一种用于采煤过程中的保水方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于采煤过程中的保水方法，涉及地下采矿方法【技术领域】。包括如下步骤：一、采用立体探测技术对煤矿井下采掘地区的地下水静态赋存特征、保护层完整情况及天然导水通道发育情况进行立体探测；二、结合探测得到的结果，找到地下水保护层中的薄弱地段及导水通道以及存在地下水泄漏危险的地段，采用井下高压水射流钻进技术，通过快速、精确钻进，快速注浆封堵导水通道和存在地下水泄漏危险的地段、注浆加固地下水保护层或者留设保水煤柱。本发明方法能够在确保安全、高效采煤的同时，实现对矿区地下水资源的保护。
【专利说明】一种用于采煤过程中的保水方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及地下采矿方法【技术领域】。
【背景技术】
[0002]煤炭，在我国一次能源消费中的比例达到70%，在国民经济生产中占有很重要的地位。然而，煤炭生产过程中对环境的破坏问题也很突出，采煤造成的地面塌陷、地下水资源破坏等问题，已越来越引起社会各界重视。
[0003]传统采煤技术，一直把地下水作为一种灾害，采取疏水降压、注浆治理等措施，或者将地下水排出，或者将水局部封闭。前者造成地下水资源的大量浪费，导致区域地下水位持续下降，形成地下水降落漏斗。后者改变了地下水流场特征，常常造成水井水量减少甚至断流，影响工农业及居民用水。
[0004]据2013年7月河北省国土资源厅发布的《2012年河北省地质环境状况公报》披露，全省共有地下水位降落漏斗25个，全国地下水降落漏斗超过100个。近三十年来，邯邢地区百泉水文地质单元泉口附近地下水位降幅20-30m。而每一次煤矿重大透水事故，常常伴随周围数十公里范围内区域地下水位的大幅下降。而每一个矿井动辄每小时数百立方米的排水，更是对地下水资源破坏及浪费的具体体现。
[0005]地下水资源保护的迫切性与采煤保水技术的不完善之间的矛盾日益凸显，采煤保水技术的研究就显得越来越重要。
[0006]通过专项技术攻关研究，在确保安全、高效采煤的同时，做好对煤矿区地下水资源的保护，减少矿井排水量，将煤炭资源的开发利用同地下水资源的保护有机结合起来，构建矿井水的探、防、治、保、用五位一体的综合保护、治理体系，最终实现采煤保水、煤与水两种资源统筹规划、人与环境和谐共赢的局面，对我国煤炭行业的健康、可持续发展，对和谐社会、生态社会的构建具有重大意义。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种用于采煤过程中的保水方法，该方法能够在确保安全、高效采煤的同时，实现对矿区地下水资源的保护。
[0008]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种用于采煤过程中的保水方法，包括如下步骤:
一、采用立体探测技术对煤矿井下采掘地区的地下水静态赋存特征、地下水保护层完整情况及天然导水通道发育情况进行立体探测；
二、结合探测得到的结果，找到地下水保护层中的薄弱地段及导水通道以及存在地下水泄漏危险的地段，采用高压水射流钻进技术，通过快速、精确钻进，快速注浆封堵导水通道和存在地下水泄漏危险的地段、注浆加固地下水保护层或者留设保水煤柱。
[0009]优选的，上述第一步和第二步之间还采用微震监测技术对采煤工作面及周围地区含水层以及地下水保护层采煤期间岩层破裂情况进行全程动态监测，通过对采煤工作面附近岩层的微震事件时、空分布情况进行监测、分析，收集地下水发生流动、地下水保护层变化、天然导水通道稳定性、人为导水通道发育情况以及存在地下水泄漏危险的地段的信息。
[0010]进一步优选的，微震监测技术的【具体实施方式】为:检波器沿工作面巷道顶板、底板、左帮、右帮布置成环状，各个检波器通过数据线连接在同一监测器上，形成一个监测单元；沿工作面上、下顺槽间隔200-300米布置一个监测单元，多个监测单元形成一个完整的工作面监测网络。
