CN110242301A - 一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，包括煤层和位于煤层上方的含水层，具体实施步骤为：获取参数；通过计算得出第一空间范围；布置若干个第一注浆钻孔；把第一浆液注入含水层底部，进行正常回采；用参数计算得到注入第二浆液的第二空间范围；钻出第二注浆钻孔；再注入具有高强度和低渗透率的第二浆液。有益效果是：该方法通过在采前、采后对顶板含水层分别注入不同材料的浆体，一方面采前增加隔水层厚度，减弱煤层采动对顶板含水层的扰动，另一方面也可防止采后导水裂隙导通含水层与采空区，从而实现保水开采。

Description

一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法

技术领域

本发明涉及矿山领域的一种保水采煤方法，具体为一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法。

背景技术

在矿井开采过程中，覆岩发生移动变形而形成导水通道，使顶板含水层与采空区贯通，造成水资源大量流失，甚至对煤层工作面及巷道等采掘空间构成安全隐患，尤其对于我国西部水资源匮乏、生态环境脆弱的矿井而言，这些问题更加严重。如何减少煤层采动对顶板含水层的扰动，防止含水层与采空区贯通，是实现安全、保水开采必须解决的关键性问题之一。

目前，有关对含水层的处理方法已有较多研究与实践，且取得了不错的效果。例如，通过施工钻孔提前疏放顶板含水层水体，以降低含水层的富水性；向采动形成的导水裂隙中注浆封堵导水裂隙以防止水体涌入等。

然而，这些方法存在以下几方面问题：(1)从矿山水灾防治的角度出发，疏放含水层以降低开采安全隐患，但造成水资源大量流失；(2)目前向含水层注浆主要用于防治底板承压水灾灾害，而针对顶板含水层的应用较少；(3) 以往研究大多是在采后顶板出现裂隙后进行封堵来治理顶板水害，然而此时已发生水资源大量流失；(4)针对顶板含水层的保护多以牺牲资源回收率和回采效率实现，如增加留设煤柱的厚度、限制采高、采用充填开采方法等。

因此，针对现有研究的局限性，提出一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，包括煤层和位于煤层上方的含水层，还包括以下步骤：

a、获取工作地的基本地质参数和开采技术参数；通过计算，得出采前需要改性的含水层和隔水层的第一空间范围；

b、在步骤a中所述第一空间范围，从地表至含水层底部间隔布置若干个第一注浆钻孔，第一注浆钻孔包括竖直钻孔、钻孔造斜段和贴合含水层底部的水平钻孔；

c、由地面注浆泵站通过第一注浆钻孔把具有柔塑性和隔水性的第一浆液注入b步骤中的含水层底部中，使得含水层改性；

d、注浆改性完成后，对煤层的工作面进行正常回采；

e、煤层工作面开采结束后，根据步骤a中的参数计算得到注入第二浆液的第二空间范围；

f、从地表往所述第二空间范围钻出第二注浆钻孔，再由地面注浆泵站通过第二注浆钻孔和/或第一注浆钻孔向由于步骤d采后不稳定覆岩活动可能造成的新的导水裂隙中注入具有高强度和低渗透率的第二浆液。

本发明的一个实施例：步骤a中所述基本地质参数和开采技术参数包括：含水层距煤层距离H、煤层倾角α、待采工作面采高m、走向长度l、倾向长度l’、岩层移动角走向δ、上山β、下山γ、顶板下沉系数q，进一步地，计算需要改性的含水层空间尺寸是：沿工作面走向方向，自含水层底部起的厚度d＝qm cosα，长度L＝l+2H cotδ，沿工作面倾向方向长度B＝l′+H(cotβ+cotγ)，则含水层注浆改性范围为工作面正上方自含水层底部 L×B×d大小的空间区域。

本发明的一个实施例：步骤b中第一注浆钻孔还包括从水平钻孔上分出的若干个水平分支钻孔。

本发明的一个实施例：如步骤c中第一浆液是黏土类浆液。

本发明的一个实施例：如步骤c中注入第一浆液的注浆步骤是：

①先用稀的浆体主要起到对含水层下部部分裂隙的封堵作用与下部水的固化作用；

②再注入浓浆，通过调节注浆压力，保证浆液充满待注浆区域且均匀分布，直至达到预计改造隔水层厚度。

本发明的一个实施例：步骤e中的第二浆液是由水、水泥浆、水玻璃混合而成的高强低渗浆液。

本发明的一个实施例：步骤e所述的第二空间范围是封闭的环形结构，具体尺寸如下：在工作面走向方向上，自煤壁正上方向实体煤侧宽度为H cotδ，沿工作面倾向方向上，在上下端头、自煤壁正上方向实体煤侧宽度分别为 H cotγ、H cotβ的一环形区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法通过在采前、采后对顶板含水层分别注入不同材料的浆体，一方面采前增加隔水层厚度，减弱煤层采动对顶板含水层的扰动，另一方面也可防止采后导水裂隙导通含水层与采空区，从而实现保水开采。

