一種用于采煤過程中的保水方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于采煤過程中的保水方法，涉及地下采礦方法【技術(shù)領(lǐng)域】。包括如下步驟：一、采用立體探測技術(shù)對(duì)煤礦井下采掘地區(qū)的地下水靜態(tài)賦存特征、保護(hù)層完整情況及天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況進(jìn)行立體探測；二、結(jié)合探測得到的結(jié)果，找到地下水保護(hù)層中的薄弱地段及導(dǎo)水通道以及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段，采用井下高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，通過快速、精確鉆進(jìn)，快速注漿封堵導(dǎo)水通道和存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段、注漿加固地下水保護(hù)層或者留設(shè)保水煤柱。本發(fā)明方法能夠在確保安全、高效采煤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地下水資源的保護(hù)。
【專利說明】一種用于采煤過程中的保水方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及地下采礦方法【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭，在我國一次能源消費(fèi)中的比例達(dá)到70%，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有很重要的地位。然而，煤炭生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境的破壞問題也很突出，采煤造成的地面塌陷、地下水資源破壞等問題，已越來越引起社會(huì)各界重視。
[0003]傳統(tǒng)采煤技術(shù)，一直把地下水作為一種災(zāi)害，采取疏水降壓、注漿治理等措施，或者將地下水排出，或者將水局部封閉。前者造成地下水資源的大量浪費(fèi)，導(dǎo)致區(qū)域地下水位持續(xù)下降，形成地下水降落漏斗。后者改變了地下水流場特征，常常造成水井水量減少甚至斷流，影響工農(nóng)業(yè)及居民用水。
[0004]據(jù)2013年7月河北省國土資源廳發(fā)布的《2012年河北省地質(zhì)環(huán)境狀況公報(bào)》披露，全省共有地下水位降落漏斗25個(gè)，全國地下水降落漏斗超過100個(gè)。近三十年來，邯邢地區(qū)百泉水文地質(zhì)單元泉口附近地下水位降幅20-30m。而每一次煤礦重大透水事故，常常伴隨周圍數(shù)十公里范圍內(nèi)區(qū)域地下水位的大幅下降。而每一個(gè)礦井動(dòng)輒每小時(shí)數(shù)百立方米的排水，更是對(duì)地下水資源破壞及浪費(fèi)的具體體現(xiàn)。
[0005]地下水資源保護(hù)的迫切性與采煤保水技術(shù)的不完善之間的矛盾日益凸顯，采煤保水技術(shù)的研究就顯得越來越重要。
[0006]通過專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)研究，在確保安全、高效采煤的同時(shí)，做好對(duì)煤礦區(qū)地下水資源的保護(hù)，減少礦井排水量，將煤炭資源的開發(fā)利用同地下水資源的保護(hù)有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)建礦井水的探、防、治、保、用五位一體的綜合保護(hù)、治理體系，最終實(shí)現(xiàn)采煤保水、煤與水兩種資源統(tǒng)籌規(guī)劃、人與環(huán)境和諧共贏的局面，對(duì)我國煤炭行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展，對(duì)和諧社會(huì)、生態(tài)社會(huì)的構(gòu)建具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于采煤過程中的保水方法，該方法能夠在確保安全、高效采煤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地下水資源的保護(hù)。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種用于采煤過程中的保水方法，包括如下步驟:
一、采用立體探測技術(shù)對(duì)煤礦井下采掘地區(qū)的地下水靜態(tài)賦存特征、地下水保護(hù)層完整情況及天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況進(jìn)行立體探測；
二、結(jié)合探測得到的結(jié)果，找到地下水保護(hù)層中的薄弱地段及導(dǎo)水通道以及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段，采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，通過快速、精確鉆進(jìn)，快速注漿封堵導(dǎo)水通道和存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段、注漿加固地下水保護(hù)層或者留設(shè)保水煤柱。