[0011]优选的，上述第一步中，立体探测技术为巷道多方位超前探测方法、巷道超前探测数据的多参数空间成图法和工作面煤层采前立体探测方法结合使用的探测技术。
[0012]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
(1)本发明采用立体探测技术为主要手段的综合勘探技术，查明煤矿井下生产地区及周围地下水静态赋存特征，了解地下水(含水层、老空水等各类水体)赋存位置、范围及地下水保护层薄弱地段、导水通道发育情况等，为地下水保护工作做好第一步；
(2)采用微震监测技术，监测工作面回采期间围岩地下水保护层岩层破裂及导水通道变化情况，配合地下水水压、水量、水温、水质、同位素等多种特征参数监测，查明采掘地区地下水动态变化特征，了解天然导水通道稳定性情况和因采掘活动形成的人为导水通道发育情况，对是否发生地下水泄漏和破坏及其空间位置进行监测、预警；微震监测技术【具体实施方式】的设计使得一个监测单元，其监测、控制范围可以覆盖半径为300-500米的球体空间；
(3)采取高压水射流钻进技术和注浆技术，对已探明的地下水保护层局部薄弱地段和导水通道及存在地下水泄漏危险地段，进行注浆加固、封堵，或采取留设保水煤柱的方法，将地下水泄漏危险消灭在萌芽状态,最大限度地减少采煤对地下水的破坏,大大提高采煤作业的安全性，提高了工作效率，具有良好的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明；
图1是本发明实施例4中9315工作面采前立体探测及注浆加固示意图；
图2是本发明实施例3中2120工作面风道巷道多方位超前探测工程布置图；
图3A、图3B是图2的探测解释曲线图；
图4是本发明中提到的巷道多方位超前探测示意图；
图5是本发明中提到的工作面煤层采前立体探测示意图；
图中，1、2120工作面风道；2、停头位置；3、低阻异常带；4、设计切眼位置；5、2298工作面闻水位区；6、掘进巷道迎头；7、探测方向；8、控制范围；9、含水层；10、下巷；11、老空区；12、采动破坏范围；13、上巷；14、导水陷落柱；15、立体探测。
【具体实施方式】
[0014]实施例1
一种用于采煤过程中的保水方法，包括如下步骤:
一、采用巷道多方位超前探测方法(专利号为ZL 201110095155.4)、巷道超前探测数据的多参数空间成图法(专利号为ZL201110389923.7)和工作面煤层采前立体探测方法(专利号为ZL201210112477.X)组成立体探测方法(图4、5)，查明煤矿井下采掘地区原始状态下的地下水静态赋存特征,查明掘进巷道迎头前方、侧前方、顶板、底板及工作面顶板、底板、外围等多个方位地下水分布情况、地下水保护层完整情况、天然导水通道发育情况等。
[0015]对矿区地下水静态赋存特征进行全方位、无损探查，查明地下含水层空间富水位置、范围以及断层、陷落柱等天然导水通道发育情况，尽量不使用钻探等对含水层构成损伤和破坏的勘探手段，是做好地下水保护工作的第一步。
[0016]二、根据前述对地下水静态赋存特征、地下水保护层完整情况、天然导水通道的探测和监测结果，找到地下水保护层局部薄弱地段和导水通道及存在地下水泄漏危险的地段，采取对地下水保护层局部薄弱地段注浆加固、对导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进行注浆封堵等措施。本发明采用高压水射流钻进技术，对工作面周围存在的天然导水通道、人为导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进行注浆封堵，对地下水保护层局部薄弱地段进行注浆加固，最大限度地补强地下水保护层，使其成为有足够强度的完整地下水保护层，快速和精确钻进、快速注浆、快速治理，在第一时间将地下水泄漏消灭在萌芽状态，达到保护地下水的目的。
[0017]传统机械钻机，施工一个IOOm深的钻孔需要2-3天，采用高压水射流钻进技术仅仅需要1-2个小时，而且钻孔定位准确，终孔位置偏差一般在2-3米之内。对于天然导水通道及人工导水通道的封堵，要突出一个快字。快速发现、快速封堵，通过高压纯水泥浆灌注，在第一时间封堵导水通道，将地下水泄漏危险消灭在萌芽状态。
