一种钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法与流程

本发明涉及一种顶板水害防治方法，尤其是一种适用于煤炭开采水资源保护与矿井水害防治技术领域中的钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法。

背景技术：

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动与破坏，从而在覆岩中形成采动裂隙；覆岩采动裂隙产生既为区域水资源流失提供了通道，同时也成为井下水害发生的地质根源。当煤系地层中赋存有一层或多层富水性较强的含水层时，受采动破坏的含水层水体将沿着导水裂隙通道涌至井下采空区，导通地层含水层的裂隙通道越多、含水层富水性越强，则井下涌水量越大，严重时将引发顶板水害问题，危及矿井安全高效生产。从采动覆岩导水裂隙带分布的一般特征看，导水裂隙带“马鞍形”凸起区域(见附图)处于开采边界的张开裂隙区，裂隙发育开度大、通道过流能力强；若能准确识别该区域的分布范围，并采取相关措施降低裂隙的过流能力，这无疑会大大降低含水层的水漏失程度、减轻井下水害威胁。

目前，有关顶板水害防治主要有两类对策。一类是在煤层开采前通过施工钻孔至地层含水层位置，将含水层水体进行进前疏放，疏干或减小含水层富水性，降低井下涌水量。另一类是从控制导水裂隙带发育的角度进行，即通过控制采高或改善采煤工艺和方法，降低导水裂隙带发育高度，使其不沟通地层含水层，从而达到防止水害发生的目的。然而，上述方法都存在一定的局限性，第一类方法在地层含水层多、富水性大、含水层水补给能力强的开采条件下将不再适用，单纯依靠钻孔疏放无法达到减少含水层富水量的目的；而第二类方法在煤层厚度大、含水层距离煤层近的条件下也难以适用，即使在采高较小的情况下导水裂隙带依然会沟通含水层。因此，有必要基于采动覆岩导水裂隙带发育特征，开展人工注浆封堵裂隙通道的水害防治方法的专门设计。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法，结合煤层开采参数及水文地质条件，通过辨识采动覆岩导水裂隙主通道分布区域，确立利用钻孔注浆方式将导水裂隙主通道封堵上的顶板水害方法，以降低含水层水资源漏失程度、减轻井下水害威胁，实现矿井的安全高效生产。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域导水裂隙带发育高度及其沟通地层含水层的分布区域，最后，在导水裂隙带沟通含水层的区域划定导水裂隙主通道分布范围，并根据井下巷道位置、煤层埋深、地面布钻条件确定实施何种注浆钻孔以及钻孔的施工参数。钻孔施工完毕后，将浆料泵送至导水裂隙主通道区域，封堵导水裂隙通道。

具体包括以下步骤：

a.收集矿井在采煤区域曾施工的地质探查钻孔柱状，获得不同开采区域顶板岩层赋存、各岩层的物理力学特性参数。采用关键层判别方法对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定各区域覆岩关键层位置。

b.采用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”，通过覆岩关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断，从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度与地层含水层所处位置的相对关系。当导水裂隙带高度范围内存在含水层时，则对应钻孔区域导水裂隙带已沟通含水层，需要采取钻孔注浆方式封堵导水裂隙主通道。当导水裂隙带高度范围内不存在含水层时，则无需采取钻孔注浆措施。

c.在导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域内划定导水裂隙主通道分布区域，并根据条件在地面或井下施工钻孔对导水裂隙主通道实施注浆封堵。

优选的：所述注浆封堵为采用水泥浆或黄泥浆或两者的混合浆，泵送至导水裂隙主通道区域，封堵导水裂隙通道。

优选的：所述步骤a中利用关键层判别软件kspb对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别。

优选的：所述导水裂隙主通道分布区域处于开采边界以内30-40m的宽度范围。

优选的：所述步骤c中注浆封堵钻孔主要根据井下巷道位置、煤层埋深、以及地面布钻条件情况而定，其布置方法如下：

若开采边界附近存在可施工钻孔的巷道，则可选择在该巷道内斜向上施工注浆钻孔。钻孔终孔位置距开采边界水平距离15-20m，正好位于导水裂隙主通道分布条带区域中央，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的厚硬砂岩中。

