本發(fā)明屬于礦業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種離層水補(bǔ)給源的封堵方法。

背景技術(shù)：

煤礦頂板“離層水”水害近年來頻繁發(fā)生，人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失觸目驚心?；幢泵禾锖Ｗ蚊旱V2005年“5.21”離層水突出事故共造成5人死亡，最大突水量3887m³/h，并且形成沖擊礦壓次生災(zāi)害；朱仙莊煤礦2015年“1.30”離層水水害事故共造成7人死亡，最大突水量7200m³/h，開采工作面被淹。

在煤層頂板覆巖中，當(dāng)厚且硬的巖層(習(xí)稱“關(guān)鍵層”)與其下伏的軟弱巖層工程地質(zhì)性質(zhì)存在較大差異時，在采動影響下，二者移動變形不協(xié)調(diào)、不同步，從而產(chǎn)生離層空間。具體表現(xiàn)為下位軟弱巖層下沉量過大而上位厚硬巖層懸空。離層的空間形態(tài)有盆形(水平及近水平巖層)、瓢形(傾斜巖層)。賦存于其中的地下水，稱為“離層水”。

開采引起的覆巖變形破壞自下而上可劃分為三個帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。離層可以發(fā)生在距離采空區(qū)較近的冒落帶或裂隙帶里(附圖2、圖3)，也可以形成于距離采空區(qū)較遠(yuǎn)的彎曲帶里(附圖4)。發(fā)育于冒落帶或裂隙帶內(nèi)的離層，因與冒、裂帶空隙相連通而難以積水，對安全開采無威脅；而發(fā)育于導(dǎo)水裂隙帶上方的彎曲帶下部的離層會不斷積水，對煤礦安全生產(chǎn)威脅較大，所以此離層稱為“災(zāi)害性離層”。

隨著工作面的回采，上位的關(guān)鍵層懸頂越來越大，當(dāng)懸頂達(dá)到極限應(yīng)力平衡時，難以承受自重和礦壓的共同作用而發(fā)生突然破斷，所產(chǎn)生的巨大沖擊力擊拍離層水，瞬間形成超靜水壓力，突破離層水與裂隙帶之間的隔水層(亦稱“保護(hù)層”)，從而造成爆發(fā)性離層水突涌災(zāi)害，有的情況下伴隨沖擊礦壓，災(zāi)害更加嚴(yán)重。

離層水的補(bǔ)給來源主要有兩種。一是離層上覆煤系地層中地下水的垂向補(bǔ)給；二是松散含水層的側(cè)向補(bǔ)給(附圖6)。通常情況下，煤系含水層富水性弱，而且屬“疏干型”含水層，即使補(bǔ)給離層，也可通過在井下或地面施工導(dǎo)流孔，將離層水引入冒落、裂隙帶，以疏干離層水。但松散層水豐富，一旦補(bǔ)給離層，潛在的安全威脅較大，導(dǎo)流疏干也難以取得理想效果，而且大量疏水也會導(dǎo)致松散含水層壓縮而使地面下沉，威脅地表建筑物安全。因此，采取有效措施對松散層水進(jìn)行封堵，對于煤礦防治離層水水害和保護(hù)地表環(huán)境具有重要意義?，F(xiàn)有注漿充填技術(shù)中，主要是在最大離層量對應(yīng)的地面施工注漿鉆孔，鉆孔數(shù)多、鉆探工程量大；有時會出現(xiàn)“盲區(qū)”(漿液未到達(dá)的離層空間)而留下離層水滯后突出的隱患；在工作面正上方注漿還會增大對綜采支架的附加礦壓，影響采煤安全；漿液從離層的低處(最大離層量處)向離層的高處逐漸擴(kuò)散填充，耗能相對較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中注漿鉆探工程量大、留有注漿“盲區(qū)”和增加綜采支架附加礦壓等不足，提供一種離層水補(bǔ)給源的封堵方法來解決上述問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種離層水補(bǔ)給源的封堵方法，適用于傾斜巖煤層；包括以下步驟：

1)確定覆巖中所有離層的位置

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告提供的巖性和厚度判斷關(guān)鍵層；關(guān)鍵層與下位軟弱巖層之間即為離層；

2)確定災(zāi)害性離層

首先，計(jì)算出開采后覆巖中最大冒落帶高度H_c和最大導(dǎo)水裂隙帶高度H_f；然后，根據(jù)覆巖中離層的位置，將發(fā)育于導(dǎo)水裂隙帶之上的彎曲帶下部的離層，確定為災(zāi)害性離層；

