一种煤炭开采突水溃沙防治方法与流程

本发明涉及矿井地质技术领域，并与采矿工程、安全工程技术领域有交叉，特别涉及一种煤炭开采突水溃沙防治方法。

背景技术：

我国浅部煤炭开采多受突水溃沙的影响，造成人员伤亡和数额巨大的经济损失。因此，煤炭开采必须开展突水溃沙防治工作。

对突水的防治煤矿较多，突水溃沙灾害较为隐蔽，发生机理复杂，常常被忽略，具体有以下几点问题：

1)煤炭开采突水溃沙多为被动防治，即灾害发生后进行防治，造成了一定的损失；

2)煤炭开采突水溃沙也有主动防治，但没有具体分析条件的差异性，采用同样的方法，治理费用巨大；

3)突水溃沙多有突发性，缺少监控措施，安全性差；

4)突水溃沙防治多采用注浆，但注入浆液较为传统，效果差。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种煤炭开采突水溃沙防治方法，基于系统化差异化的分区治理原理和方式，具有简单易实施、有针对性、安全性好的优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种煤炭开采突水溃沙防治方法，包括以下步骤：

步骤一：煤炭开采前获取各种地质参数，由钻孔的柱状图获取煤层厚度m1，煤层上面覆盖的岩石厚度m2，岩石上面覆盖的黏性土厚度m3，黏性土上面覆盖的沙层厚度m4，沙层通过抽水实验获取渗透系数k，沙层取样测试得到饱和重度γsat；

步骤二：煤炭开采前预测煤炭开采导水裂隙带高度h，h按照以下公式计算：

h＝100m1÷(1.6m1+3.6)+5.6；

步骤三：煤炭开采前对突水溃沙条件进行分类：分为3类，第1类为(m2+m3)-h≥40米；第2类为(m2+m3)-h<40米，且m4≤3米；第3类为(m2+m3)-h<40米，且m4>3米；

步骤四：煤炭开采前对沙层进行预处理：第1类条件不进行处理；第2类条件，在地面实施钻孔，钻孔达到沙层底板停止，钻孔孔径20～91毫米，相邻钻孔间距小于5米，通过钻孔注入的浆液含有玄武岩纤维、粉煤灰和水泥，其中玄武岩纤维和粉煤灰质量比为1:2～3，两者占总质量的10％～20％，水泥中的水灰比为1:1～2；第3类条件，在第3类条件的沙层地下水的上游实施导水钻孔，钻孔达到沙层底板停止，钻孔孔径108～230毫米，导水钻孔中充填砾石；另外，在第3类条件地表汇水的上游设置导水沟，导水沟将地表水引开第3类条件区域。

步骤五：煤炭开采过程中对沙层地下水和潜在的突水溃沙通道进行监控：3种类型条件，均开展潜在突水溃沙通道监控；对潜在的突水溃沙通道的监控采用现有的微震监测系统，微震监测的目标层位是煤层到沙层之间的岩石和黏性土，微震监测的范围是煤炭开采方向超前100～300米；当监测范围内微震次数大于30次时，应停止开采煤炭，对微震事件发生点组成的区域实施3～5个钻孔，钻孔从井下实施，通过实施的钻孔进行注浆，注入浆液为水泥，注浆结束压力大于2.5mpa，注浆后继续开采煤炭；

对第3类条件下的沙层地下水进行监控，监控采用钻孔流速流向仪，监测范围为煤炭开采方向超前50～100米，通过仪器测定的地下水流速为v，依据渗透系数k可以得到实际水力坡度i＝v÷k；当i≥ic×kc时，其中kc为安全系数，取0.8～0.9，ic为临界水力坡度，ic＝γsat÷γw-1，其中γw为水的比重，煤炭开采速度提高；当i<ic×kc时，保持正常的开采速度；当i≥ic时，停止开采煤炭，并通过沙层地下水上游实施的导水钻孔进行抽水，直至i<ic×kc开始继续开采煤炭；

另外，在第2类和第3类条件区域采用均压通风，使漏风量降至最小；

步骤六：煤炭开采后突水溃沙滞后发生的防治：煤炭开采完成后，在采煤工作面开切眼和停采线处进行注浆，注入浆液为常规水泥浆；另外，在采煤工作面开切眼和停采线沿采煤工作面走向方向前后50～100米范围内对沙层注入微生物浆液，浆液包括巴氏芽孢杆菌液和营养液，营养液为尿素和cacl2溶液，营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为2～3:1，尿素和cacl2溶液质量比为1:1～2；注浆结束标准为注浆后实测水力坡度i<ic×kc；

步骤七：煤炭资源完成了开采，没有发生突水溃沙事故。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)简单易实施；2)对突水溃沙的条件进行分类，防治有针对性；3)对煤炭开采过程中突水溃沙有监控，降低了灾害的突发性；4)注浆采用材料有阻止水沙突涌的成分，安全性好。

附图说明：

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做详细叙述。

某矿要开采2号煤层，2203采煤工作面的2号煤层上覆有岩石、黏性土和沙层，开采2号煤层的时候由于岩石厚度有限，容易发生突水溃沙事故，为了防止突水溃沙事故的发生，参照图1，采取以下步骤进行采煤突水溃沙事故防治：

步骤一：煤炭开采前获取各地质参数。由钻孔的柱状图获取煤层厚度m1为3米，煤层上面覆盖的岩石厚度m2为18米，岩石上面覆盖的黏性土厚度m3为60～80米，黏性土上面覆盖的沙层厚度m4为2～20米。沙层通过抽水实验获取渗透系数k为0.72m/d。沙层取样测试得到饱和重度γsat为20.2kn/m³。