若开采边界附近不存在可施工钻孔的巷道或者煤层为埋深小于200m的浅埋煤层，而开采区域对应地表具备钻孔施工条件，则可选择从地面施工钻孔进行注浆封堵。钻孔终孔位置距开采边界水平距离15-20m，正好位于导水裂隙主通道分布条带区域中央，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的厚硬砂岩中。

优选的：巷道内施工钻孔的间距为20m，地面钻孔布置的间距可达到150m。

优选的：所述浆料采用水泥浆、黄泥浆或两者的混合浆。

本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数对覆岩导水裂隙带发育的影响，不但考虑了覆岩导水裂隙主通道分布区域，而且还考虑了井下巷道布置、煤层埋深、地表地形等对注浆钻孔施工位置的影响，本发明将能够适应不同开采条件下钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法的确定，可为矿区煤炭开采水资源保护与水害防治等提供保障，其使用方法可靠，实用性强。与现有技术相比于，本发明具有以下优点：

(1)对沟通地层含水层的覆岩导水裂隙采取“抓主要矛盾”的方式，对覆岩中的主要导水通道实施注浆封堵，不但科学可靠、工程量低，而且还能有效减小含水层水漏失程度、减轻顶板水害威胁；

(2)能够适应不同开采条件下钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法的确定，可为我国地层富水性强、顶板水害威胁大的矿区的煤炭开采水资源保护与水害防治提供保障，其实施方法简单，实用性强。

附图说明

图1是本发明钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的顶板水害防治方法的钻孔布置平面图；

图2是本发明钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的顶板水害防治方法的钻孔布置a-a剖面图；

图3是本发明钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的顶板水害防治方法的钻孔布置b-b剖面图；

图4是本发明实际应用过程中某煤矿31401工作面t1钻孔柱状及关键层位置判别结果示意图；

图5是本发明实际应用过程中某煤矿31401工作面t2钻孔柱状及关键层位置判别结果示意图；

图6是本发明实际应用过程中某煤矿31401工作面覆岩导水裂隙主通道分布及注浆堵水钻孔布置平面图。

其中，1表示巷道内施工钻孔，2表示区段平巷，3表示区段保护煤柱，4表示地面钻孔，5表示切眼，6表示回撤通道，7表示停采线，8表示导水裂隙主通道分布区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1～图3所示，本发明的一种钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法，根据具体开采条件下采动覆岩导水裂隙带高度的发育特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采用关键层位置判别方法确定覆岩中各关键层层位，之后结合覆岩导水裂隙带高度的预计方法，确定各区域导水裂隙带发育高度及其沟通地层含水层的分布区域，最后，在导水裂隙带沟通含水层的区域划定导水裂隙主通道分布范围，并根据井下巷道位置、煤层埋深、地面布钻条件等确定实施何种注浆钻孔以及钻孔的施工参数；若开采边界附近存在可施工钻孔的巷道，则可选择在该巷道内斜向上施工注浆钻孔，钻孔终孔位置距开采边界水平距离15-20m，正好位于导水裂隙主通道分布条带区域中央，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的厚硬砂岩中，巷道内施工钻孔的间距为20m；若开采边界附近不存在可施工钻孔的巷道或者煤层为埋深小于200m的浅埋煤层，而开采区域对应地表具备钻孔施工条件，则可选择从地面施工钻孔进行注浆封堵，钻孔终孔位置与井下施工钻孔的终孔位置相同，地面钻孔布置的间距可达到150m。具体包括以下步骤：

a.收集矿井在采煤区域曾施工的地质探查钻孔柱状，获得不同开采区域顶板岩层赋存、各岩层的物理力学特性参数。利用关键层判别软件kspb对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定各区域覆岩关键层位置。