3)確定災(zāi)害性離層水的補(bǔ)給位置

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告提供的巖層傾斜情況，確定災(zāi)害性離層與上覆松散含水層之間的位置關(guān)系，即可確定災(zāi)害性離層水的補(bǔ)給線，補(bǔ)給線與工作面走向一致；

4)一站多孔群設(shè)置

工作面回采之前，在地面設(shè)置一個注漿站、至少一個注漿孔群，注漿站與注漿孔群之間通過輸漿管連接，注漿站和注漿孔群沿工作線走向布置在一條直線上；每個注漿孔群均包括主孔和分支孔；

5)注漿孔群施工順序

開切眼端的注漿孔群至收作端的注漿孔群依次施工，且每個注漿孔群按照先主孔、后分支孔的順序施工；

6)注漿順序

自開切眼端的注漿孔群至收作端的注漿孔群依次注漿，且每個注漿孔群內(nèi)部按照先分支孔后主孔的順序注漿。

優(yōu)選的，所述步驟4)中，注漿孔群位于補(bǔ)給線朝工作面一側(cè)，且與風(fēng)巷的平距x為±5m。

優(yōu)選的，所述步驟4)中，當(dāng)L≤D，則設(shè)一個注漿孔群，當(dāng)L>D時，則至少設(shè)2個注漿孔群；其中，L為工作面走向長度，D為分支孔最大鉆注長度。

優(yōu)選的，當(dāng)設(shè)一個注漿孔群時，該注漿孔群設(shè)在收作端，為收作孔群；若設(shè)n個注漿孔群，其中n≥2，則n-1個注漿孔群設(shè)在切眼端，自切眼開始依次命名為切眼孔群1、切眼孔群2、……、切眼孔群n-1，建在工作面走向上且分別距離切眼的處；另一個設(shè)在收作端，為收作孔群，且建在工作面內(nèi)距離收作線平距為y處；注漿站建在n個注漿孔群的中間位置。

優(yōu)選的，切眼孔群1的主孔和切眼孔群1的分支孔在工作面初次來壓之前成孔，其余鉆孔可根據(jù)回采推進(jìn)位置陸續(xù)成孔。

優(yōu)選的，切眼孔群1的分支孔在工作面初次來壓時開始注漿，待回采推進(jìn)至切眼孔群1的主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群1主孔起注；回采推進(jìn)越過切眼孔群1主孔漿液擴(kuò)散半徑時，切眼孔群2的分支孔起注，待回采推進(jìn)至切眼孔群2的主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群2主孔起注；回采推進(jìn)越過切眼孔群2主孔漿液擴(kuò)散半徑時，切眼孔群3的分支孔起注，待回采推進(jìn)至切眼孔群3的主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群3主孔起注……，依次進(jìn)行，待回采推進(jìn)至切眼孔群n-1的主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群n-1的主孔起注，回采推進(jìn)越過切眼孔群n-1的主孔漿液擴(kuò)散半徑時，收作孔群分支孔起注；待回采推進(jìn)至收作孔群主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，收作孔群主孔起注，直至形成一個完整的止水塞。

優(yōu)選的，所述分支孔沿工作面走向方位造斜，進(jìn)入離層后，保持近水平鉆進(jìn)。

優(yōu)選的，所述主孔為垂直孔。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

本發(fā)明針對離層水補(bǔ)給源為上覆松散含水層時，提供的一種封堵補(bǔ)給通道的方法，在現(xiàn)有的定向鉆設(shè)備和工藝日益成熟的條件下，技術(shù)流程簡單，自動化程度高，便于操作，而且跟層準(zhǔn)確，目標(biāo)命中率高，封堵效果好，可以最大限度地減小甚至消除離層水害隱患。本發(fā)明與現(xiàn)有的離層注漿充填技術(shù)相比，注漿孔鉆探工程量小，成本低；不會留有注漿“盲區(qū)”，消除離層水滯后水害威脅；由于本發(fā)明的注漿位置不在工作面的正上方，對綜采支架的附加礦壓較小；漿液從離層的高處向離層的低處自流，充分利用了勢能，提高了注漿效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的流程框圖；

圖2和圖3均為本發(fā)明實(shí)施例1中覆巖中各關(guān)鍵層和離層的關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中災(zāi)害性離層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的作業(yè)環(huán)境結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖5中A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中注漿站和注漿孔群的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征及所達(dá)成的功效有更進(jìn)一步的了解與認(rèn)識，用以較佳的實(shí)施例及附圖配合詳細(xì)的說明，說明如下：

