一種用于采煤過程中的保水方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于采煤過程中的保水方法，涉及地下采礦方法【技術領域】。包括如下步驟：一、采用立體探測技術對煤礦井下采掘地區的地下水靜態賦存特征、保護層完整情況及天然導水通道發育情況進行立體探測；二、結合探測得到的結果，找到地下水保護層中的薄弱地段及導水通道以及存在地下水泄漏危險的地段，采用井下高壓水射流鉆進技術，通過快速、精確鉆進，快速注漿封堵導水通道和存在地下水泄漏危險的地段、注漿加固地下水保護層或者留設保水煤柱。本發明方法能夠在確保安全、高效采煤的同時，實現對礦區地下水資源的保護。
【專利說明】一種用于采煤過程中的保水方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及地下采礦方法【技術領域】。
【背景技術】
[0002]煤炭，在我國一次能源消費中的比例達到70%，在國民經濟生產中占有很重要的地位。然而，煤炭生產過程中對環境的破壞問題也很突出，采煤造成的地面塌陷、地下水資源破壞等問題，已越來越引起社會各界重視。
[0003]傳統采煤技術，一直把地下水作為一種災害，采取疏水降壓、注漿治理等措施，或者將地下水排出，或者將水局部封閉。前者造成地下水資源的大量浪費，導致區域地下水位持續下降，形成地下水降落漏斗。后者改變了地下水流場特征，常常造成水井水量減少甚至斷流，影響工農業及居民用水。
[0004]據2013年7月河北省國土資源廳發布的《2012年河北省地質環境狀況公報》披露，全省共有地下水位降落漏斗25個，全國地下水降落漏斗超過100個。近三十年來，邯邢地區百泉水文地質單元泉口附近地下水位降幅20-30m。而每一次煤礦重大透水事故，常常伴隨周圍數十公里范圍內區域地下水位的大幅下降。而每一個礦井動輒每小時數百立方米的排水，更是對地下水資源破壞及浪費的具體體現。
[0005]地下水資源保護的迫切性與采煤保水技術的不完善之間的矛盾日益凸顯，采煤保水技術的研究就顯得越來越重要。
[0006]通過專項技術攻關研究，在確保安全、高效采煤的同時，做好對煤礦區地下水資源的保護，減少礦井排水量，將煤炭資源的開發利用同地下水資源的保護有機結合起來，構建礦井水的探、防、治、保、用五位一體的綜合保護、治理體系，最終實現采煤保水、煤與水兩種資源統籌規劃、人與環境和諧共贏的局面，對我國煤炭行業的健康、可持續發展，對和諧社會、生態社會的構建具有重大意義。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種用于采煤過程中的保水方法，該方法能夠在確保安全、高效采煤的同時，實現對礦區地下水資源的保護。
[0008]為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是:一種用于采煤過程中的保水方法，包括如下步驟:
一、采用立體探測技術對煤礦井下采掘地區的地下水靜態賦存特征、地下水保護層完整情況及天然導水通道發育情況進行立體探測；
二、結合探測得到的結果，找到地下水保護層中的薄弱地段及導水通道以及存在地下水泄漏危險的地段，采用高壓水射流鉆進技術，通過快速、精確鉆進，快速注漿封堵導水通道和存在地下水泄漏危險的地段、注漿加固地下水保護層或者留設保水煤柱。
[0009]優選的，上述第一步和第二步之間還采用微震監測技術對采煤工作面及周圍地區含水層以及地下水保護層采煤期間巖層破裂情況進行全程動態監測，通過對采煤工作面附近巖層的微震事件時、空分布情況進行監測、分析，收集地下水發生流動、地下水保護層變化、天然導水通道穩定性、人為導水通道發育情況以及存在地下水泄漏危險的地段的信息。
[0010]進一步優選的，微震監測技術的【具體實施方式】為:檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右幫布置成環狀，各個檢波器通過數據線連接在同一監測器上，形成一個監測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個監測單元，多個監測單元形成一個完整的工作面監測網絡。
