一种煤矿工作面围岩侧向闭合帷幕保水采煤方法与流程

1.本发明属于煤矿开采安全技术领域，具体涉及一种煤矿工作面围岩侧向闭合帷幕保水采煤方法。


背景技术：

2.随着我国煤矿开采深度的增加，越来越多的煤矿面临高水压的采掘环境，蒙陕矿区作为我国重要的能源基地之一，在主采侏罗纪延安组煤层时，其上往往赋存厚硬富水岩层，在对其进行高强度开采时，面临着巨厚岩层水害的防控难题。现有矿井水害防治技术中通常采用采前预疏放、加大排水能力等措施，其缺陷在于：难以达到原位水资源保护的目的；而且，现有岩层孔隙注浆由于孔喉较小，水可以绕过，但是浆液难以通过，因此采前构造截水帷幕面临孔隙注浆的难题而难以实现，而强富水岩层采动破断后水源源不断的顺着导水裂隙进入工作面，是矿井涌水的主要来源，煤矿需要不断排水来维持井下作业空间的安全，花费巨大排水费用，造成大量的水资源浪费。可见，如何高效改造巨厚岩层的采动渗透特性对矿井防治水具有重大意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿工作面围岩侧向闭合帷幕保水采煤方法，该方法利用采动岩层自身移动产生的裂隙进行注浆，变孔隙注浆为裂隙注浆，大幅减少岩层含水层的过水断面，降低渗透性，有效截断岩层含水层的侧向四周的动态补给，大幅较少矿井涌水量，以解决现有技术中难以封堵导水裂隙带内突水大通道的技术难题，达到降低巨厚岩层含水层矿井涌水量的目的
4.为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
5.一种煤矿工作面围岩侧向闭合帷幕保水采煤方法，包括根据获取的井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据和导水裂隙高度探查数据，确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界和导水裂隙带高度范围内厚硬岩层含水层的层位；根据井田开采设计，在采区或盘区边界的厚硬岩层含水层内、在回采工作面的四周构建闭合帷幕，对回采工作面实现闭合帷幕截流；对闭合帷幕内的回采工作面进行回采作业。
6.本发明还具有一下技术特征：
7.具体包括以下步骤：
8.步骤1、获取井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据和导水裂隙高度探查数据，根据获取的数据确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界和导水裂隙带高度范围内厚硬岩层含水层的层位；
9.步骤2、根据井田开采设计，在采区或盘区边界一侧的厚硬岩层含水层内垂直大巷的方向布置首采工作面；根据首采工作面的平面位置，确定首采工作面第一边界侧向帷幕的布设位置；
10.步骤3、对首采工作面进行回采作业，并在首采工作面的回采作业过程中构筑第一
边界侧向帷幕至停采线，其中，在首采工作面的走向上，所述第一边界侧向帷幕的顶端与首采工作面的采动工作面始终保持一定的滞后距离d；
11.步骤4、按照步骤2到步骤3的方法，依次完成第一接续工作面的回采作业以及用于第一接续工作面侧向截水阻渗的第二边界侧向帷幕的构建、第二接续工作面的回采作业以及用于第二接续工作面侧向截水阻渗的第三边界侧向帷幕的构建、第三接续工作面的回采作业以及用于第三接续工作面侧向截水阻渗的第四界侧向帷幕的构建；
12.在构建过程中，所述第二边界侧向帷幕的顶端与第一接续工作面的采动工作面、第三边界侧向帷幕的顶端与第二接续工作面的采动工作面、第四边界侧向帷幕的顶端与第三接续工作面的采动工作面均始终保持一定的滞后距离d；
13.步骤5、利用水平长钻孔开展水平井水力压裂并注浆改造，依次连接第一边界侧向帷幕、第二边界侧向帷幕、第三边界侧向帷幕和第四边界侧向帷幕之间的空白段，形成对采区或盘区的闭合帷幕截流，然后依次回采闭合帷幕内的回采工作面。
14.更进一步的，所述第一边界侧向帷幕在倾向上第一边界侧向帷幕所在平面与靠近第一边界帷幕的首采工作面侧向边界的水平距离为s，且s满足以下条件：
[0015][0016]
其中，
[0017]
r为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；
[0018]
δ为岩层移动角，单位为