[0009]優(yōu)選的，上述第一步和第二步之間還采用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)采煤工作面及周圍地區(qū)含水層以及地下水保護(hù)層采煤期間巖層破裂情況進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過對(duì)采煤工作面附近巖層的微震事件時(shí)、空分布情況進(jìn)行監(jiān)測、分析，收集地下水發(fā)生流動(dòng)、地下水保護(hù)層變化、天然導(dǎo)水通道穩(wěn)定性、人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況以及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段的信息。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的，微震監(jiān)測技術(shù)的【具體實(shí)施方式】為:檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右?guī)筒贾贸森h(huán)狀，各個(gè)檢波器通過數(shù)據(jù)線連接在同一監(jiān)測器上，形成一個(gè)監(jiān)測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個(gè)監(jiān)測單元，多個(gè)監(jiān)測單元形成一個(gè)完整的工作面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
[0011]優(yōu)選的，上述第一步中，立體探測技術(shù)為巷道多方位超前探測方法、巷道超前探測數(shù)據(jù)的多參數(shù)空間成圖法和工作面煤層采前立體探測方法結(jié)合使用的探測技術(shù)。
[0012]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:
(1)本發(fā)明采用立體探測技術(shù)為主要手段的綜合勘探技術(shù)，查明煤礦井下生產(chǎn)地區(qū)及周圍地下水靜態(tài)賦存特征，了解地下水(含水層、老空水等各類水體)賦存位置、范圍及地下水保護(hù)層薄弱地段、導(dǎo)水通道發(fā)育情況等，為地下水保護(hù)工作做好第一步；
(2)采用微震監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測工作面回采期間圍巖地下水保護(hù)層巖層破裂及導(dǎo)水通道變化情況，配合地下水水壓、水量、水溫、水質(zhì)、同位素等多種特征參數(shù)監(jiān)測，查明采掘地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化特征，了解天然導(dǎo)水通道穩(wěn)定性情況和因采掘活動(dòng)形成的人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況，對(duì)是否發(fā)生地下水泄漏和破壞及其空間位置進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警；微震監(jiān)測技術(shù)【具體實(shí)施方式】的設(shè)計(jì)使得一個(gè)監(jiān)測單元，其監(jiān)測、控制范圍可以覆蓋半徑為300-500米的球體空間；
(3)采取高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)和注漿技術(shù)，對(duì)已探明的地下水保護(hù)層局部薄弱地段和導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)地段，進(jìn)行注漿加固、封堵，或采取留設(shè)保水煤柱的方法，將地下水泄漏危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài),最大限度地減少采煤對(duì)地下水的破壞,大大提高采煤作業(yè)的安全性，提高了工作效率，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；
圖1是本發(fā)明實(shí)施例4中9315工作面采前立體探測及注漿加固示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例3中2120工作面風(fēng)道巷道多方位超前探測工程布置圖；
圖3A、圖3B是圖2的探測解釋曲線圖；
圖4是本發(fā)明中提到的巷道多方位超前探測示意圖；
圖5是本發(fā)明中提到的工作面煤層采前立體探測示意圖；
圖中，1、2120工作面風(fēng)道；2、停頭位置；3、低阻異常帶；4、設(shè)計(jì)切眼位置；5、2298工作面聞水位區(qū)；6、掘進(jìn)巷道迎頭；7、探測方向；8、控制范圍；9、含水層；10、下巷；11、老空區(qū)；12、采動(dòng)破壞范圍；13、上巷；14、導(dǎo)水陷落柱；15、立體探測。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1
一種用于采煤過程中的保水方法，包括如下步驟:
一、采用巷道多方位超前探測方法(專利號(hào)為ZL 201110095155.4)、巷道超前探測數(shù)據(jù)的多參數(shù)空間成圖法(專利號(hào)為ZL201110389923.7)和工作面煤層采前立體探測方法(專利號(hào)為ZL201210112477.X)組成立體探測方法(圖4、5)，查明煤礦井下采掘地區(qū)原始狀態(tài)下的地下水靜態(tài)賦存特征,查明掘進(jìn)巷道迎頭前方、側(cè)前方、頂板、底板及工作面頂板、底板、外圍等多個(gè)方位地下水分布情況、地下水保護(hù)層完整情況、天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況等。
[0015]對(duì)礦區(qū)地下水靜態(tài)賦存特征進(jìn)行全方位、無損探查，查明地下含水層空間富水位置、范圍以及斷層、陷落柱等天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況，盡量不使用鉆探等對(duì)含水層構(gòu)成損傷和破壞的勘探手段，是做好地下水保護(hù)工作的第一步。
[0016]二、根據(jù)前述對(duì)地下水靜態(tài)賦存特征、地下水保護(hù)層完整情況、天然導(dǎo)水通道的探測和監(jiān)測結(jié)果，找到地下水保護(hù)層局部薄弱地段和導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段，采取對(duì)地下水保護(hù)層局部薄弱地段注漿加固、對(duì)導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段進(jìn)行注漿封堵等措施。本發(fā)明采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)工作面周圍存在的天然導(dǎo)水通道、人為導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段進(jìn)行注漿封堵，對(duì)地下水保護(hù)層局部薄弱地段進(jìn)行注漿加固，最大限度地補(bǔ)強(qiáng)地下水保護(hù)層，使其成為有足夠強(qiáng)度的完整地下水保護(hù)層，快速和精確鉆進(jìn)、快速注漿、快速治理，在第一時(shí)間將地下水泄漏消滅在萌芽狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)地下水的目的。
[0017]傳統(tǒng)機(jī)械鉆機(jī)，施工一個(gè)IOOm深的鉆孔需要2-3天，采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)僅僅需要1-2個(gè)小時(shí)，而且鉆孔定位準(zhǔn)確，終孔位置偏差一般在2-3米之內(nèi)。對(duì)于天然導(dǎo)水通道及人工導(dǎo)水通道的封堵，要突出一個(gè)快字?？焖侔l(fā)現(xiàn)、快速封堵，通過高壓純水泥漿灌注，在第一時(shí)間封堵導(dǎo)水通道，將地下水泄漏危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)。
[0018]考慮到回采前、后工作面周圍地應(yīng)力場的變化，巖層發(fā)生變形破壞在所難免，在地下水保護(hù)層局部薄弱地段注漿加固工作中，通過在水泥漿液中加入粘土、粉煤灰等材料，在提高地下水保護(hù)層抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，有針對(duì)性地增加注漿材料的柔性，提高保護(hù)層抗塑性變形能力，對(duì)有效保護(hù)地下水十分有益。
[0019]或者留設(shè)保水煤柱。
[0020]注漿和留設(shè)保水煤柱的選擇，可根據(jù)實(shí)際的成本、風(fēng)險(xiǎn)程度等情況進(jìn)行選擇。
[0021]實(shí)施例2
一、采用巷道多方位超前探測方法(專利號(hào)為ZL 201110095155.4)、巷道超前探測數(shù)據(jù)的多參數(shù)空間成圖法(專利號(hào)為ZL201110389923.7)和工作面煤層采前立體探測方法(專利號(hào)為ZL201210112477.X)組成立體探測方法(圖4、5)，查明煤礦井下采掘地區(qū)原始狀態(tài)下的地下水靜態(tài)賦存特征,查明掘進(jìn)巷道迎頭前方、側(cè)前方、頂板、底板及工作面頂板、底板、外圍等多個(gè)方位地下水分布情況、地下水保護(hù)層完整情況、天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況等。
[0022]對(duì)礦區(qū)地下水靜態(tài)賦存特征進(jìn)行全方位、無損探查，查明地下含水層空間富水位置、范圍以及斷層、陷落柱等天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況，盡量不使用鉆探等對(duì)含水層構(gòu)成損傷和破壞的勘探手段，是做好地下水保護(hù)工作的第一步。
[0023]二、采用微震監(jiān)測技術(shù)，對(duì)采煤工作面及周圍地區(qū)含水層以及地下水保護(hù)層在采煤期間巖層破裂情況進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取措施，在第一時(shí)間預(yù)防和避免采煤過程中地下水泄漏及突水事故的發(fā)生。