[0018]考虑到回采前、后工作面周围地应力场的变化，岩层发生变形破坏在所难免，在地下水保护层局部薄弱地段注浆加固工作中，通过在水泥浆液中加入粘土、粉煤灰等材料，在提高地下水保护层抗压强度的同时，有针对性地增加注浆材料的柔性，提高保护层抗塑性变形能力，对有效保护地下水十分有益。
[0019]或者留设保水煤柱。
[0020]注浆和留设保水煤柱的选择，可根据实际的成本、风险程度等情况进行选择。
[0021]实施例2
一、采用巷道多方位超前探测方法(专利号为ZL 201110095155.4)、巷道超前探测数据的多参数空间成图法(专利号为ZL201110389923.7)和工作面煤层采前立体探测方法(专利号为ZL201210112477.X)组成立体探测方法(图4、5)，查明煤矿井下采掘地区原始状态下的地下水静态赋存特征,查明掘进巷道迎头前方、侧前方、顶板、底板及工作面顶板、底板、外围等多个方位地下水分布情况、地下水保护层完整情况、天然导水通道发育情况等。
[0022]对矿区地下水静态赋存特征进行全方位、无损探查，查明地下含水层空间富水位置、范围以及断层、陷落柱等天然导水通道发育情况，尽量不使用钻探等对含水层构成损伤和破坏的勘探手段，是做好地下水保护工作的第一步。
[0023]二、采用微震监测技术，对采煤工作面及周围地区含水层以及地下水保护层在采煤期间岩层破裂情况进行全程动态监测。以便及时发现问题，及时采取措施，在第一时间预防和避免采煤过程中地下水泄漏及突水事故的发生。
[0024]自然状态下地下水赋存在一个特定环境即含水层内，处于一种平衡状态。含水层附近煤层采出后，采煤工作面位置形成采空区(储水空间或过水通道)，顶底板岩层产生垮落、形成采动裂隙，这些裂隙一旦与含水层沟通，就会成为地下水的人为导水通道，地下水就会流入采空区并经过采空区排出地面，造成对地下水资源的破坏。上述裂隙形成过程以及地下水冲破周围岩层流入采空区的过程，其实就是工作面周围岩层的破裂过程，都会伴随一次次微小的地震事件。本发明采取微震监测技术，通过对采煤工作面附近岩层内微震事件发生的时间、频度、能量及空间分布情况等等多个方面进行监测、分析，就可以捕捉到地下水发生流动、变化的信息，收集地下水发生流动、变化以及可能发生泄漏的信息；了解天然导水通道稳定性情况和因采掘活动形成的人为导水通道发育情况，进而为快速采取地下水保护措施提供依据。
[0025]微震监测技术的【具体实施方式】为:将检波器沿工作面巷道顶板、底板、左帮、右帮布置成环状，各个检波器通过专用数据线连接在同一监测器上，形成一个监测单元；沿工作面上、下顺槽间隔200-300米布置一个监测单元，多个监测单元组成一个完整的工作面监测网络。一个监测单元，监测、控制范围可以覆盖半径为300-500米的球体空间。根据工作面回采进度，监测分站采用递进式交替移动方式向外移动，实现对整个工作面及周围岩层的连续、全覆盖监测。
[0026]整个监测过程要贯穿工作面准备期至工作面回采结束一段时间，确保对整个监测周期内地下水保护层变化情况、周围天然导水通道稳定性情况、人为导水通道发育情况、地下水可能发生泄漏地段的全程动态监测。
[0027]三、根据前述对地下水静态赋存特征、地下水保护层完整情况、天然导水通道及人为导水通道发育情况、地下水动态变化的探测和监测结果，找到地下水保护层局部薄弱地段和导水通道及存在地下水泄漏危险的地段，采取对地下水保护层局部薄弱地段进行注浆加固、对导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进行注浆封堵等措施。本发明采用高压水射流钻进技术，对工作面周围存在的天然导水通道、人为导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进行注浆封堵，对地下水保护层局部薄弱地段进行注浆加固，快速和精确钻进、快速注浆、快速治理，在第一时间将地下水泄漏消灭在萌芽状态，达到保护地下水的目的。
[0028]或者留设保水煤柱。