b.采用“基于关键层位置的导水裂隙带高度的预计方法”，通过覆岩关键层位置与煤层采高的关系对采动覆岩导水裂隙带高度进行判断，从而获得各区域覆岩导水裂隙带高度与地层含水层所处位置的相对关系。当导水裂隙带高度范围内存在含水层时，则对应钻孔区域导水裂隙带已沟通含水层，需要采取钻孔注浆方式封堵导水裂隙主通道。当导水裂隙带高度范围内不存在含水层时，则无需采取钻孔注浆措施。

c.在导水裂隙带沟通地层含水层的开采区域内划定导水裂隙主通道分布区域，并根据条件在地面或井下施工钻孔对导水裂隙主通道实施注浆封堵。

所述导水裂隙主通道分布区域处于开采边界以内30-40m的宽度范围。

所述注浆封堵钻孔主要根据井下巷道位置、煤层埋深、以及地面布钻条件等情况而定，其布置方法如下：

若开采边界附近存在可施工钻孔的巷道(如回采巷道附近的区段平巷2或停采线7附近的回撤通道6等)，则可选择在该巷道内斜向上施工注浆钻孔。钻孔终孔位置距开采边界水平距离15-20m，正好位于导水裂隙主通道分布条带区域中央，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的厚硬砂岩中。巷道内施工钻孔1的间距为20m。

若开采边界附近不存在可施工钻孔的巷道或者煤层为埋深小于200m的浅埋煤层，而开采区域对应地表具备钻孔施工条件，则可选择从地面施工钻孔进行注浆封堵。钻孔终孔位置距开采边界水平距离15-20m，正好位于导水裂隙主通道分布条带区域中央，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的厚硬砂岩中。地面钻孔4布置的间距可达到150m。

d.钻孔施工完毕后，即可采用水泥浆或黄泥浆或两者的混合浆，泵送至导水裂隙主通道区域，封堵导水裂隙通道。

如图4、图5所示，图中为某煤矿31401工作面实际应用过程中不同开采区域钻孔柱状的关键层位置判别结果，从柱状的关键层位置判别结果可以看出，31401工作面在这两个钻孔区域的岩层赋存存在明显不同的特征。由此，可对两钻孔区域的覆岩导水裂隙带发育高度及其对地层含水层是否沟通进行判断。根据工作面6.0m的采高可知，对于t1钻孔区域，覆岩主关键层位于7～10倍采高之外，因此导水裂隙带发育至主关键层底界面位置，覆岩导水裂隙带未沟通地层含水层。对于t1钻孔区域，按照同样的方法，覆岩关键层均位于7～10采高之内，覆岩导水裂隙发育至基岩顶界面，导水裂隙带沟通了地层含水层。所以，需要在t2钻孔区域对应导水裂隙主通道分布范围实施钻孔注浆。

如图6所示，在t2钻孔区域对应导水裂隙带沟通地层含水层的范围内，划定了导水裂隙主通道分布区域为开采边界内部40m宽度范围。注浆钻孔终孔位置距开采边界水平距离20m，钻孔终孔所处层位应位于含水层下部的第4号10.62m厚的粉砂岩中。考虑到该层位距离煤层较远(102m)，若采取井下斜向上施工方式钻孔施工长度较长，困难较大，因此，采取地面钻孔注浆封堵方式进行。由于工作面倾向宽275m，因此停采线附近的导水裂隙主通道注浆封堵钻孔布置在工作面倾向中部，距离停采线水平错距20m。对于两侧回采巷道附近的覆岩导水裂隙主通道分布区域，根据该区域530m的长度计，均匀布置3个注浆钻孔，钻孔间距150m。

本发明基于煤层地质赋存条件与开采参数对覆岩导水裂隙带发育的影响，不但考虑了覆岩导水裂隙主通道分布区域，而且还考虑了井下巷道布置、煤层埋深、地表地形等对注浆钻孔施工位置的影响，对沟通地层含水层的覆岩导水裂隙采取“抓主要矛盾”的方式，对覆岩中的主要导水通道实施注浆封堵，其实施方法科学可靠、工程量低，能够适应不同开采条件下钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的水害防治方法的确定，可为矿区煤炭开采水资源保护与水害防治等提供保障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。