步骤二：煤炭开采前预测煤炭开采导水裂隙带高度h。h按照以下公式计算:

h＝100m1÷(1.6m1+3.6)+5.6＝41.31米。

步骤三：煤炭开采前对突水溃沙条件进行分类。分为3类，第1类为(m2+m3)-h≥40米；第2类为(m2+m3)-h<40米，且m4≤3米；第3类为(m2+m3)-h<40米，且m4>3米。2203工作面沿着采煤工作面沿着走向，有345米的第1类条件区域，303米的第2类条件区域，287米的第3类条件区域。

步骤四：煤炭开采前对沙层进行预处理。第1类条件不进行处理；第2类条件，在地面实施钻孔，钻孔达到沙层底板停止，钻孔孔径20～91毫米，相邻钻孔间距小于5米，通过钻孔注入的浆液含有玄武岩纤维、粉煤灰和水泥，其中玄武岩纤维和粉煤灰质量比为1:2～1:3，两者的占总质量的10％～20％，水泥中个水灰比为1:1～1:2。第3类条件，在第3类条件的沙层地下水的上游实施导水钻孔，钻孔达到沙层底板停止，钻孔孔径108～230毫米，导水钻孔中充填砾石。另外，在第3类条件地表汇水的上游设置导水沟，导水沟将地表水引开第3类条件区域。

步骤五：煤炭开采过程中对沙层地下水和潜在的突水溃沙通道进行监控。3种类型条件，均开展潜在突水溃沙通道监控。对潜在的突水溃沙通道的监控采用微震监测系统。微震监测的目标层位是煤层到沙层之间的岩石和黏性土。微震监测的范围是煤炭开采方向超前100～300米。有2次监测范围内微震次数大于30次时，停止煤炭开采，对微震事件发生点组成的区域实施3～5个钻孔，钻孔从井下实施，通过实施的钻孔进行注浆，注入浆液为水泥，注浆结束压力大于2.5mpa，注浆后继续开展煤炭。对第3类条件下的沙层地下水进行监控，监控采用钻孔流速流向仪，监测范围为煤炭开采方向超前50～100米，通过仪器测定的地下水流速为v，依据k可以得到水力坡度i＝v÷k。ic＝1.06，kc取0.8，287米的3类条件区域有208米区域i<ic×kc，正常煤炭开采；有59米区域ic>i≥ic×kc，在提高煤炭开采速度10％～30％后，快速推过这些区域；有20米区域i≥ic，停止煤炭开采，并通过沙层地下水上游实施的导水钻孔进行抽水，直至i<ic×kc开始继续回采煤炭。另外，在第2类和第3类条件区域采用均压通风，使漏风量降至最小。

步骤六：煤炭开采后突水溃沙滞后发生的防治。煤炭开采完成后，在采煤工作面开切眼和停采线处进行注浆，注入浆液为常规水泥浆。另外，在采煤工作面开切眼和停采线沿采煤工作面走向方向前后50～100米范围内对沙层注入微生物浆液，浆液包括巴氏芽孢杆菌液和营养液，营养液为尿素和cacl2溶液，营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为2:1～3:1，尿素和cacl2溶液质量比为1:1～1:2。

步骤七：煤炭资源完成了开采，没有发生突水溃沙事故。

运行原理：

煤炭开采造成突水溃沙要满足3个条件，一个方面要有沙层，第二个方面要有水动力，第三个方面要有突水溃沙的通道。因此，在考虑沙层和突水溃沙的通道(采煤形成的导水裂隙带)的情况下，对采煤突水溃沙条件进行了3个分类。第1个类型，由于突水溃沙的通道发育有限，但由于现有勘探技术限制，可能存在潜在的突水溃沙通道(比如隐伏断层)，因此在采煤的过程中对超前的应力集中区域(100～300米为非矿山压力区域，若存在大量微震事件，说明有潜在通道的存在，通过注浆处理可以消除相关隐患)。第2个类型，有一定的突水溃沙的通道，但是沙层厚度小于等于3米，沙层厚度较小，预处理时候可以十分容易打孔注浆，且不需要下套管，因为沙层3米有一定的自稳定性。第2个类型条件下预处理可以注浆加固，放入玄武岩纤维可以提高抗冲刷能力，粉煤灰可以提高后期水泥的强度，因此这样可以有效的抵抗水动力。第3个类型，又存在突水溃沙通道，也存在沙层，且沙层厚度较大，此时通过加固沙层有一定的难度，因此主要通过控制水动力来防治突水溃沙。在预处理阶段，可以通过地下水和地表水的控制来减少突水溃沙的可能性。在开采的监测阶段，由于50～100米为采煤影响的区域，且由矿山压力理论，这一阶段为拉伸区域，通道十分发育，需要对水动力条件进行严格监控。当水动力在临近阶段时，通过快速开采把该区域甩到压实区，有效控制突水溃沙，当通道和水动力条件都达到临界条件时，只能停止开采，并采取降低水动力方法来控制突水溃沙。在煤层开采后，已经没有监控条件了，此时只有开切眼和停采线附近有突水溃沙的潜在通道，因此需要进行注浆处理，但常规的水泥浆凝结速度较快，但采空区还存在一个不稳定阶段，水泥凝结后很容易二次破断，因此采用微生物注浆，微生物加固可控，在不稳定阶段可以实时修复，达到预防突水溃沙的目的。