CN115467639A - 一种地面定向探查封堵的截水减排方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面定向探查封堵的截水减排方法。该方法首先在地面施工低位定向钻孔探查冒落带顶部优势导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔和主导水通道充填采空区；在地面施工高位定向钻孔探查保水目标含水层底部的优势导水通道，将激发后具备防渗能力的粉煤灰基浆液通过定向钻孔封堵主导水通道，分别沿工作面走向以及切眼、停采线方向按照一定间距分水平施工低、高位定向钻孔，探查优势导水通道，依次利用煤矸石基、激发后的粉煤灰基浆液进行注浆封堵，由此形成全工作面截水帷幕墙体，从而实现减小采煤工作面顶板涌水，实现地下水资源的保护，以及煤矸石、粉煤灰等综合利用。

Description

一种地面定向探查封堵的截水减排方法

技术领域

本发明涉及一种截水减排方法，属于煤炭开采技术领域，具体是涉及一种地面定向探查封堵的截水减排方法。

背景技术

西部煤矿区(晋陕蒙宁甘)是保障我国能源安全的核心区域，煤炭储量和产量均占全国70％以上，是我国能源供应的压仓石。西部煤矿区煤层开采形成的采动裂隙发育至近地表的富水性好的松散层含水层、或者巨厚层状白垩系砂岩含水层内(大于200m)，导致含水层地下水沿采动裂隙进入采煤工作面，一般形成严重的顶板水害问题与水资源漏失问题，矿井涌水量普遍在1000m3/h以上，最大可达7000m3/h，为矿井安全开采与矿区水资源带来极大影响。同时，在煤矿开采和选煤厂作业中，会产生大量煤矸石，一般可占煤炭产量的15％，目前我国矸石累计堆放量超过60亿t，大量的煤矸石对环境造成地表下沉、水土流失、地质沙漠化和生态破坏等问题。另外，以煤炭为电力生产基本燃料的国策在长时间内不会改变，燃烧1t原煤生产粉煤灰250～300kg，目前全国粉煤灰平均综合利用率为70％，但西部地区由于粉煤灰产量大、建材行业需求低造成粉煤灰综合利用远低于全国水平。

随着西部煤矿区“生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行”、“矿井水零排放”“煤矸石零排”“固废处理利用”等绿色发展路线进一步实施，西部矿区煤层顶板水害防治、水资源保护、煤矸石与粉煤灰处理利用需求强烈。

目前针对顶板水害防治，传统方法是采用钻探工程预先疏干、疏降含水层地下水，或通过限制煤层采高、条带开采等手段抑制导水裂隙高度，使导水裂隙不能揭露富水性好的含水层，进而达到消除或减轻矿井顶板水害的目的。利用以上方法有效减少了工作面回采过程中的涌水量，保证了工作面安全回采。然而高强度的疏排含水层地下水，不仅增加了矿井的排水费用，同时极大地浪费了地下水资源。而采用限制煤层采高、条带开采等抑制导水裂隙高度的方法，是以牺牲大量煤炭资源开采为代价的，存在高成本、低煤炭资源采出率的难题，不满足矿区高效开采需求。

大量理论研究、物理模拟测试、井下涌水观测成果显示，煤层开采引起的覆岩层不同区段的采动应力状态不同，岩层张拉、压剪、压缩破坏模式在空间差异明显，而具有导水意义一般为张拉型破坏，即在采煤工作面两侧存在以拉张破坏为主的主导水裂隙通道(图1)，这是引起煤层顶板含水层涌水失水的主要导水通道。