[0024]自然狀態(tài)下地下水賦存在一個(gè)特定環(huán)境即含水層內(nèi)，處于一種平衡狀態(tài)。含水層附近煤層采出后，采煤工作面位置形成采空區(qū)(儲(chǔ)水空間或過水通道)，頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生垮落、形成采動(dòng)裂隙，這些裂隙一旦與含水層溝通，就會(huì)成為地下水的人為導(dǎo)水通道，地下水就會(huì)流入采空區(qū)并經(jīng)過采空區(qū)排出地面，造成對(duì)地下水資源的破壞。上述裂隙形成過程以及地下水沖破周圍巖層流入采空區(qū)的過程，其實(shí)就是工作面周圍巖層的破裂過程，都會(huì)伴隨一次次微小的地震事件。本發(fā)明采取微震監(jiān)測技術(shù)，通過對(duì)采煤工作面附近巖層內(nèi)微震事件發(fā)生的時(shí)間、頻度、能量及空間分布情況等等多個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測、分析，就可以捕捉到地下水發(fā)生流動(dòng)、變化的信息，收集地下水發(fā)生流動(dòng)、變化以及可能發(fā)生泄漏的信息；了解天然導(dǎo)水通道穩(wěn)定性情況和因采掘活動(dòng)形成的人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況，進(jìn)而為快速采取地下水保護(hù)措施提供依據(jù)。
[0025]微震監(jiān)測技術(shù)的【具體實(shí)施方式】為:將檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右?guī)筒贾贸森h(huán)狀，各個(gè)檢波器通過專用數(shù)據(jù)線連接在同一監(jiān)測器上，形成一個(gè)監(jiān)測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個(gè)監(jiān)測單元，多個(gè)監(jiān)測單元組成一個(gè)完整的工作面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)監(jiān)測單元，監(jiān)測、控制范圍可以覆蓋半徑為300-500米的球體空間。根據(jù)工作面回采進(jìn)度，監(jiān)測分站采用遞進(jìn)式交替移動(dòng)方式向外移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面及周圍巖層的連續(xù)、全覆蓋監(jiān)測。
[0026]整個(gè)監(jiān)測過程要貫穿工作面準(zhǔn)備期至工作面回采結(jié)束一段時(shí)間，確保對(duì)整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)地下水保護(hù)層變化情況、周圍天然導(dǎo)水通道穩(wěn)定性情況、人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況、地下水可能發(fā)生泄漏地段的全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
[0027]三、根據(jù)前述對(duì)地下水靜態(tài)賦存特征、地下水保護(hù)層完整情況、天然導(dǎo)水通道及人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況、地下水動(dòng)態(tài)變化的探測和監(jiān)測結(jié)果，找到地下水保護(hù)層局部薄弱地段和導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段，采取對(duì)地下水保護(hù)層局部薄弱地段進(jìn)行注漿加固、對(duì)導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段進(jìn)行注漿封堵等措施。本發(fā)明采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)工作面周圍存在的天然導(dǎo)水通道、人為導(dǎo)水通道及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段進(jìn)行注漿封堵，對(duì)地下水保護(hù)層局部薄弱地段進(jìn)行注漿加固，快速和精確鉆進(jìn)、快速注漿、快速治理，在第一時(shí)間將地下水泄漏消滅在萌芽狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)地下水的目的。
[0028]或者留設(shè)保水煤柱。
[0029]實(shí)施例3:
某礦2120工作面為12 #煤掘進(jìn)工作面，設(shè)計(jì)走向長1208m。
[0030]某年12月24日，2120工作面上部9 #煤2298工作面運(yùn)道掘進(jìn)中發(fā)生底板涌水，最大涌水量為172m3/h，致使附近2278工作面被淹、整個(gè)礦井北翼停產(chǎn)。
[0031]13年后，2120工作面風(fēng)道掘進(jìn)到918m位置，課題組采用“巷道多方位超前探測方法”(專利號(hào)ZL 201110095155.4、ZL201110389923.7)，對(duì)迎頭前方高水位異常區(qū)進(jìn)行多方位、立體探測。