[0029]实施例3:
某矿2120工作面为12 #煤掘进工作面，设计走向长1208m。
[0030]某年12月24日，2120工作面上部9 #煤2298工作面运道掘进中发生底板涌水，最大涌水量为172m3/h，致使附近2278工作面被淹、整个矿井北翼停产。
[0031]13年后，2120工作面风道掘进到918m位置，课题组采用“巷道多方位超前探测方法”(专利号ZL 201110095155.4、ZL201110389923.7)，对迎头前方高水位异常区进行多方位、立体探测。
[0032]图2是2120工作面风道巷道多方位超前探测工程布置图；图3A、图3B是图2的探测解释曲线图(视电阻率对数ds等值线平面图)；
图中显示，巷道前方存在一个与风道近似垂直的低阻异常带3 (粗虚线圈定区域)。该异常平面上呈NNE向条带状展布，与风道近似垂直，空间上呈倾斜带状展布，分析认为为导水断层反映。
[0033]考虑到该断层横跨2120工作面(设计)，巷道继续掘进及工作面回采发生突水事故的可能很大，因此，矿方决定改变原设计方案，风道停止掘进，留设保水煤柱(因为此位置处于两个矿边缘，矿产资源少，且注浆成本高，开采风险大，所以留设保水煤柱)，工作面后退300m重新布置回采系统。避免了一次可能发生的掘进突水和地下水泄漏事故的发生。
[0034]实施例4:
某矿井9315工作面主采石炭系9#煤。工作面底板下距奥灰含水层33m，承受奥灰水压
1.2 ?1.4MPa。
[0035]某年12月5?8日，课题组采用工作面煤层采前立体探测方法(专利号ZL201210112477.X))，圈定含水异常 5 处，见图1 中 1#、2#、3#、4#、5#。
[0036]此后，根据探测结果，矿方对工作面底板(存在地下水泄漏危险的地段)进行钻孔注浆加固，采用高压水射流钻进技术，快速和精确钻进、快速注浆。其中，工作面底板注浆孔55个，注浆1299.45t，进入4#异常区的WS4-1钻孔，孔深73.6m,水量15m3/h，单孔注入水泥950t，占整个工作面55个钻孔注浆总量的67.9%。
[0037]该工程的实施，成功封堵了工作面底板一个天然导水通道，有效消除了工作面回采突水隐患，避免了一次回采突水事故。
[0038]目前，工作面已安全回采，达到了采煤保水目的。
【权利要求】
1.一种用于采煤过程中的保水方法，其特征在于包括如下步骤: 一、采用立体探测技术对煤矿井下采掘地区的地下水静态赋存特征、地下水保护层完整情况及天然导水通道发育情况进行立体探测； 二、结合探测得到的结果，找到地下水保护层中的薄弱地段及导水通道以及存在地下水泄漏危险的地段，采用高压水射流钻进技术，通过快速、精确钻进，快速注浆封堵导水通道和存在地下水泄漏危险的地段、注浆加固地下水保护层或者留设保水煤柱。
2.根据权利要求1所述的一种用于采煤过程中的保水方法，其特征在于上述第一步和第二步之间还采用微震监测技术对采煤工作面及周围地区含水层以及地下水保护层采煤期间岩层破裂情况进行全程动态监测，通过对采煤工作面附近岩层的微震事件时、空分布情况进行监测、分析，收集地下水发生流动、地下水保护层变化、天然导水通道稳定性、人为导水通道发育情况以及存在地下水泄漏危险的地段的信息。
3.根据权利要求2所述的一种用于采煤过程中的保水方法，其特征在于所述的微震监测技术的【具体实施方式】为:检波器沿工作面巷道顶板、底板、左帮、右帮布置成环状，各个检波器通过数据线连接在同一监测器上，形成一个监测单元；沿工作面上、下顺槽间隔200-300米布置一个监测单元，多个监测单元形成一个完整的工作面监测网络。
4.根据权利要求1所述的一种用于采煤过程中的保水方法，其特征在于上述第一步中，立体探测技术为巷道多方位超前探测方法、巷道超前探测数据的多参数空间成图法和工作面煤层采前立体探测方法结合使用的探测技术。
【文档编号】E21C41/16GK103924975SQ201410152267
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】刘建功, 李玉宝, 赵立松 申请人:河北煤炭科学研究院