附图说明

图1为本发明正面结构示意图；

图2为本发明含水层在改性后的俯视图；

图3为图2中A-A处的剖视图。

图中：1、地面注浆泵站，2、第一注浆钻孔，3、表土层，4、含水层， 41隔水层，5、煤层，6、工作面，7、第一空间，8、采空区，9、第二空间、 91、第二注浆钻孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在背景技术中详细记载了本申请要解决的技术问题，即：提出一种可以既可以保水，又可以提高产出率的采煤方法，具体实施方式可以如下：

如图1所示，一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，包括煤层 5和位于煤层5上方的含水层4，一般情况下，当煤层5采空后，就会造成含水层4下方的隔水层41的岩层出现破损裂缝，当裂缝持续发育并沟通含水层与煤层，便会形成突水。在使用本申请的方法之前，需要先按照如下的步骤实施：

如图1，a、获取工作地的基本地质参数和开采技术参数，获得参数的方式很多，可以通过实地勘测或者查询资料等，主要获得的参数包括含水层4 距煤层距离H、煤层倾角α、待采工作面6的采高m、走向长度l、倾向长度l’、岩层移动角走向δ、上山β、下山γ、顶板下沉系数q，通过这些数据的计算，得出采前需要改性的含水层4和隔水层41的第一空间范围。这里的空间范围具体来说是需要改性的含水层空间尺寸是：沿工作面走向方向，自含水层4底部起的厚度d＝qm cosα，长度L＝l+2H cotδ，沿工作面倾向方向长度 B＝l′+H(cotβ+cotγ)，则含水层4注浆改性范围为工作面正上方自含水层底部L×B×d大小的空间区域。

如图1、2中，b、在步骤a中所述第一空间7范围，从地表至含水层底部间隔布置若干个第一注浆钻孔2，第一注浆钻孔包括竖直钻孔、钻孔造斜段和贴合含水层底部的水平钻孔。这里为了确保整个含水层4的底部L×B×d大小的空间区域中都被第一浆液改性，需要在地表每隔一段距离就钻出一条第一注浆钻孔2，具体的间隔距离可以根据现场含水层4的透水性计算得知。

而步骤b中的第一注浆钻孔2为了让第一浆液更强全面的对含水层4改性，还可以让第一注浆钻孔2包括从水平钻孔上分出的若干个水平分支钻孔。这里的水平分支钻孔属于钻探领域的现有技术，这里就不详述。

c、由地面注浆泵站通过第一注浆钻孔2把具有柔塑性和隔水性的第一浆液注入b步骤中的含水层4底部中，以使得让含水层4改性。

对于使用的第一浆液具体配方可以是黏土类浆液，更详细的说可以是第一浆液的配方是，黏土：水：水泥＝5:10:1。

并且，为了让第一浆液更好的注入含水层4的岩层中，可以按照如下的操作方法：

①先用稀的浆体主要起到对含水层4下部部分裂隙的封堵作用与下部水的固化作用；

②再注入浓浆，通过调节注浆压力，保证浆液充满待注浆区域且均匀分布，直至达到预计改造隔水层41厚度。

根据毛细理论，较稀第一浆液可以快速向含水层4内部的毛细管扩散，利用这种扩散可以把含水层4中的毛细管全部堵塞，这样就变相的把含水层4 改性成为隔水层41。再注入浓浆，这样又可以堵塞住更粗的毛细管，通过上述的方法，达到对含水层4改性的目的。

如图3中，d、注浆改性完成后，对煤层5的工作面6进行正常回采，但是由于含水层4已经是改性过的具有一定的抗干扰能力，因此，可以确保整个含水层4不会出现突水的情况。

如图3中，本发明在考虑到工作面顶板下沉量，改性后含水层4还要一个更重要的作用：改性后含水层4的高度刚好可以补充下陷造成的凹陷区。

如图2和3中，在步骤d中虽然含水层4没有出现突水的情况，但是由于工作面顶板的下沉，会导致改性含水层4的边缘出现新的拉伸裂痕。因此，为了消除隐患，在步骤e中，煤层工作面开采结束后，根据步骤a中的参数计算得到注入第二浆液的第二空间9范围，具体的范围如下：