[0011]優選的，上述第一步中，立體探測技術為巷道多方位超前探測方法、巷道超前探測數據的多參數空間成圖法和工作面煤層采前立體探測方法結合使用的探測技術。
[0012]采用上述技術方案所產生的有益效果在于:
(1)本發明采用立體探測技術為主要手段的綜合勘探技術，查明煤礦井下生產地區及周圍地下水靜態賦存特征，了解地下水(含水層、老空水等各類水體)賦存位置、范圍及地下水保護層薄弱地段、導水通道發育情況等，為地下水保護工作做好第一步；
(2)采用微震監測技術，監測工作面回采期間圍巖地下水保護層巖層破裂及導水通道變化情況，配合地下水水壓、水量、水溫、水質、同位素等多種特征參數監測，查明采掘地區地下水動態變化特征，了解天然導水通道穩定性情況和因采掘活動形成的人為導水通道發育情況，對是否發生地下水泄漏和破壞及其空間位置進行監測、預警；微震監測技術【具體實施方式】的設計使得一個監測單元，其監測、控制范圍可以覆蓋半徑為300-500米的球體空間；
(3)采取高壓水射流鉆進技術和注漿技術，對已探明的地下水保護層局部薄弱地段和導水通道及存在地下水泄漏危險地段，進行注漿加固、封堵，或采取留設保水煤柱的方法，將地下水泄漏危險消滅在萌芽狀態,最大限度地減少采煤對地下水的破壞,大大提高采煤作業的安全性，提高了工作效率，具有良好的現實意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明；
圖1是本發明實施例4中9315工作面采前立體探測及注漿加固示意圖；
圖2是本發明實施例3中2120工作面風道巷道多方位超前探測工程布置圖；
圖3A、圖3B是圖2的探測解釋曲線圖；
圖4是本發明中提到的巷道多方位超前探測示意圖；
圖5是本發明中提到的工作面煤層采前立體探測示意圖；
圖中，1、2120工作面風道；2、停頭位置；3、低阻異常帶；4、設計切眼位置；5、2298工作面聞水位區；6、掘進巷道迎頭；7、探測方向；8、控制范圍；9、含水層；10、下巷；11、老空區；12、采動破壞范圍；13、上巷；14、導水陷落柱；15、立體探測。
【具體實施方式】
[0014]實施例1
一種用于采煤過程中的保水方法，包括如下步驟:
一、采用巷道多方位超前探測方法(專利號為ZL 201110095155.4)、巷道超前探測數據的多參數空間成圖法(專利號為ZL201110389923.7)和工作面煤層采前立體探測方法(專利號為ZL201210112477.X)組成立體探測方法(圖4、5)，查明煤礦井下采掘地區原始狀態下的地下水靜態賦存特征,查明掘進巷道迎頭前方、側前方、頂板、底板及工作面頂板、底板、外圍等多個方位地下水分布情況、地下水保護層完整情況、天然導水通道發育情況等。
[0015]對礦區地下水靜態賦存特征進行全方位、無損探查，查明地下含水層空間富水位置、范圍以及斷層、陷落柱等天然導水通道發育情況，盡量不使用鉆探等對含水層構成損傷和破壞的勘探手段，是做好地下水保護工作的第一步。
[0016]二、根據前述對地下水靜態賦存特征、地下水保護層完整情況、天然導水通道的探測和監測結果，找到地下水保護層局部薄弱地段和導水通道及存在地下水泄漏危險的地段，采取對地下水保護層局部薄弱地段注漿加固、對導水通道及存在地下水泄漏危險的地段進行注漿封堵等措施。本發明采用高壓水射流鉆進技術，對工作面周圍存在的天然導水通道、人為導水通道及存在地下水泄漏危險的地段進行注漿封堵，對地下水保護層局部薄弱地段進行注漿加固，最大限度地補強地下水保護層，使其成為有足夠強度的完整地下水保護層，快速和精確鉆進、快速注漿、快速治理，在第一時間將地下水泄漏消滅在萌芽狀態，達到保護地下水的目的。
[0017]傳統機械鉆機，施工一個IOOm深的鉆孔需要2-3天，采用高壓水射流鉆進技術僅僅需要1-2個小時，而且鉆孔定位準確，終孔位置偏差一般在2-3米之內。對于天然導水通道及人工導水通道的封堵，要突出一個快字。快速發現、快速封堵，通過高壓純水泥漿灌注，在第一時間封堵導水通道，將地下水泄漏危險消滅在萌芽狀態。
