專利名稱：一種隔水殼再造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦山安全領(lǐng)域的隔水殼再造方法。
背景技術(shù)：
對于大水巖溶礦體開采，采取有效的地下水防治方案顯得尤其重要。傳統(tǒng)的疏干排水為主的防治水方案，由于在開采過程中，疏干了大量的地下水，使得礦區(qū)地下水位下降，形成大范圍的降落漏斗，容易造成地表塌陷，形成一系列的地質(zhì)災(zāi)害，不僅增加礦山排水負(fù)擔(dān)，致使礦床無法高效連續(xù)開采，而且容易引發(fā)工農(nóng)矛盾。如仍采取預(yù)留護(hù)頂?shù)V，以IOmXlOm網(wǎng)度向含水頂板施工水平法向注漿孔的防治水方案，則不僅浪費(fèi)大量礦產(chǎn)資源(采出的礦量僅占剩余礦量的三分之一左右)，而且存在突水淹井的威脅。若只在頂板含水層中進(jìn)行隔水關(guān)鍵層注衆(zhòng)加固，忽略側(cè)向巖體或者底板巖體的巖溶突水情況，礦山生產(chǎn)安全仍然無法得到保障。因此，如何進(jìn)行安全、高效開采而又不引發(fā)地表塌陷、地下水位下降等地質(zhì)災(zāi)害，是大水巖溶礦體開采需要面臨的一個大問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種既能安全、高效開采而又不引發(fā)地表塌陷、地下水位下降地質(zhì)災(zāi)害的隔水殼再造方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的隔水殼再造方法，依據(jù)已有地質(zhì)資料和實(shí)地地質(zhì)勘測結(jié)果，確定各開采中段礦體周圍的含水巖層分布情況，在含水層中進(jìn)行隔水殼再造，在礦體周圍形成一個連續(xù)的防水的堅固外殼，保證礦體安全開采，結(jié)合含水層中巖石力學(xué)特性，依據(jù)力學(xué)原理計算隔水殼所需的厚度，這個厚度包括無效厚度和有效厚度兩部分，利用數(shù)字模擬軟件模擬礦體在礦石開采活動下，隔水殼的應(yīng)力大小、塑性區(qū)分布、沉降大小和孔隙水壓力大小，以判斷其是否會發(fā)生破壞和突水事故；工程施工中在礦體周圍含水層中打探測孔，使用精確的探測儀器確定頂板含水層的節(jié)理裂隙的分布，在中段勘探線附近的含水層中施工一條聯(lián)絡(luò)巷道，在聯(lián)絡(luò)巷道靠近裂隙處施工與礦體走向平行的鉆注硐室，在聯(lián)絡(luò)巷道和鉆注硐室中布置注漿孔，進(jìn)行加密注漿和孔間CT透視，確保施工的質(zhì)量和堵水效果。所述的隔水殼為人工再造體，其位置是依據(jù)礦體周圍的含水層分布而確定，在頂板圍巖、底板圍巖或者側(cè)幫圍巖。所述的隔水殼再造是使用TRT6000、地質(zhì)雷達(dá)先探測出含水層節(jié)理裂隙分布情況，對含水層中的節(jié)理裂隙經(jīng)行注漿堵水，把礦體周圍巖石連成一個完整的隔水殼體。在布置探測孔時，鉆孔方向大致平行礦體走向，鉆孔均為傾角5度近水平鉆孔，相鄰兩孔大致平行，鉆孔開孔口徑150_，鉆進(jìn)4m后，采用注漿辦法埋設(shè)孔口管，安裝好高壓閥門放突水應(yīng)急措施，變徑91_繼續(xù)鉆進(jìn)，遇涌水點(diǎn)及破碎帶均用注漿辦法通過，要求達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，直到終孔。依據(jù)礦體賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Fl a c3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼是否會發(fā)生破壞和突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行隔水殼厚度調(diào)整。所述的注漿孔的漿液擴(kuò)散半徑取值為5米，注漿孔孔底間距不超過10米，孔深為巷道或鉆注硐室與含水層裂隙之間的距離。在注漿孔的布孔方式上有四種可供選擇從狀孔、下行縱向孔、上行縱向孔和近水平法向孔。四種布孔方式各具特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的目的。