第二空间9范围是封闭的环形结构，具体尺寸如下：在工作面走向方向上，自煤壁正上方向实体煤侧宽度为H cotδ，沿工作面倾向方向上，在上下端头、自煤壁正上方向实体煤侧宽度分别为H cotγ、H cotβ的一环形区域。具体的工作过程如步骤f：从地表往所述第二空间范围钻出第二注浆钻孔91，再由地面注浆泵站1通过第二注浆钻孔91和/或第一注浆钻孔2向由于步骤d 采后不稳定覆岩活动可能产生的新的导水裂隙中注入具有高强度和低渗透率的第二浆液。

第二浆液可以是由水、水泥浆、水玻璃混合而成的，具体来说它们的比例，水：水泥：水玻璃的配比为2:2:3。

本发明的原理大致分成2个步骤：第一步骤是把含水层4的底部改性成隔水层。由于含水层4底部本身就在原隔水层41的上方，且因使用黏土类浆液，抗扰动能力较强，因此改性后一方面当原隔水层41出现断裂后，使用的第一浆液会起到隔水作用；另一方面，改性后的含水层4叠加在隔水层41后，增加了隔水层的厚度，这个多出来的厚度会用作补充采空区下沉的高度差。

而本发明第二步骤的作用是再次注浆堵住改性后含水层4边缘新出现的裂隙，第二步骤的作用除了封堵裂隙，还有另外的一个作用是：给改性后含水层4边缘的一个拉力，让改性后的含水层4和第二浆液二者构成一个整体，可以确保整个水层的水源不会枯竭，并且使用本方法还可以把整个工作面6 的煤全部开采掉，提高产出效率。

下面结合一个具体的实施案例来说明本发明的实际运用。

我国西北部某矿地表生态环境恶劣，水资源短缺。根据矿方资料可得，研究煤层为近水平煤层，煤层倾角7°，煤层埋深260m，可采煤层厚度8m，工作面推进长度1800m，工作面长度200m，采用走向长壁综采放顶煤采煤法开采，全部垮落法管理顶板。经地质勘探，煤层上方165m处存在一厚度15m 左右的含水层，资料表明，本区域条件下，采动下沉系数0.6，岩层移动角分别为：走向移动角65°，下山移动角55°，上山移动角60°。在原有开采方法下，水资源流失严重。

1)获取工作面基本地质参数与开采技术参数。通过查阅矿井基本资料，含水层距煤层距离H＝165m，含水层厚度15m，煤层倾角α＝7°，煤层埋深260m，可采煤层厚度m＝8m，工作面推进长度l＝1800m，工作面长度l'＝200m。采动下沉系数q＝0.6，岩层移动角分别为：走向移动角δ＝65°，下山移动角β＝55°，上山移动角γ＝60°。

2)工作面开采前，对自含水层底部一定范围进行注浆改性。具体步骤为：

(1)工作面开采前，首先根据所述基本参数，通过计算确定采 前注浆改性范围：自含水层底部厚度d＝qmcosα，沿工作面走向方 向长度L＝l+2Hcotδ，沿工作面倾向方向长度B＝l'+H(cotβ+cotγ)。 将相关参数代入公式计算可得，自含水层底部厚度 d＝0.6×8×cos7°＝4.8m，沿工作面走向方向长度L＝1800+2×165×cot65°＝1954m，沿工作面倾向方向长度 B＝200+165×(cot55°+cot65°)＝411m，则需注浆的范围为工作面正 上方自含水层底部1954m×411m×4.8m大小的区域，形成了如图1中 第一空间7。

(2)根据1)中探测得到的含水层位置及计算得到的注浆改性范围，由地面注浆泵站向含水层中布置注浆钻孔，注浆钻孔由竖直钻孔、钻孔造斜段、水平钻孔以及水平分支钻孔四部分构成。如图1中(2)所示，竖直钻孔钻至埋深55m处，距含水层垂直距离20m～30m，为之后钻孔造斜提供足够的弯曲空间；之后进行钻孔造斜，使主钻孔能够水平的打入含水层下部；水平钻孔布置在计算得到的改造隔水层位置，走向长度为1980m，略大于隔水层走向长度L，贯穿整个工作面上方；最后通过无磁钻杆调节位置，在含水层注浆改性区域内布置若干分支钻孔，分支钻孔长度为420m，采用均匀分布的布置方式，保证注入浆液能够在确定的区域内均匀分布，形成预计厚度的隔水层。

(3)注浆浆液使用黏土固化浆液，配比为黏土：水：水泥＝5:10:1，可根据情况加入适量水玻璃适当提高凝结速度。注浆顺序采用先稀后浓的注浆方式，稀稠的浆体主要起到对含水层下部部分裂隙的封堵作用与下部水的固化作用，然后注入浓浆，通过调节注浆压力，保证浆液充满待注浆区域且均匀分布，直至达到预计改造隔水层厚度。