[0018]考慮到回采前、后工作面周圍地應力場的變化，巖層發生變形破壞在所難免，在地下水保護層局部薄弱地段注漿加固工作中，通過在水泥漿液中加入粘土、粉煤灰等材料，在提高地下水保護層抗壓強度的同時，有針對性地增加注漿材料的柔性，提高保護層抗塑性變形能力，對有效保護地下水十分有益。
[0019]或者留設保水煤柱。
[0020]注漿和留設保水煤柱的選擇，可根據實際的成本、風險程度等情況進行選擇。
[0021]實施例2
一、采用巷道多方位超前探測方法(專利號為ZL 201110095155.4)、巷道超前探測數據的多參數空間成圖法(專利號為ZL201110389923.7)和工作面煤層采前立體探測方法(專利號為ZL201210112477.X)組成立體探測方法(圖4、5)，查明煤礦井下采掘地區原始狀態下的地下水靜態賦存特征,查明掘進巷道迎頭前方、側前方、頂板、底板及工作面頂板、底板、外圍等多個方位地下水分布情況、地下水保護層完整情況、天然導水通道發育情況等。
[0022]對礦區地下水靜態賦存特征進行全方位、無損探查，查明地下含水層空間富水位置、范圍以及斷層、陷落柱等天然導水通道發育情況，盡量不使用鉆探等對含水層構成損傷和破壞的勘探手段，是做好地下水保護工作的第一步。
[0023]二、采用微震監測技術，對采煤工作面及周圍地區含水層以及地下水保護層在采煤期間巖層破裂情況進行全程動態監測。以便及時發現問題，及時采取措施，在第一時間預防和避免采煤過程中地下水泄漏及突水事故的發生。
[0024]自然狀態下地下水賦存在一個特定環境即含水層內，處于一種平衡狀態。含水層附近煤層采出后，采煤工作面位置形成采空區(儲水空間或過水通道)，頂底板巖層產生垮落、形成采動裂隙，這些裂隙一旦與含水層溝通，就會成為地下水的人為導水通道，地下水就會流入采空區并經過采空區排出地面，造成對地下水資源的破壞。上述裂隙形成過程以及地下水沖破周圍巖層流入采空區的過程，其實就是工作面周圍巖層的破裂過程，都會伴隨一次次微小的地震事件。本發明采取微震監測技術，通過對采煤工作面附近巖層內微震事件發生的時間、頻度、能量及空間分布情況等等多個方面進行監測、分析，就可以捕捉到地下水發生流動、變化的信息，收集地下水發生流動、變化以及可能發生泄漏的信息；了解天然導水通道穩定性情況和因采掘活動形成的人為導水通道發育情況，進而為快速采取地下水保護措施提供依據。
[0025]微震監測技術的【具體實施方式】為:將檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右幫布置成環狀，各個檢波器通過專用數據線連接在同一監測器上，形成一個監測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個監測單元，多個監測單元組成一個完整的工作面監測網絡。一個監測單元，監測、控制范圍可以覆蓋半徑為300-500米的球體空間。根據工作面回采進度，監測分站采用遞進式交替移動方式向外移動，實現對整個工作面及周圍巖層的連續、全覆蓋監測。
[0026]整個監測過程要貫穿工作面準備期至工作面回采結束一段時間，確保對整個監測周期內地下水保護層變化情況、周圍天然導水通道穩定性情況、人為導水通道發育情況、地下水可能發生泄漏地段的全程動態監測。
[0027]三、根據前述對地下水靜態賦存特征、地下水保護層完整情況、天然導水通道及人為導水通道發育情況、地下水動態變化的探測和監測結果，找到地下水保護層局部薄弱地段和導水通道及存在地下水泄漏危險的地段，采取對地下水保護層局部薄弱地段進行注漿加固、對導水通道及存在地下水泄漏危險的地段進行注漿封堵等措施。本發明采用高壓水射流鉆進技術，對工作面周圍存在的天然導水通道、人為導水通道及存在地下水泄漏危險的地段進行注漿封堵，對地下水保護層局部薄弱地段進行注漿加固，快速和精確鉆進、快速注漿、快速治理，在第一時間將地下水泄漏消滅在萌芽狀態，達到保護地下水的目的。
[0028]或者留設保水煤柱。
[0029]實施例3:
某礦2120工作面為12 #煤掘進工作面，設計走向長1208m。
[0030]某年12月24日，2120工作面上部9 #煤2298工作面運道掘進中發生底板涌水，最大涌水量為172m3/h，致使附近2278工作面被淹、整個礦井北翼停產。