因此，在保障煤炭资源高效开采的同时，如何探查煤层开采形成优势导水通道，并进行封堵，对于显著减小采煤工作面涌水，实现地下水资源的原位保护，以及煤矸石、粉煤灰等固废利用具有重要意义，是本领域重大技术需求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种地面定向探查封堵的截水减排方法。该方法首先在地面施工低位定向钻孔探查冒落带顶部优势导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔和主导水通道充填采空区；在地面施工高位定向钻孔探查保水目标含水层底部的优势导水通道，将激发后具备防渗能力的粉煤灰基浆液通过定向钻孔封堵主导水通道，分别沿工作面走向以及切眼、停采线方向按照一定间距分水平施工低、高位定向钻孔，探查优势导水通道，依次利用煤矸石基、激发后的粉煤灰基浆液进行注浆封堵，由此形成全工作面截水帷幕墙体，从而实现减小采煤工作面顶板涌水，实现地下水资源的保护，以及煤矸石、粉煤灰等综合利用。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种地面定向探查封堵的截水减排方法，包括：

步骤1，充分收集采煤工作面各类地质与水文地质资料，分析煤层顶板覆岩结构；

步骤2，基于煤层开采形成的冒落带与裂缝带高度计算采动导水裂隙带高度；

步骤3，基于采动导水裂隙带揭露覆岩层位，将导水裂隙带高度已穿越含水层底板的相对隔水层的含义水层和/或已被导水裂隙带直接揭露的含水层，确定为需要治理保护的含水层；

步骤4，以冒落带顶部预定的第一距离为第一设计层位，在地面施工通向第一设计层位的低位定向钻孔探查主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔充填入采空区以封堵对钻井液全漏失段两侧主导水通道；

步骤5，以导水裂隙带最大高度底部预定的第二距离为第二设计层位，在地面施工通向所述第二设计层位的高位定向钻孔探查主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔充填入采空区以封堵对钻井液全漏失段两侧主导水通道；

步骤6，确定出采煤工作面走向上的同一主孔同水平分支孔孔数，以及各主孔之间的间距，在采煤工作面走向上，重复实施步骤4-5；形成工作面走向上的注浆帷幕墙体。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，还包括：

步骤7，确定出煤工作面切眼与停采线位置同一主孔同水平分支孔孔数，以及主孔之间的间距，重复实施步骤4-5，形成煤工作面切眼与停采线方向上的注浆帷幕墙体。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，所述步骤3中，将相对隔水层不能被采动导水裂缝高度穿越的含水层作为不须进行治理的含水层。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，所述步骤4中，所述第一距离的取值为5-10m。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，所述步骤4中，在地面施工低位定向钻孔探查主导水通道，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加上预定距离处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，当注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，所述步骤5中，所述第二距离的取值为5-10m。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，所述步骤5中，地面施工高位定向钻孔探查主导水通道，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵该侧高位主导水通道，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加预定距离处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵另一侧高位主导水通道，当注浆压力＞1MPa时停止注入浆液。

优选的，上述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加上30m处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道。

因此，与现有技术相比，本发明的优点是：克服了钻探疏水治理造成水资源浪费问题，解决了限制开采等采煤工艺存在的煤炭资源回收率低、效率不高等问题，协同实现了煤层顶板水害防治、水资源原位保护以及固废处置利用。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1例示了本发明实施例中的煤层开采优势导水通道空间分布示意图；

图2例示了本发明实施例中的监控管理装置的煤层顶板含水层涌水示意图；

图3-4例示了本发明实施例中的煤层开采冒落带、裂缝带与优势导水通道示意图；

图5例示了本发明实施例中的地面高位定向探查与封堵优势导水通道示意图；

图6了本发明实施例中的地面定向探查与封堵优势导水通道平面布置示意图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本发明提供一种煤矿井下定向钻机探查与注浆封堵煤层顶板主导水通道以及充填采空区的截水减排方法。首先在地面施工低位定向钻孔探查冒落带顶部优势导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔和主导水通道充填采空区；在地面施工高位定向钻孔探查保水目标含水层底部的优势导水通道，将激发后具备防渗能力的粉煤灰基浆液通过定向钻孔封堵主导水通道，分别沿工作面走向以及切眼、停采线方向按照一定间距分水平施工低、高位定向钻孔，探查优势导水通道，依次利用煤矸石基、激发后的粉煤灰基浆液进行注浆封堵，由此形成全工作面截水帷幕墙体，从而实现减小采煤工作面顶板涌水，实现地下水资源的保护，以及煤矸石、粉煤灰等综合利用。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：分析煤层顶板覆岩结构，充分收集采煤工作面各类地质与水文地质资料，确定采掘煤层空间位置、开采厚度，确定需要主要治理的主要含水层，及其空间位置。