3)采前注浆改性完成后，工作面进行正常回采。

4)工作面开采后，改造隔水层受到的采动影响，尤其是上覆岩层变形导致开采边界顶板上方部分区域产生张拉裂隙，需要通过注浆强性，封堵这些可能产生的导水裂隙。具体步骤为：

(1)工作面开采后，首先，根据所述基本参数，计算得到采后注浆的第二空间9范围：工作面走向方向上，自煤壁正上方向实体煤侧宽度为Hcotδ，沿工作面倾向方向上，在上下端头，自煤壁正上方向实体煤侧宽度分别为 Hcotγ、Hcotβ。将相关参数代入公式计算可得，沿工作面走向方向上，实体煤两侧需注浆区域的宽度为Hcotδ＝165×cot65°＝77m，沿工作面倾向方向上，上端头实体煤侧宽度为Hcotγ＝165×cot60°＝95m，下端头实体煤侧宽度为Hcotβ＝165×cot55°＝116m。注浆范围为一环形区域。

(2)如图3所示，从地面直接将钻孔布置到需要注浆的区域， 钻孔终孔钻入改造隔水层底部，钻孔深度95m，位于注浆范围中心位 置，注浆钻孔在走向、倾向方向上每50m布置一个。该工作面倾向 注浆长度为411m，走向注浆长度为1954m，因此倾向方向每侧布置 注浆钻孔8个，走向方向每侧布置注浆钻孔40个。

(3)注浆材料建议使用高强度、低渗透率的浆液。在该实例中，注浆浆液选择水玻璃、水泥浆混合浆液，配比为水：水泥：水玻璃＝2:2:3。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，包括煤层(5)和位于煤层(5)上方的含水层(4)，其特征在于：

a、获取工作地的基本地质参数和开采技术参数；通过计算，得出采前需要改性的含水层(4)和隔水层(41)的第一空间(7)范围；

b、在步骤a中所述第一空间(7)范围，从地表至含水层底部间隔布置若干个第一注浆钻孔(2)，第一注浆钻孔(2)包括竖直钻孔、钻孔造斜段和贴合含水层(4)底部的水平钻孔；

c、由地面注浆泵站通过第一注浆钻孔(2)把具有柔塑性和隔水性的第一浆液注入b步骤中的含水层(4)底部中，使得含水层(4)改性；

d、注浆改性完成后，对煤层的工作面(6)进行正常回采；

e、煤层工作面(6)开采结束后，根据步骤a中的参数计算得到注入第二浆液的第二空间(9)范围；

f、从地表往所述第二空间(9)范围钻出第二注浆钻孔(91)，再由地面注浆泵站(1)通过第二注浆钻孔(91)和/或第一注浆钻孔(2)向由于步骤d采后不稳定覆岩活动可能造成的新的导水裂隙中注入具有高强度和低渗透率的第二浆液。

2.根据权利要求1所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤a中所述基本地质参数和开采技术参数包括：含水层(4)距煤层(5)距离H、煤层(5)倾角α、待采工作面(6)采高m、走向长度l、倾向长度l，、岩层移动角(走向δ、上山β、下山γ)、顶板下沉系数q。

3.根据权利要求2所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：需要改性的含水层空间尺寸是：沿工作面(6)走向方向，自含水层(4)底部起的厚度d＝qmcosα，长度L＝l+2Hcotδ，沿工作面(6)倾向方向长度B＝l′+H(cotβ+cotγ)，则含水层(4)注浆改性范围为工作面(6)正上方自含水层(4)底部L×B×d大小的空间区域。

4.根据权利要求1所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤b中第一注浆钻孔(2)还包括从水平钻孔上分出的若干个水平分支钻孔。

5.根据权利要求1所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤c中第一浆液是黏土类浆液。

6.根据权利要求1所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤c中注入第一浆液的注浆步骤是：

①先用稀的浆体主要起到对含水层(4)下部部分裂隙的封堵作用与下部水的固化作用；

②再注入浓浆，通过调节注浆压力，保证浆液充满待注浆区域且均匀分布，直至达到预计改造隔水层(41)厚度。

7.根据权利要求1所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤e中的第二浆液是由水、水泥浆、水玻璃混合而成的高强低渗浆液。

8.根据权利要求2所述的顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法，其特征在于：步骤e中所述的第二空间(9)范围是封闭的环形结构，具体尺寸如下：在工作面(6)走向方向上，自煤壁正上方向实体煤侧宽度为Hcotδ，沿工作面(6)倾向方向上，在上下端头、自煤壁正上方向实体煤侧宽度分别为Hcotγ、Hcotβ的一环形区域。