具體實(shí)施步驟如下(I)、收集地質(zhì)資料和進(jìn)行工程區(qū)域的地質(zhì)勘測，確定各開采中段周圍巖體中含水層分布狀況，隔水殼將布置在這些含水層中；(2)、依據(jù)礦體與含水層的相對位置和采礦設(shè)計參數(shù)建立力學(xué)模型，結(jié)合邊界條件、Mo hr-Ca Iomb破壞準(zhǔn)則和裂隙巖體位移計算公式計算隔水殼的無效厚度；采用彈性力學(xué)薄板理論，依據(jù)H-Tresca屈服準(zhǔn)則計算隔水殼的有效厚度，將無效厚度與有效厚度相加即可獲得隔水殼的厚度；(3)、依據(jù)礦體賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼是否會發(fā)生破壞和頂板突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行頂板厚度調(diào)整；(4)、在礦體周圍含水層中打探測孔，使用TRT6000和地質(zhì)雷達(dá)探測儀器，確定含水層中的溶洞、裂隙分布情況，依據(jù)含水層中的溶洞、裂隙分布確定聯(lián)絡(luò)巷道和注漿硐室的布置方案;(5)、在中段勘探線含水層中施工一條聯(lián)絡(luò)巷道，在聯(lián)絡(luò)巷道靠近溶洞或裂隙的位置施工鉆注硐室，硐室方向基本平行礦體走向；(6)、依據(jù)工程實(shí)際情況，選擇合適布孔方式，在聯(lián)絡(luò)巷道和注漿硐室中布置注漿孔并進(jìn)行加密注漿；(7)、在相鄰探測孔，利用孔底錨頭分別安裝CT透視的發(fā)射極和接收極對兩孔間的巖溶裂隙進(jìn)行探測最終通過八個測試剖面，來監(jiān)測工程施工質(zhì)量和注漿堵水效果。采用上述技術(shù)方案的隔水殼再造方法，在礦體周圍的含水層中進(jìn)行隔水殼再造，堵住含水層中的溶洞和裂隙，使礦體周圍的巖體形成一個連續(xù)的隔水殼體和穩(wěn)固的采礦圍巖環(huán)境，可以大大減少地下水滲入開采空間中，從而減少了礦床開采的地下水疏干量，防止地下水水位的降低和降落漏斗的形成，避免了地表塌陷，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。同時由于在含水層形成堅固的隔水殼，避免了預(yù)留保護(hù)礦體所造成的資源浪費(fèi)，大大提高了礦石的回收率。使得地下礦床的開采安全、高效。本發(fā)明在隔水殼厚度的確定，不單純采用力學(xué)分析計算獲得，還要結(jié)合具體的采礦方案，利用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行模擬計算，獲得在各采礦步驟下隔水殼應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布、沉降及孔隙水壓力，進(jìn)而對隔水殼厚度進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。在施工過程要求打探測孔，進(jìn)行孔間CT透視，以便對孔間裂隙和注漿堵水效果進(jìn)行檢測。充分保證了隔水殼質(zhì)量的安全可靠。綜上所述，本發(fā)明是一種既能安全、高效開采而又不引發(fā)地表塌陷、地下水位下降地質(zhì)災(zāi)害的隔水殼再造方法。
圖1是隔水殼在地下空間中分布圖。圖2是隔水殼結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是無效厚度應(yīng)力計算模型。圖4是隔水殼有效厚度計算力學(xué)模型。圖5是本發(fā)明隔水殼工程示意圖。圖6是圖6中沿A-A面剖視圖。圖7是圖6中沿B-B面剖視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的隔水殼再造具體用例，以頂板巖體為含水層的情況為例參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7，圖中1為礦體；2為含水層；3為隔水層巖石或弱滲透性巖石；4為隔水殼；5為含水層中的溶洞或者裂隙；6為聯(lián)絡(luò)巷道；7為鉆注硐室；8為注漿孔；本發(fā)明提供的隔水殼再造方法是收集地質(zhì)資料并進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)勘測，確定礦床周圍含水層分布情況和圍巖各種應(yīng)力和水文參數(shù)；隔水殼包括無效厚度h2和有效厚度h，依據(jù)采礦設(shè)計參數(shù)建立力學(xué)模型，結(jié)合邊界條件、Mohr-Calomb破壞準(zhǔn)則和裂隙巖體位移計算公式計算隔水殼的無效厚度h2。