[0032]圖2是2120工作面風(fēng)道巷道多方位超前探測工程布置圖；圖3A、圖3B是圖2的探測解釋曲線圖(視電阻率對(duì)數(shù)ds等值線平面圖)；
圖中顯示，巷道前方存在一個(gè)與風(fēng)道近似垂直的低阻異常帶3 (粗虛線圈定區(qū)域)。該異常平面上呈NNE向條帶狀展布，與風(fēng)道近似垂直，空間上呈傾斜帶狀展布，分析認(rèn)為為導(dǎo)水?dāng)鄬臃从场?br> [0033]考慮到該斷層橫跨2120工作面(設(shè)計(jì))，巷道繼續(xù)掘進(jìn)及工作面回采發(fā)生突水事故的可能很大，因此，礦方?jīng)Q定改變?cè)O(shè)計(jì)方案，風(fēng)道停止掘進(jìn)，留設(shè)保水煤柱(因?yàn)榇宋恢锰幱趦蓚€(gè)礦邊緣，礦產(chǎn)資源少，且注漿成本高，開采風(fēng)險(xiǎn)大，所以留設(shè)保水煤柱)，工作面后退300m重新布置回采系統(tǒng)。避免了一次可能發(fā)生的掘進(jìn)突水和地下水泄漏事故的發(fā)生。
[0034]實(shí)施例4:
某礦井9315工作面主采石炭系9#煤。工作面底板下距奧灰含水層33m，承受奧灰水壓
1.2 ?1.4MPa。
[0035]某年12月5?8日，課題組采用工作面煤層采前立體探測方法(專利號(hào)ZL201210112477.X))，圈定含水異常 5 處，見圖1 中 1#、2#、3#、4#、5#。
[0036]此后，根據(jù)探測結(jié)果，礦方對(duì)工作面底板(存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段)進(jìn)行鉆孔注漿加固，采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，快速和精確鉆進(jìn)、快速注漿。其中，工作面底板注漿孔55個(gè)，注漿1299.45t，進(jìn)入4#異常區(qū)的WS4-1鉆孔，孔深73.6m,水量15m3/h，單孔注入水泥950t，占整個(gè)工作面55個(gè)鉆孔注漿總量的67.9%。
[0037]該工程的實(shí)施，成功封堵了工作面底板一個(gè)天然導(dǎo)水通道，有效消除了工作面回采突水隱患，避免了一次回采突水事故。
[0038]目前，工作面已安全回采，達(dá)到了采煤保水目的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于包括如下步驟: 一、采用立體探測技術(shù)對(duì)煤礦井下采掘地區(qū)的地下水靜態(tài)賦存特征、地下水保護(hù)層完整情況及天然導(dǎo)水通道發(fā)育情況進(jìn)行立體探測； 二、結(jié)合探測得到的結(jié)果，找到地下水保護(hù)層中的薄弱地段及導(dǎo)水通道以及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段，采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)，通過快速、精確鉆進(jìn)，快速注漿封堵導(dǎo)水通道和存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段、注漿加固地下水保護(hù)層或者留設(shè)保水煤柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于上述第一步和第二步之間還采用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)采煤工作面及周圍地區(qū)含水層以及地下水保護(hù)層采煤期間巖層破裂情況進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過對(duì)采煤工作面附近巖層的微震事件時(shí)、空分布情況進(jìn)行監(jiān)測、分析，收集地下水發(fā)生流動(dòng)、地下水保護(hù)層變化、天然導(dǎo)水通道穩(wěn)定性、人為導(dǎo)水通道發(fā)育情況以及存在地下水泄漏危險(xiǎn)的地段的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于所述的微震監(jiān)測技術(shù)的【具體實(shí)施方式】為:檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右?guī)筒贾贸森h(huán)狀，各個(gè)檢波器通過數(shù)據(jù)線連接在同一監(jiān)測器上，形成一個(gè)監(jiān)測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個(gè)監(jiān)測單元，多個(gè)監(jiān)測單元形成一個(gè)完整的工作面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于上述第一步中，立體探測技術(shù)為巷道多方位超前探測方法、巷道超前探測數(shù)據(jù)的多參數(shù)空間成圖法和工作面煤層采前立體探測方法結(jié)合使用的探測技術(shù)。
【文檔編號(hào)】E21C41/16GK103924975SQ201410152267
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】劉建功, 李玉寶, 趙立松 申請(qǐng)人:河北煤炭科學(xué)研究院