一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法

本发明涉及矿井水害防治，尤其涉及一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法。

背景技术：

1、矿井水害是煤矿生产最常见且最棘手的灾害之一，对当导水裂隙发育至顶板含水层，水下泄至工作面，引发顶板突水；当含水层周边岩层不均匀沉降形成离层时，在含水层底部或其内部形成离层积水，可能引发极具破坏性的离层水害。顶板水害的治理对矿山安全生产、矿工生命安全有重大的实际意义。有效控制水源是治理顶板水害重要方法。目前顶板水害的主要治理思路以井下疏放为主，针对顶板离层水的治理思路为钻孔至离层积水的地层层位，破坏离层空间的可积水性，疏放离层空间积水从而达到防治顶板水害的目的。

2、位于鄂尔多斯盆地陕西永陇矿区为典型的侏罗-白垩纪覆岩条件，侏罗系(特)厚煤层综放开采产生的导水裂隙发育至白垩系含水层，导致顶板突水。部分工作面采动期间在侏罗-白垩系交界处产生高位离层积水，导致工作面受离层突水的威胁。当含水层/积水离层赋存层位距煤层过高，井下仰孔施工困难，且侏罗系安定组中含泥质岩部分，遇水极易软化崩解，导致孔身结构不稳定易遭破坏，经常全面塌孔甚至埋钻，井下疏放水效果不理想。而地面直通式导流孔在疏放离层水的过程中，离层会因为采动的影响发生变形致使导流孔发生变形破坏、堵塞，透孔的施工也较为困难，疏水的效率不高，所以亟需一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法来改变这一现状。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法。其优点在于通过对含水层抽排来治理煤矿高位顶板水害，提高经济效益。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，包括以下步骤：

4、步骤一：钻孔结构设计

5、鄂尔多斯盆地侏罗系煤炭覆岩由上到下依次为第四系q，第三系n，白垩系k和侏罗系j；考虑到疏放水之后的抽排施工，钻孔确定为直孔，从上至下共计四段；

6、第一段：通过设置套管防止松散层段坍塌堵塞钻孔，首先从地面施工，第一段孔径φ220-240mm，套管直径φ200-220mm，灌注水泥浆隔离，计算套管长度l1；第二段：施工孔径φ150-190mm，下套直径φ130-170mm的花管，计算该段钻孔长度l2；第三段：钻孔孔径φ100-110mm，下套直径φ80-90mm的花管，计算该段钻孔长度l3；第四段：钻孔孔径φ70-90mm，钻孔至冒落带顶部，全段裸孔；

7、步骤二：钻孔布置

8、采动作用下隔水层到达塑性极限后，岩层快速变形下沉并发育裂隙，导致工作面大周期来压，此时积水离层快速发育，容易发育导水裂隙，引发离层突水，因此将相邻钻孔间距设定为隔水层到达塑性极限的距离；钻孔位置应设置在隔水层到达塑性极限之前，同时避开采空区中心压实区，位于突水离层带层位采动裂隙“o型圈”范围内，尽可能保证在突水前对高位离层积水区进行有效疏放；

9、接着，根据弹塑性矩形截面梁本构关系，计算出矩形截面梁发生弹塑性弯曲时的截面弯矩，得到梁全部进入塑性状态时的荷载，即塑性极限荷载，隔水层全部进入塑性状态时揭露长度，根据覆岩垂向几何关系，从切眼到停采线，计算出第1个钻孔距切眼位置；

10、距切眼相同距离下，倾向钻孔数量遵循“只多不少”的原则，单数不少于1个，倾向钻孔位置布置原则如下：1、尽可能布置在含水层渗透系数相对较大处；2、尽可能布置在含水层相对较大处；3、尽可能布置在含水层底板标高最低处；4、尽可能布置在工作面倾向中心位置处；以上原则优先级：1>2>3>4。

11、本发明进一步设置为，所述l1计算公式为l1＝hq+nhn，式中，hq为第四系厚度；hn为新近系厚度；n为小于1的系数，取0.2-0.5。

12、本发明进一步设置为，所述l2计算公式为l2＝(1-n)hn+hk-rm+hkc，式中，hk为目标含水层厚度；hkc为目标含水层底板距煤层顶板距离；r为矿井实测裂采比；m为待采工作面煤层采放高度。

13、本发明进一步设置为，所述l3计算公式为l3＝rm-hkc+[m-(kp-1)d]，式中，kp为裂隙岩层平均碎胀系数，取1.07-1.1；d为隔水层底板距煤层顶板距离。

14、5、根据权利要求1所述的一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，首先将位于含水层下部的隔水层视为塑性矩形截面梁，则根据塑性矩形截面梁本构关系式为

15、

16、式中，σ(z)为岩层的轴向应力；σp为含水层的塑性极限；ξ为纵坐标，以几何中心为零点，向下纵坐标正方向，向右横坐标正方向；h岩层厚度；ξs(x)为塑性区的边缘到对称轴的距离，是横坐标x的函数。

17、本发明进一步设置为，所述截面弯矩计算公式为其中

18、式中，me为截面弯矩，b为截面宽度，e为弹性模量，其余符号同前。

19、因此矩形截面梁发生弹塑性弯曲时，即ζ＝h/2，则截面弯矩可写为：

20、

21、将岩层概化为受均布荷载的简支梁，简支梁弯矩为：

22、

23、式中，q为岩层受到的均布荷载，l为岩层的揭露长度；x为横坐标。

24、联合上述公式可得出：

25、

26、本发明进一步设置为，令x＝0或l，ξ＝0，即可得到塑性极限荷载计算公式：隔水层全部进入塑性状态时揭露长度计算公式为：式中，下标g表示隔水层，h表示含水层；b为隔水层倾向揭露宽度，b＝b0-2hcosβ，b0为工作面宽度；h为隔水层底板距煤层顶板的垂直距离，β为岩层破断角，一般取70°-85°；σp为岩石塑性强度，可取岩石单轴矿压强度的70％；h岩层(梁)厚度；γ为岩层重度；λ为下覆岩层对隔水层的支撑系数；pw为施加到隔水层的水压。

27、本发明进一步设置为，所述第1个钻孔距切眼位置计算公式为

28、x1＝w1-s＝w1-[h-(b+hcotβ)tanα]sinα-(b+hcotβ)secα

29、其中

30、第i+1个钻孔(i＝1,2,3...)距切眼距离：

31、xi+1＝x1+iw

32、其中

33、式中，w1为隔水层到达塑性极限时工作面的推进距离，m；s为钻孔距工作面(煤壁)水平距离，h为含水层底界面(隔水层顶界面)到煤层顶板垂直距离；b为钻孔距“o型圈”外边界距离，一般取5-30m，β为岩层破断角，一般取70°-85°；α为煤层走向倾角。

34、本发明的有益效果为：

35、1.本发明提供的一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，与现有技术相比，该方法考虑离层突水的演化过程，提出了离层导流疏放水和采动含水层抽排水相结合的顶板水害综合治理方法，以此达到在无法对井下离层积水进行有效疏放的情况下，通过对含水层抽排来治理煤矿高位顶板水害，提高经济效益；

36、2.本发明提供的一种针对煤矿顶板水害治理的含水层抽排孔布置方法，与现有技术相比，该方法在弹塑性梁理论的基础上，充分考虑含水层和隔水层的结构演化特征，从离层充分发育、含水层扰动增渗、导水裂隙贯通的角度，提出钻孔布孔方法。