步骤二：预计煤层开采形成的冒落带与裂缝带高度，根据步骤一中确定该工作面的煤层采高，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》分别预计冒落带高度和裂缝带高度，之和确定为采动导水裂隙带的高度。

步骤三：分析采动导水裂缝与含水层的揭露关系，根据步骤二预计的采动导水裂隙带直接揭露覆岩层位，当导水裂隙带高度已穿越含水层底板的相对隔水层或者已直接揭露该含水层，均会引起该含水层地下水沿着导水裂缝涌入井下，会造成矿井顶板水害和含水层水资源的漏失，确定为需要治理保护的含水层，如图3中的含水层1与含水层2。当采动导水裂缝高度不能穿越含水层底板的相对隔水层(砂质泥岩层、粘土层)，即残余的隔水保护层厚度大于20m，则不须进行治理。

步骤四：通过地面低位定向钻孔探查低位优势导水通道与充填采空区，根据步骤二预计冒落带最大高度H_m，以冒落带顶部5～10m为设计层位(即H_m+10m)，水平定向段设计在工作面外围10m，在地面施工低位定向钻孔探查主导水通道(图4)，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，按照“逢漏必注”的原则，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L+30m处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，按照“逢漏必注”的原则，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，当注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液。需要说明的是，煤矸石基浆液不具备防渗性能，仅做为冒落区充填材料，作为后期主导水通道的防渗注浆材料封堵的底座。

步骤五：通过地面高位定向钻孔探查与封堵优势导水通道，根据步骤二预计的裂隙带与冒落带最大高度，确定为导水裂隙带最大高度(裂隙带H_l+冒落带H_m)，以导水裂隙带最大高度底部5～10m为设计层位(即H_l+H_m-10)，在地面施工高位定向钻孔探查主导水通道(图5)，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，按照“逢漏必注”的原则，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵该侧高位主导水通道，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L+30m处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，按照“逢漏必注”的原则，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵另一侧高位主导水通道，当注浆压力＞1MPa时停止注入浆液。需要说明的是，大量试验结果显示，激发后粉煤灰基浆液在固结后一般具备良好的防渗性能，可作为封堵主导水通道的防渗注浆材料。

步骤六：工作面走向截水帷幕墙体形成，如图6所示中的主孔1以同水平分支孔水平段孔间的间距40～60m为基准，确定出采煤工作面走向上的同一主孔同水平分支孔孔数，以及各主孔之间的间距，各分支孔重复步骤4与步骤5进行主导水通道探查、采空区充填与主导水通道封堵。根据钻机能力与定向施工条件，依次施工下一主孔2，主孔2同水平分支孔水平段孔间的间距，以及主孔2外侧分支孔与主孔1外侧分支孔间距均以40～60m为基准，各分支孔重复步骤4与步骤5进行主导水通道探查、采空区充填与主导水通道封堵，依序形成工作面走向上的注浆帷幕墙体，直至覆盖全部采空区范围。

步骤七：采煤工作面切眼与停采线位置的优势导水探查与注浆封堵，根据钻机能力与定向施工条件，如图6所示中的主孔3与主孔4，以同水平分支孔水平段孔间的间距40～60m为基准，确定出煤工作面切眼与停采线位置同一主孔同水平分支孔孔数，以及主孔之间的间距。依次施工下一主孔，重复步骤4与步骤5，形成煤工作面切眼与停采线方向上的注浆帷幕墙体。通过步骤1～7，形成全工作面注浆帷幕截水墙体。