°
；
[0019]
k为垂直应力峰值系数；
[0020]
c为煤体的内聚力，单位为mpa；
[0021]
为煤体的内摩擦角，单位为
°
；
[0022]
p0为煤帮的支护强度，单位为kpa；
[0023]
m为采厚，单位为m；
[0024]
f为煤层与煤层顶板或煤层底板接触面的摩擦因数；
[0025]hm
为煤层埋深，单位为m；
[0026]
γ为上覆岩层平均体积力，单位为kn/m3。
[0027]
更进一步的，所述滞后距离d＝2l～3l，且l通过下式确定：
[0028][0029]
式中，
[0030]
α为采动工作面厚硬砂岩岩梁的回转角，单位为
°
，
[0031]rt
为采动工作面厚硬砂岩岩梁的抗拉强度，单位为mpa，
[0032]
q为采动工作面厚硬砂岩岩梁的均布载荷，单位为mpa，
[0033]
h为采动工作面厚硬砂岩岩梁的厚度，单位为m；
[0034]
l为采动工作面厚硬砂岩岩梁的周期破断步距，单位为m。
[0035]
更进一步的，步骤1所述厚硬砂岩含水层采动影响范围边界r通过下式确定：
[0036]
r＝h/tanδ
[0037]
式中，
[0038]
r为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；
[0039]
h为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；
[0040]
δ为岩层移动角，单位为
°
。
[0041]
更进一步的，步骤5所述水力压裂的操作参数包括：压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，为4～12m3/m，注入排量为6～12m3/min，平均砂比为10～30％。
[0042]
更进一步的，步骤5所述注浆材料包括质量百分含量为10％～40％的水泥、60％～90％的粉煤灰与激发剂。
[0043]
更进一步的，步骤1所述的导水裂隙带的高度，可以通过液压支架工作阻力监测和井-地微震监测联合实现动态确定。
[0044]
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
[0045]
(1)本发明方法通过工作面回采在采场围岩附近形成采动裂隙，然后利用采场围岩不同分区的采动渗透性差异，在工作面侧后方稳定区的采动裂隙内，通过定向水平长钻孔注浆封堵侧向导水裂隙，充分利用工作面采动覆岩破坏发育的时间和空间特征，利用采动岩层自身移动产生的裂隙进行注浆，随采动过程，在回采工作面四周构建出闭合帷幕，从而大幅封堵了岩层含水层的侧向导水通道，能够实现对巨厚岩层含水层渗透性的区域改造，从而达到水资源的原位保护，显著降低了矿井涌水量，节约了大量的排水费用。
[0046]
(2)本发明方法操作简单，适应性强，建设成本低，有利于煤矿区生态文明建设，具有很强的推广应用价值。
附图说明
[0047]
图1是本发明的工作面采动侧向帷幕布设示意图；
[0048]
图2是本发明的工作面采动侧向帷幕的倾向剖面示意图；
[0049]
图3是厚硬岩层顶板随工作面采动动态破断的平面图；
[0050]
图4是厚硬岩层岩梁破断剖面图；
[0051]
图5是采区(盘区)的采动侧向帷幕注浆示意图。
[0052]
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
[0053]
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0054]
对本发明所涉及的技术术语解释如下：
[0055]
厚硬砂岩含水层：是指水能够透过并给出相当数量水的砂岩层，其厚度和力学强度均较大。
[0056]
首采工作面：是指在井田开采设计的采区或盘区边界布置的第一个需要回采的工作面。
[0057]
第一接续工作面：是指在井田开采设计的采区或盘区边界布置的、在完成首采工作面回采后需要进行回采的工作面。以此类推，第二接续工作面即为在第一接续工作面完成回采后需要进行回采的工作面，第三接续工作面即为在第二接续工作面完成回采后需要
进行回采的工作面，本方案中的首采工作面、第一接续工作面、第二接续工作面和第三接续工作面按照附图5所示的位置布设。
[0058]