采用彈性力學(xué)薄板理論，依據(jù)H-Tresca屈服準(zhǔn)則計算隔水殼的有效厚度4。隔水殼的厚度為根據(jù)礦山開采的具體方案和采空區(qū)處理方案，利用Flac3d軟件進(jìn)行建模計算，求的在礦石采掘擾動、圍巖應(yīng)力和孔隙水壓力的情況下隔水殼最大主應(yīng)力分布、沉降分布和塑性區(qū)分布圖?？词欠駮l(fā)生頂板破壞，甚至是突水事故。在礦體上覆的含水層中打探測孔，使用先進(jìn)的探測儀器確定含水層中的節(jié)理裂隙分布情況，依據(jù)節(jié)理裂隙分布來設(shè)計聯(lián)絡(luò)巷道6和注漿硐室7。在中段勘探線上朝頂板施工一條聯(lián)絡(luò)巷道6，在聯(lián)絡(luò)巷道6靠近溶洞、裂隙的位置施工鉆注硐室7，注漿硐室7方向基本平行礦體I走向。依據(jù)實(shí)際情況選擇合理的布孔方式，在聯(lián)絡(luò)巷道6和注漿硐室7中打注漿孔8并進(jìn)行加密注漿，注漿孔8孔底間距為10米，孔深為注漿硐室7或聯(lián)絡(luò)巷道6到裂隙之間的距離。利用孔底錨頭分別安裝CT透視的發(fā)射極和接收極對兩孔間的巖溶裂隙進(jìn)行探測最終通過八個測試剖面，確定裂隙注漿堵水效果。本方法的具體實(shí)施步驟如下1.收集地質(zhì)資料和進(jìn)行工程區(qū)域的地質(zhì)勘測，確定各開采中段周圍巖體中含水層2分布狀況。隔水殼4將布置在這些含水層2中。2.依據(jù)礦體I與含水層2的相對位置和采礦設(shè)計參數(shù)建立力學(xué)模型，結(jié)合邊界條件、Mohr-Calomb破壞準(zhǔn)則和裂隙巖體位移計算公式計算隔水殼4的無效厚度。采用彈性力學(xué)薄板理論，依據(jù)H-Tresca屈服準(zhǔn)則計算隔水殼4的有效厚度。將無效厚度與有效厚度相加即可獲得隔水殼4的厚度。3.依據(jù)礦體I賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼4是否會發(fā)生破壞和頂板突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行頂板厚度調(diào)整。4.在礦體I周圍含水層2中打探測孔，使用TRT6000和地質(zhì)雷達(dá)等探測儀器，確定含水層2中的溶洞、裂隙等分布情況，依據(jù)含水層2中的溶洞、裂隙分布確定聯(lián)絡(luò)巷道6和注漿硐室7的布置方案。5.在中段勘探線含水層2中施工一條聯(lián)絡(luò)巷道6，在聯(lián)絡(luò)巷道6靠近溶洞或裂隙的位置施工鉆注硐室7，注漿硐室7方向基本平行礦體I走向。6.依據(jù)工程實(shí)際情況，選擇合適布孔方式，在聯(lián)絡(luò)巷道6和注漿硐室7中布置注漿孔8并進(jìn)行加密注漿。7.在相鄰探測孔，利用孔底錨頭分別安裝CT透視的發(fā)射極和接收極對兩孔間的巖溶裂隙進(jìn)行探測最終通過八個測試剖面，來監(jiān)測工程施工質(zhì)量和注漿堵水效果。隔水殼4為人工再造體，既是隔水體又是采場周圍的巖石的一種加固，其位置是依據(jù)礦體周圍的含水層分布而確定，有可能在頂板圍巖，底板圍巖或者側(cè)幫圍巖，其厚度包括無效厚度和有效厚度兩部分。隔水殼4再造并非對整個含水層進(jìn)行帷幕注漿，而是使用TRT6000、地質(zhì)雷達(dá)等先探測出含水層節(jié)理裂隙分布情況，對含水層中的節(jié)理裂隙經(jīng)行注漿堵水，把礦體周圍巖石連成一個完整的隔水殼體。在布置探測孔時，鉆孔方向要大致平行礦體走向，鉆孔均為傾角5度近水平鉆孔，相鄰兩孔大致平行，鉆孔開孔口徑150_，鉆進(jìn)4m后，采用注漿辦法埋設(shè)孔口管，安裝好高壓閥門等放突水應(yīng)急措施，變徑91_繼續(xù)鉆進(jìn)，遇涌水點(diǎn)及破碎帶均用注漿辦法通過(要求達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn))，直到終孔。