覆岩注水充填降低导高的保水开采方法与流程

本发明涉及一种保水开采方法，尤其适用于煤炭开采的覆岩注水充填降低导高的保水开采方法。

背景技术：

我国煤炭资源主要分布在干旱半干旱的北方和西北地区，煤炭开采往往导致矿区的河流干涸、地下潜水位下降等水资源的大量流失现象。同时，煤炭开采过程中还会排放大量的矿井水和老采空区积水，每年矿井水排放量可达到46亿立方米，平均每采1t煤要排放2m³左右的水，平均利用率仅26％。矿区水资源短缺和矿井污水的排放严重影响了矿区人民的生活，制约了经济的可持续发展，阻碍了国家生态文明建设的发展步伐。煤炭开采对环境和水资源的破坏与水资源等生态保护之间的矛盾日渐突出，保水开采技术为解决这一矛盾提供了方向。

条带开采、房(柱)式开采、旺格维利采煤、刀柱式开采等均属于部分开采方法，即仅采出一部分煤炭资源，利用遗留的煤柱控制上覆岩层的运动，从而降低导高以达到保水开采的要求，但是，此类方法资源回采率低，一般仅为20～50％，资源损失严重；(超)高水材料充填、矸石充填、膏体充填等均属于充填开采方法，即在采空区内充填外来物料，通过这些充填体控制上覆岩层的运动，从而降低导高以实现保水开采，其不足之处在于充填开采成本很高、充填工艺复杂、投资大、生产效率低；地下水库是将采动破坏的含水层水转移存储到老采空区内，通过冒落矸石净化处理并积极地循环利用老采空区积水，该方法提高了矿井水的利用率，但是不可避免地造成含水层水的漏失或地下水位的下降，且地下水库中的水受到了重金属离子污染，一般无法用做生活用水。因此，寻求无污染、成本低、资源回收率高、保水效果好的开采方法是实现煤炭绿色开采的必然选择。

技术实现要素：

发明目的，针对上述技术的不足之处，提供一种方便易行、成本低、环境友好、采充干扰小、有效降低导水裂隙带高度的方法，直接利用矿区废水作为充填介质对覆岩进行充填的保水开采方法。

为达到上述目的，本发明的覆岩注水充填降低导高的保水开采方法，其步骤如下：

a.首先通过水文地质勘探确定开采区域含水层位置及覆岩结构特征；

b.在待采工作面煤层上方的地表布置多个注水钻孔，并在注水钻孔内全长安设钢质注水钻孔套管；

其中第一个注水钻孔布置在煤层的当前采煤工作面中部，水平距离切眼40m～90m处，在沿工作面推进方向间隔布置注水钻孔直至当前开采工作面的停采线；

注水钻孔由地面布置位置垂直下钻，下钻深度应位于正常开采的导高上方或需保护的含水层层位中即注水层位；

c.在注水钻孔处设置高压水泵，并利用螺纹法兰和不锈钢管组成的地面输水管路将高压水泵与注水钻孔套管紧固连接；

d.依照常规开采工艺进行工作面开采，开采前根据地质条件确定工作面合理宽度及留设区段隔离煤柱，当工作面推进至水平距离注水钻孔10m-30m处时，利用高压水泵通过地面输水管路向注水钻孔中进行高压注水，将水注入覆岩；

e.利用设在高压水泵出水口处的流量计读取向注水钻孔中高压注水的注水量，当向覆岩注入水的总量达到采空区体积的30％～45％时，停止注水；

f.关闭高压水泵，拆除地面输水管路，利用固结性材料对注水钻孔进行封孔；

g.重复步骤c、d、e、f，每当工作面推进至距离下一个注水钻孔10-30m处时，便对相应注水钻孔实施高压注水，直至完成所有注水钻孔的注水及封孔工作，在该工作面回采的同时，掘进下一相邻工作面的回采巷道和切眼；

h.工作面回采完成后，通过下一相邻工作面已开掘的回采巷道向已完成回采的工作面上方覆岩处倾斜布置多个放水钻孔，多个放水钻孔沿工作面推进方向间隔布置，放水钻孔倾角为37°～42°，放水钻孔钻至注水层位，利用放水钻孔将注入覆岩的水排放至回采巷道水槽中并由井下排水系统排出地面，以消除突水隐患，放水同时，上覆岩层整体运动，裂隙再发育程度低，有效保护上覆含水层水资源；

i.重复步骤g和步骤h从而完成所有的待采煤层的保水开采。

所述水文地质勘探确定开采区域含水层位置及覆岩结构特征包括岩石容重γ信息和岩层埋深h信息；所述高压注水的压力高于注水层位地层压力γh0.5-1mpa。所述覆岩注水方法使用的水源为矿井水、老采空区积水或是地表水源，无需二次加工，直接作为充填介质。所述注水钻孔(7)和放水钻孔(10)的钻孔间距均为300～500m，具体间距由所在处工作面开采条件及对应覆岩结构特征决定。