[0031]13年后，2120工作面風道掘進到918m位置，課題組采用“巷道多方位超前探測方法”(專利號ZL 201110095155.4、ZL201110389923.7)，對迎頭前方高水位異常區進行多方位、立體探測。
[0032]圖2是2120工作面風道巷道多方位超前探測工程布置圖；圖3A、圖3B是圖2的探測解釋曲線圖(視電阻率對數ds等值線平面圖)；
圖中顯示，巷道前方存在一個與風道近似垂直的低阻異常帶3 (粗虛線圈定區域)。該異常平面上呈NNE向條帶狀展布，與風道近似垂直，空間上呈傾斜帶狀展布，分析認為為導水斷層反映。
[0033]考慮到該斷層橫跨2120工作面(設計)，巷道繼續掘進及工作面回采發生突水事故的可能很大，因此，礦方決定改變原設計方案，風道停止掘進，留設保水煤柱(因為此位置處于兩個礦邊緣，礦產資源少，且注漿成本高，開采風險大，所以留設保水煤柱)，工作面后退300m重新布置回采系統。避免了一次可能發生的掘進突水和地下水泄漏事故的發生。
[0034]實施例4:
某礦井9315工作面主采石炭系9#煤。工作面底板下距奧灰含水層33m，承受奧灰水壓
1.2 ?1.4MPa。
[0035]某年12月5?8日，課題組采用工作面煤層采前立體探測方法(專利號ZL201210112477.X))，圈定含水異常 5 處，見圖1 中 1#、2#、3#、4#、5#。
[0036]此后，根據探測結果，礦方對工作面底板(存在地下水泄漏危險的地段)進行鉆孔注漿加固，采用高壓水射流鉆進技術，快速和精確鉆進、快速注漿。其中，工作面底板注漿孔55個，注漿1299.45t，進入4#異常區的WS4-1鉆孔，孔深73.6m,水量15m3/h，單孔注入水泥950t，占整個工作面55個鉆孔注漿總量的67.9%。
[0037]該工程的實施，成功封堵了工作面底板一個天然導水通道，有效消除了工作面回采突水隱患，避免了一次回采突水事故。
[0038]目前，工作面已安全回采，達到了采煤保水目的。
【權利要求】
1.一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于包括如下步驟: 一、采用立體探測技術對煤礦井下采掘地區的地下水靜態賦存特征、地下水保護層完整情況及天然導水通道發育情況進行立體探測； 二、結合探測得到的結果，找到地下水保護層中的薄弱地段及導水通道以及存在地下水泄漏危險的地段，采用高壓水射流鉆進技術，通過快速、精確鉆進，快速注漿封堵導水通道和存在地下水泄漏危險的地段、注漿加固地下水保護層或者留設保水煤柱。
2.根據權利要求1所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于上述第一步和第二步之間還采用微震監測技術對采煤工作面及周圍地區含水層以及地下水保護層采煤期間巖層破裂情況進行全程動態監測，通過對采煤工作面附近巖層的微震事件時、空分布情況進行監測、分析，收集地下水發生流動、地下水保護層變化、天然導水通道穩定性、人為導水通道發育情況以及存在地下水泄漏危險的地段的信息。
3.根據權利要求2所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于所述的微震監測技術的【具體實施方式】為:檢波器沿工作面巷道頂板、底板、左幫、右幫布置成環狀，各個檢波器通過數據線連接在同一監測器上，形成一個監測單元；沿工作面上、下順槽間隔200-300米布置一個監測單元，多個監測單元形成一個完整的工作面監測網絡。
4.根據權利要求1所述的一種用于采煤過程中的保水方法，其特征在于上述第一步中，立體探測技術為巷道多方位超前探測方法、巷道超前探測數據的多參數空間成圖法和工作面煤層采前立體探測方法結合使用的探測技術。
【文檔編號】E21C41/16GK103924975SQ201410152267
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】劉建功, 李玉寶, 趙立松 申請人:河北煤炭科學研究院