依據(jù)礦體賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼是否會發(fā)生破壞和突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行隔水殼厚度調(diào)整。注漿孔8的漿液擴(kuò)散半徑取值為5米，注漿孔孔底間距不超過10米，孔深為巷道或鉆注硐室與含水層裂隙之間的距離。在注漿孔8的布孔方式上有四種可供選擇從狀孔、下行縱向孔、上行縱向孔和近水平法向孔。四種布孔方式各具特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的目的。以上面類似的方法處理底板巖體和側(cè)幫巖體為含水層的情況，這樣在礦體周圍形成一個穩(wěn)定連續(xù)的隔水殼，保證了礦床開采的安全高效進(jìn)行。經(jīng)過與實(shí)際工程實(shí)施，發(fā)現(xiàn)工程堵水效果好，隔水殼穩(wěn)固，是的礦床開采安全高效進(jìn)行。但是，在本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，只要具備基本知識，就可以對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行改進(jìn)。在本發(fā)明中對實(shí)質(zhì)性技術(shù)方案提出了專利保護(hù)，其申請保護(hù)范圍應(yīng)包括具有上述技術(shù)特征的一切變化方式。上例所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改，等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種隔水殼再造方法，其特征是依據(jù)已有地質(zhì)資料和實(shí)地地質(zhì)勘測結(jié)果，確定各開采中段礦體周圍的含水巖層分布情況，在含水層中進(jìn)行隔水殼再造，在礦體周圍形成一個連續(xù)的防水的堅固外殼，保證礦體安全開采，結(jié)合含水層中巖石力學(xué)特性，依據(jù)力學(xué)原理計算隔水殼所需的厚度，這個厚度包括無效厚度和有效厚度兩部分，利用數(shù)字模擬軟件模擬礦體在礦石開采活動下，隔水殼的應(yīng)力大小、塑性區(qū)分布、沉降大小和孔隙水壓力大小，以判斷其是否會發(fā)生破壞和突水事故；工程施工中在礦體周圍含水層中打探測孔，使用精確的探測儀器確定頂板含水層的節(jié)理裂隙的分布，在中段勘探線附近的含水層中施工一條聯(lián)絡(luò)巷道，在聯(lián)絡(luò)巷道靠近裂隙處施工與礦體走向平行的鉆注硐室，在聯(lián)絡(luò)巷道和鉆注硐室中布置注漿孔，進(jìn)行加密注漿和孔間CT透視，確保施工的質(zhì)量和堵水效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔水殼再造方法，其特征在于所述的隔水殼為人工再造體，其位置是依據(jù)礦體周圍的含水層分布而確定，在頂板圍巖、底板圍巖或者側(cè)幫圍巖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于所述的隔水殼再造是使用TRT6000、地質(zhì)雷達(dá)先探測出含水層節(jié)理裂隙分布情況，對含水層中的節(jié)理裂隙經(jīng)行注漿堵水，把礦體周圍巖石連成一個完整的隔水殼體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于在布置探測孔時，鉆孔方向大致平行礦體走向，鉆孔均為傾角5度近水平鉆孔，相鄰兩孔大致平行，鉆孔開孔口徑150mm,鉆進(jìn)4m后，采用注漿辦法埋設(shè)孔口管，安裝好高壓閥門放突水應(yīng)急措施，變徑91mm繼續(xù)鉆進(jìn)，遇涌水點(diǎn)及破碎帶均用注漿辦法通過，要求達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，直到終孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于依據(jù)礦體賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼是否會發(fā)生破壞和突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行隔水殼厚度調(diào)