實(shí)施例1

如圖1所示，一種離層水補(bǔ)給源的封堵方法，適用于傾斜巖煤層；包括以下步驟：

步驟1.確定覆巖中所有離層的位置

如圖2至圖4所示，煤系地層是由物理力學(xué)性質(zhì)不同的軟硬巖層相間組合而成。一般情況下，在采煤引起的巖層移動中，這種厚硬巖層起著關(guān)鍵性控制作用，因此文獻(xiàn)中將其稱為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層與其下位的軟弱巖層之間，為潛在離層空間的位置。覆巖中，這種關(guān)鍵層與軟弱巖層組合可能有多處，因此潛在的離層空間也有多個，需要一一確定之。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告提供的巖性和厚度判斷第一關(guān)鍵層11、第二關(guān)鍵層12、第三關(guān)鍵層13等，再根據(jù)第一關(guān)鍵層11、第二關(guān)鍵層12、第三關(guān)鍵層13等與軟弱巖層的組合特征，逐一確定出潛在的第一離層41、第二離層42、第三離層43等位置。

步驟2.確定災(zāi)害性離層

首先，計(jì)算出開采后覆巖中最大冒落帶高度H_c和最大導(dǎo)水裂隙帶高度H_f；然后，根據(jù)覆巖中第一離層41、第二離層42、第三離層43等的位置，將發(fā)育于導(dǎo)水裂隙帶之上的彎曲帶下部的離層43，確定為災(zāi)害性離層。根據(jù)2000年原國家煤炭工業(yè)局《建筑物、水體、鐵路及注意井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》提供的計(jì)算公式，如表1，計(jì)算最大冒落帶H_c和最大導(dǎo)水裂隙帶H_f的高度：

表1厚煤層分層開采的最大冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式一覽表

(煤層傾角為0°～54°)

步驟3.確定災(zāi)害性離層水的補(bǔ)給位置

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告提供的巖層傾斜情況，確定災(zāi)害性離層43與上覆松散含水層70之間的位置關(guān)系，即可確定災(zāi)害性離層43水的補(bǔ)給線，補(bǔ)給線與工作面走向一致。

步驟4.一站多孔群設(shè)置

如圖5、圖6所示，工作面回采之前，在地面設(shè)置一個注漿站50、至少一個注漿孔群，注漿站50與注漿孔群之間通過輸漿管連接，注漿站50和注漿孔群沿工作線走向布置在一條直線上，且注漿孔群位于補(bǔ)給線朝工作面一側(cè)且距離風(fēng)巷的平距x為±5m，每個注漿孔群均包括主孔和分支孔。

注漿孔群的數(shù)量依據(jù)工作面走向長度及分支注漿孔最大水平鉆注長度確定。當(dāng)L≤D，則設(shè)一個注漿孔群，當(dāng)L>D時，則至少設(shè)2個注漿孔群；其中，L為工作面走向長度，D為分支孔最大水平鉆注長度。當(dāng)設(shè)一個注漿孔群時，該注漿孔群設(shè)在收作端，為收作孔群61。若設(shè)n個注漿孔群，其中n≥2，則n-1個設(shè)在切眼端，自切眼開始依次命名為切眼孔群1、切眼孔群2、……、切眼孔群n-1，建在工作面走向上且分別距離切眼的處；另一個設(shè)在收作端，為收作孔群61，且建在工作面內(nèi)距離收作線平距為y處；注漿站建在n個注漿孔群的中間位置。

步驟5.注漿孔群施工順序

切眼孔群62至收作孔群61依次施工，且每個注漿孔群按照先主孔、后分支孔的順序施工；其中，切眼孔群62的主孔和切眼孔群62的分支孔在工作面初次來壓之前成孔，其余鉆孔可根據(jù)回采推進(jìn)位置陸續(xù)成孔。分支孔沿工作面走向方位造斜，進(jìn)入離層4后，保持近水平鉆進(jìn)。主孔為垂直孔。