其中：在步骤二中，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的表一确定冒落带与导水裂隙带高度：

表一

其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m；H_m为冒落带高度，m；H_l为裂隙带高度，m；H_l+m为采动导水裂隙带高度，m。

其中：在步骤四、五中，水平定向段需提前在工作面一侧外围至少15m，水平定向段停钻位置在工作面另一侧外围至少15m，高、低位定向钻孔水平段长度不低于L+30m。

其中：在步骤四、五中，注浆材料也可以采用传统的水泥、粘土基材料，注浆岩层均可以形成较强的抗渗性，可封堵主导水通道与充填采空区。

通过上述内容可知，本实施的地面定向探查封堵煤层顶板优势导水通道与充填采空区的截水减排方法具有如下效果：这种地面定向探查封堵煤层顶板优势导水通道与充填采空区的截水减排方法，克服了钻探疏水治理造成水资源浪费问题，解决了限制开采等采煤工艺存在的煤炭资源回收率低、效率不高等问题，协同实现了煤层顶板水害防治、水资源原位保护以及固废处置利用。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (8)

1.一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，包括：

步骤1，充分收集采煤工作面各类地质与水文地质资料，分析煤层顶板覆岩结构；

步骤2，基于煤层开采形成的冒落带与裂缝带高度计算采动导水裂隙带高度；

步骤3，基于采动导水裂隙带揭露覆岩层位，将导水裂隙带高度已穿越含水层底板的相对隔水层的含水层和/或已被导水裂隙带直接揭露的含水层，确定为需要治理和保护的含水层；

步骤4，以冒落带顶部预定的第一距离为第一设计层位，在地面施工通向第一设计层位的低位定向钻孔探查主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔充填入采空区以封堵对钻井液全漏失段两侧主导水通道；

步骤5，以导水裂隙带最大高度底部预定的第二距离为第二设计层位，在地面施工通向所述第二设计层位的高位定向钻孔探查主导水通道，将激发后具有防渗透性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔充填入两侧钻井液全漏失段主导水通道；

步骤6，确定出采煤工作面走向上的同一主孔同水平分支孔孔数，以及各主孔之间的间距，在采煤工作面走向上，重复实施步骤4-5；形成工作面走向上的注浆帷幕墙体。

2.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，还包括：

步骤7，确定出煤工作面切眼与停采线位置同一主孔同水平分支孔孔数，以及主孔之间的间距，重复实施步骤4-5，形成煤工作面切眼与停采线方向上的注浆帷幕墙体。

3.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，所述步骤3中，将相对隔水层不能被采动导水裂缝高度穿越的含水层作为不须进行治理的含水层。

4.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，所述步骤4中，所述第一距离的取值为5-10m。

5.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，所述步骤4中，在地面施工低位定向钻孔探查主导水通道，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加上预定距离处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，将煤矸石基浆液通过定向钻孔，沿着低位主导水通道充填入采空区，当注浆压力＞1MPa时停止注入煤矸石基浆液。

6.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，所述步骤5中，所述第二距离的取值为5-10m。

7.根据权利要求1所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，所述步骤5中，地面施工高位定向钻孔探查主导水通道，将钻井液全漏失段识别为一侧主导水通道，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵该侧高位主导水通道，待注浆压力持续上升，且注浆压力＞1MPa时停止注入浆液；停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加预定距离处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道，将激发后具备防渗性能的粉煤灰基浆液通过定向钻孔，封堵另一侧高位主导水通道，当注浆压力＞1MPa时停止注入浆液。

8.根据权利要求6-7所述的一种地面定向探查封堵的截水减排方法，其特征在于，停注后继续沿该孔水平段继续钻进，一直钻进至工作面宽度L加上30m处停钻，将钻井液全漏失段识别为另一侧主导水通道。

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