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于所述的注漿孔的漿液擴(kuò)散半徑取值為5米，注漿孔孔底間距不超過10米，孔深為巷道或鉆注硐室與含水層裂隙之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于注漿孔的布孔方式為從狀孔、下行縱向孔、上行縱向孔或近水平法向孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隔水殼再造方法，其特征在于具體實(shí)施步驟如下 (1)、收集地質(zhì)資料和進(jìn)行工程區(qū)域的地質(zhì)勘測，確定各開采中段周圍巖體中含水層分布狀況，隔水殼將布置在這些含水層中； (2)、依據(jù)礦體與含水層的相對位置和采礦設(shè)計參數(shù)建立力學(xué)模型，結(jié)合邊界條件、Mohr-Calomb破壞準(zhǔn)則和裂隙巖體位移計算公式計算隔水殼的無效厚度；采用彈性力學(xué)薄板理論，依據(jù)H-Tresca屈服準(zhǔn)則計算隔水殼的有效厚度，將無效厚度與有效厚度相加即可獲得隔水殼的厚度； (3)、依據(jù)礦體賦存條件和礦床開采設(shè)計，利用Flac3d進(jìn)行數(shù)值模擬，計算各開采步驟下的應(yīng)力、塑性區(qū)分布和沉降情況，依據(jù)結(jié)果來判斷隔水殼是否會發(fā)生破壞和頂板突水事故，進(jìn)而考慮是否進(jìn)行頂板厚度調(diào)整； (4)、在礦體周圍含水層中打探測孔，使用TRT6000和地質(zhì)雷達(dá)探測儀器，確定含水層中的溶洞、裂隙分布情況，依據(jù)含水層中的溶洞、裂隙分布確定聯(lián)絡(luò)巷道和注漿硐室的布置方案； (5)、在中段勘探線含水層中施工一條聯(lián)絡(luò)巷道，在聯(lián)絡(luò)巷道靠近溶洞或裂隙的位置施工鉆注硐室，硐室方向基本平行礦體走向； (6)、依據(jù) 工程實(shí)際情況，選擇合適布孔方式，在聯(lián)絡(luò)巷道和注漿硐室中布置注漿孔并進(jìn)行加密注漿； (7)、在相鄰探測孔，利用孔底錨頭分別安裝CT透視的發(fā)射極和接收極對兩孔間的巖溶裂隙進(jìn)行探測最終通過八個測試剖面，來監(jiān)測工程施工質(zhì)量和注漿堵水效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隔水殼再造方法。確定礦體周圍含水層分布情況，在這些含水層中進(jìn)行隔水殼再造，在礦體周圍形成一個完整連續(xù)的隔水關(guān)鍵層。結(jié)合實(shí)際工程情況和力學(xué)原理計算隔水頂板所需厚度。利用Flac3d模擬在礦體開采條件下，隔水殼應(yīng)力、塑性區(qū)、沉降分布情況，以判斷其是否會發(fā)生破壞。工程實(shí)施中首先在含水層中打探測孔并用地質(zhì)探測儀器確定溶洞、裂隙位置，在中段周圍含水層中施工聯(lián)絡(luò)巷道，在巷道靠近含水層裂隙處施工鉆注硐室。在巷道、硐室中合理布置注漿孔并進(jìn)行加密注漿，最后進(jìn)行孔間CT透視，檢查注漿堵水效果。該方法再造了礦床開采環(huán)境，使得礦床開采安全高效進(jìn)行，且有效降低了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。
文檔編號E21D11/38GK103032083SQ20121056219
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者鄧紅衛(wèi), 周科平, 胡振襄, 雷濤, 朱哲, 賈明, 吳彥林, 肖雄, 高峰, 楊念哥, 胡建華, 李杰林 申請人:中南大學(xué)