有益效果：

1.通过覆岩高压注水降低了采动导水裂隙带的发育高度，间接增大了隔水层厚度，提高了隔水层的阻水能力，从而实现保水开采；

2.以水作为唯一的充填材料，材料来源广泛，成本低，可直接取用矿井废水，无需二次加工，提高矿井水利用率；且对需保护的含水层水体无污染，生态安全；

3.该方法实现简单、施工方便、综合效益好，只需要在地面布置几台高压水泵，合理设计注水层位及注水时机，控制好压力，即可通过注水钻孔向目标层位注水；

4.地面钻孔注水过程与井下采煤工作独立进行，相互干扰小，保证了工作面的产量。

说明书附图

图1是本发明的覆岩注水降低导高的保水开采方法示意图；

图2是本发明的沿工作面倾向钻孔注水及放水钻孔示意图。

图中：1-地表，2-需保护的含水层，3-煤层，4-采空区，5-高压水泵，6-地面输水管路，7-注水钻孔，8-正常开采的导水裂隙带轮廓，9-注水后的导水裂隙带轮廓，10-放水钻孔，11-区段隔离煤柱，hb－正常开采条件下的隔水层厚度，hb'－覆岩注水条件下的隔水层厚度，hli－正常开采条件下的导水裂隙带高度，hl'i－覆岩注水条件下的导水裂隙带高度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1和图2所示，本发明的覆岩注水充填降低导高的保水开采方法，其步骤如下：

a.首先通过水文地质勘探确定开采区域含水层位置及覆岩结构特征；所述水文地质勘探确定开采区域含水层位置及覆岩结构特征包括岩石容重γ信息和岩层埋深h信息；所述高压注水的压力高于注水层位地层压力γh0.5-1mpa；

b.在待采工作面煤层3上方的地表1布置多个注水钻孔7，并在注水钻孔7内全长安设钢质注水钻孔套管；注水钻孔7的钻孔间距均为300～500m，具体间距由所在处工作面开采条件及对应覆岩结构特征决定；

其中第一个注水钻孔7布置在煤层3的当前采煤工作面中部，水平距离切眼40m～90m处，在沿工作面推进方向间隔布置注水钻孔7直至当前开采工作面的停采线；

注水钻孔7由地面布置位置垂直下钻，下钻深度应位于正常开采的导高上方或需保护的含水层2层位中即注水层位；

c.在注水钻孔7处设置高压水泵5，并利用螺纹法兰和不锈钢管组成的地面输水管路6将高压水泵5与注水钻孔套管紧固连接；

d.依照常规开采工艺进行工作面开采，开采前根据地质条件确定工作面合理宽度及留设区段隔离煤柱11，当工作面推进至水平距离注水钻孔710m-30m处时，利用高压水泵5通过地面输水管路6向注水钻孔7中进行高压注水，将水注入覆岩；所述覆岩注水方法使用的水源为矿井水、老采空区积水或是地表水源，无需二次加工，直接作为充填介质；

e.利用设在高压水泵5出水口处的流量计读取向注水钻孔7中高压注水的注水量，当向覆岩注入水的总量达到采空区4体积的30％～45％时，停止注水；

f.关闭高压水泵5，拆除地面输水管路6，利用固结性材料对注水钻孔7进行封孔；

g.重复步骤c、d、e、f，每当工作面推进至距离下一个注水钻孔710-30m处时，便对相应注水钻孔7实施高压注水，直至完成所有注水钻孔7的注水及封孔工作，在该工作面回采的同时，掘进下一相邻工作面的回采巷道和切眼；

h.工作面回采完成后，通过下一相邻工作面已开掘的回采巷道向已完成回采的工作面上方覆岩处倾斜布置多个放水钻孔10，多个放水钻孔10沿工作面推进方向间隔布置，放水钻孔10的钻孔间距均为300～500m，具体间距由所在处工作面开采条件及对应覆岩结构特征决定，放水钻孔10倾角为37°～42°，放水钻孔10钻至注水层位，利用放水钻孔10将注入覆岩的水排放至回采巷道水槽中并由井下排水系统排出地面，以消除突水隐患，放水同时，上覆岩层整体运动，裂隙再发育程度低，有效保护上覆含水层水资源；

i.重复步骤g和步骤h从而完成所有的待采煤层的保水开采。

如图1所示，在地面高压水泵5注水压力作用下，注水层下部岩体主动下压，垮落带矸石被迅速压实，正常开采的导水裂隙带轮廓8在高压注水后形成注水后的导水裂隙带轮廓9，导水裂隙带高度将从正常开采条件下的高度hli下降至覆岩注水条件下的导水裂隙带高度hl'i，而隔水层厚度则从hb增大至覆岩注水条件下的隔水层厚度hb'，增强了隔水层的阻水能力，从而实现了保水采煤。