所述第一隔水垫层的顶部继续注入第三浆液，直至符合第三预设条件，停止注入第三浆液，待所述第三浆液凝固后，形成第三隔水垫层，所述第三隔水垫层位于所述第一隔水垫层的顶部。
2.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液的注浆压力大于等于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面的垂向应力。
3.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，在所述劈裂注浆之前，从所述地表层向下施工垂直钻孔，所述垂直钻孔的底部位于所述第四系含水层与所述风化基岩含水层的交界面处，向所述垂直钻孔内注入所述第一浆液，所述垂直钻孔的底部与所述曲线分支钻孔的顶部连通。
4.根据权利要求3所述的治理方法，其特征在于，所述垂直钻孔和所述曲线分支钻孔均设有多个，每一所述垂直钻孔与至少两个所述曲线分支钻孔连通，两个所述曲线分支钻孔以对应的垂直钻孔的中心轴线为轴对称分布。
5.根据权利要求4所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液和第二浆液的扩散半径均大于等于20m，相邻所述垂直钻孔之间的间距小于等于30m。
6.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第三预设条件为：所述第三浆液的总注浆量的计算公式为：Q＝A·S·H·ξ/K；
其中，Q为第三浆液的总注浆量；A为不均匀扩散损失系数；S为第一隔水垫层顶部的面积，m2；H为地表层下沉量，m；K为第三浆液结石率；ξ为第三隔水垫层的压缩变形系数。
7.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液的粘度小于所述第三浆液的粘度。
8.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液的粘度小于50MPa·s且颗粒粒径小于60μm；和/或，所述第三浆液的粘度为50～70MPa·s且颗粒粒径小于60μm。
9.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液的流动性小于所述第二浆液，所述第一浆液的凝固速度小于所述第二浆液的凝固速度。
10.根据权利要求1所述的治理方法，其特征在于，所述第一浆液包括如下组分：水和水泥；和/或，所述第二浆液包括如下组分：水泥、粉煤灰、膨润土、粒径为1～5mm的细砂和水；和/或，所述第三浆液包括如下组分：水、水泥和粉煤灰。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4437520A (en) * 1981-06-15 1984-03-20 In Situ Technology, Inc. Method for minimizing subsidence effects during production of coal in situ
CN106050234A (zh) * 2016-05-26 2016-10-26 中国神华能源股份有限公司 在煤炭开采过程中对地下水进行保护的施工工艺
US20160356138A1 (en) * 2012-10-25 2016-12-08 Solvay Sa In situ method for sealing undesirable transverse fractures under hydraulic pressure during lithological displacement of an evaporite deposit
CN108999634A (zh) * 2018-07-26 2018-12-14 中国矿业大学 地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法
CN110043312A (zh) * 2019-04-04 2019-07-23 中勘资源勘探科技股份有限公司 一种注浆充填地表沉降范围的控制方法
CN110761814A (zh) * 2019-10-30 2020-02-07 中煤科工集团西安研究院有限公司 基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法
CN112392431A (zh) * 2019-08-19 2021-02-23 陈存强 通过采动裂隙带内水平长钻孔动态保压注浆封堵裂隙防治煤层顶板水害技术
CN112879011A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 中煤科工开采研究院有限公司 一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7334644B1 (en) * 2007-03-27 2008-02-26 Alden Ozment Method for forming a barrier
CN113338847B (zh) * 2021-06-08 2022-02-25 中国矿业大学(北京) 用于覆岩三带探测钻孔的充填袋及封孔方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4437520A (en) * 1981-06-15 1984-03-20 In Situ Technology, Inc. Method for minimizing subsidence effects during production of coal in situ
US20160356138A1 (en) * 2012-10-25 2016-12-08 Solvay Sa In situ method for sealing undesirable transverse fractures under hydraulic pressure during lithological displacement of an evaporite deposit
CN106050234A (zh) * 2016-05-26 2016-10-26 中国神华能源股份有限公司 在煤炭开采过程中对地下水进行保护的施工工艺
CN108999634A (zh) * 2018-07-26 2018-12-14 中国矿业大学 地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法
CN110043312A (zh) * 2019-04-04 2019-07-23 中勘资源勘探科技股份有限公司 一种注浆充填地表沉降范围的控制方法
CN112392431A (zh) * 2019-08-19 2021-02-23 陈存强 通过采动裂隙带内水平长钻孔动态保压注浆封堵裂隙防治煤层顶板水害技术
CN110761814A (zh) * 2019-10-30 2020-02-07 中煤科工集团西安研究院有限公司 基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法
CN112879011A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 中煤科工开采研究院有限公司 一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法

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