步驟6.注漿順序

切眼孔群62至收作孔群61依次注漿，且每個注漿孔群內(nèi)部按照先分支孔后主孔的順序注漿。切眼孔群62的分支孔在工作面初次來壓時開始注漿，待回采推進(jìn)至切眼孔群62的主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群62主孔起注；回采推進(jìn)越過切眼孔群62主孔漿液擴(kuò)散半徑時，下一個切眼孔群的分支孔起注……，依次進(jìn)行，直至收作孔群61分支孔起注；待回采推進(jìn)至收作孔群61主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，收作孔群61主孔起注，直至形成一個完整的止水塞80。

實(shí)施例2

下面以兩個注漿孔群為例進(jìn)行詳細(xì)描述：

如圖5、圖6、圖7所示，工作面由機(jī)巷20、風(fēng)巷30、開切眼(開始回采的起點(diǎn))和收作端(回采結(jié)束后的終點(diǎn))所確定，其走向長為L、傾斜寬為S。先根據(jù)實(shí)施例1所提供的方法確定災(zāi)害性離層43，以及處于風(fēng)巷上方的離層水補(bǔ)給線，然后根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)“一站多孔群”(一個注漿站50與多個注漿孔群的簡稱)注漿方案。具體為：

(1)注漿站50建在兩個注漿孔群的中間位置，其功能是根據(jù)防治離層43水害工程要求制備漿液，并通過注漿泵輸送漿液(注漿泵型號及泵壓亦根據(jù)防治離層43水害工程要求進(jìn)行選型和設(shè)計(jì))；

(2)注漿孔群由一個主孔和一個分支孔組成，其功能是將漿液送至設(shè)計(jì)的耙區(qū)，其中切眼孔群62建在工作面走向長的處(y為主孔的漿液擴(kuò)散半徑)，收作孔群61建在工作面內(nèi)且距離收作線平距為y處；

(4)注漿孔群之主孔為垂直孔，其孔徑、孔深及相關(guān)技術(shù)參數(shù)按照防治離層43水害工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(5)分支定向鉆孔均沿工作面走向方位造斜，進(jìn)入離層43后保持近水平鉆進(jìn)，鉆進(jìn)軌跡和長度設(shè)計(jì)根據(jù)定向鉆設(shè)備技術(shù)參數(shù)、漿液擴(kuò)散半徑以及防治離層43水害工程要求進(jìn)行。

“一站多孔群”注漿施工包括以下步驟：

1)根據(jù)“一站多孔群”注漿設(shè)計(jì)，在工作面開始回采之前，建成注漿站50和注漿孔群設(shè)施(包括鉆塔、鉆機(jī)、泥漿池等)，完成設(shè)備安裝調(diào)試流程，并連接好輸漿管路；

2)根據(jù)“一站多孔群”注漿設(shè)計(jì)，注漿孔群及其分支孔施工順序：切眼孔群主孔→切眼孔群分支孔→收作孔群主孔→收作孔群分支孔，其中切眼孔群主孔和切眼孔群分支孔在工作面初次來壓之前成孔，其余鉆孔可根據(jù)回采推進(jìn)位置陸續(xù)成孔；各分支孔造斜及鉆進(jìn)方位與工作面走向一致，其轉(zhuǎn)彎半徑要顧及主孔漿液擴(kuò)散半徑，以不留注漿“盲區(qū)”為基準(zhǔn)確定分支孔轉(zhuǎn)彎半徑；

3)根據(jù)“一站多孔群”注漿設(shè)計(jì)，注漿孔群及其分支孔注漿順序：切眼孔群分支孔→切眼孔群主孔→收作孔群分支孔→收作孔群主孔，其中切眼孔群分支孔在工作面初次來壓時開始注漿，待回采推進(jìn)至切眼孔群主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，切眼孔群主孔起注；回采推進(jìn)越過切眼孔群主孔漿液擴(kuò)散半徑時，收作孔群分支孔起注；待回采推進(jìn)至收作孔群主孔漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)時，收作孔群主孔起注，直至形成一個完整的止水塞80。

開采初期，離層43量不大，注漿要及時跟上，并通過漿液自流逐漸充填離層43空間，使第三關(guān)鍵層13不致突然破斷而形成巨大沖擊礦壓；注漿壓力升壓為松散含水層70水頭壓力的1.5倍時可結(jié)束注漿；定向鉆進(jìn)(包括長距離分支孔鉆進(jìn))技術(shù)比較成熟，在石油、煤礦行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。其以先進(jìn)的隨鉆測控技術(shù)為依托，通過對實(shí)鉆鉆孔軌跡的實(shí)時測量和精確控制，可保證定向鉆孔精確中靶目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)有效治理離層水水害的目標(biāo)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。