采动工作面：正在进行回采作业的工作面，例如，在本方案中，在对布置的首采工作面、第一接续工作面、第二接续工作面和第三接续工作面进行回采作业时，将进行回采作业的工作面称为采动工作面。
[0059]
实体煤侧：接续工作面中远离采空区一侧的巷道。
[0060]
采动影响范围：下方工作面煤层开采会造成上方岩层发生一定范围的破坏，其与完整岩层的交界位置即为采动影响边界，在采动影响边界内的区域属于采动影响范围。
[0061]
接续侧向帷幕：为保护接续工作面而在其一侧构建的侧向帷幕，本方案中侧向帷幕的构建随煤矿工作面的采动进行，属于采动侧向帷幕。
[0062]
倾向：垂直于走向线沿层面向下所引的直线，称倾斜线，其在水平面上的投影线所指方向，称为倾向。
[0063]
走向：煤层面与水平面的交线称走向线，其两端所指的方向称走向。
[0064]
闭合帷幕内的其他待回采工作面：是指在闭合帷幕内，位于首采工作面、第一接续工作面、第二接续工作面和第三接续工作面围合而成的区域内、需要进行煤炭开采的工作面。
[0065]
以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。
[0066]
实施例1
[0067]
遵从上述技术方案，如图1至图5所示，某煤矿的主采煤层1的厚度为8m，埋深为650m，属近水平煤层，煤层上方180m赋存有厚硬岩层含水层，顶板赋存厚硬岩层层，厚硬岩层的岩性以中细砂岩、细砂岩及泥岩互层为主，采用综采放顶煤开采工艺，水文地质类型复杂，周边临近矿井涌水量为2000m3/h。该矿的首采工作面走向长1800m，开采计划分为四个盘区，需要进行煤矿厚硬岩层水害灾害治理工作。
[0068]
本实施例提供了一种煤矿工作面围岩侧向闭合帷幕保水采煤方法，包括以下步骤：
[0069]
步骤1、获取井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据和导水裂隙高度探查数据，根据获取的数据确定厚硬砂岩含水层采动影响范围边界和导水裂隙带高度范围内厚硬岩层含水层的层位；
[0070]
在常规测井中，主要通过钻探、地震、地球物理测井、地质及水文地质、采样测试、抽水试验以及地表水、地下水动态长期观测等多种手段进行综合勘查，得到井田地质数据和开采沉陷监测数据，其中，井田地质数据和开采沉陷监测数据主要包括岩层移动角，厚硬岩层含水层顶板与煤层顶板的距离，导水裂隙带高度，导水裂隙带内厚硬岩层含水层的层位，煤层埋深，
[0071]
本实施例中，根据开采沉陷监测数据确定的岩层移动角为82
°
，厚硬岩层含水层顶板与煤层顶板的距离为220m，工作面开采稳定后形成的导水裂隙带高度为220米，导水裂隙带内厚硬岩层含水层的层位为180m～220m。煤层埋深hm＝650m；采厚m＝8m；
[0072]
步骤2、根据井田开采设计，在采区或盘区边界一侧的厚硬岩层含水层内垂直大巷的方向布置首采工作面；根据首采工作面的平面位置，确定首采工作面第一边界侧向帷幕的布设位置；
[0073]
步骤3、对首采工作面进行回采作业，并在首采工作面的回采作业过程中构筑第一边界侧向帷幕至停采线，其中，在首采工作面的走向上，如图1所示，所述第一边界侧向帷幕的顶端与首采工作面的采动工作面始终保持一定的滞后距离d；
[0074]
步骤4、按照步骤2到步骤3的方法，依次完成第一接续工作面的回采作业以及用于第一接续工作面侧向截水阻渗的第二边界侧向帷幕的构建、第二接续工作面的回采作业以及用于第二接续工作面侧向截水阻渗的第三边界侧向帷幕的构建、第三接续工作面的回采作业以及用于第三接续工作面侧向截水阻渗的第四界侧向帷幕的构建；
[0075]
在构建过程中，所述第二边界侧向帷幕的顶端与第一接续工作面的采动工作面、第三边界侧向帷幕的顶端与第二接续工作面的采动工作面、第四边界侧向帷幕的顶端与第三接续工作面的采动工作面均始终保持一定的滞后距离d；
[0076]
其中，滞后距离d＝2l～3l，且l通过下式确定：
[0077][0078]
式中，
[0079]
α为采动工作面厚硬砂岩岩梁的回转角，单位为
°
，
[0080]rt
为采动工作面厚硬砂岩岩梁的抗拉强度，单位为mpa，
[0081]
q为采动工作面厚硬砂岩岩梁的均布载荷，单位为mpa，
[0082]
h为采动工作面厚硬砂岩岩梁的厚度，单位为m；
[0083]
l为采动工作面厚硬砂岩岩梁的周期破断步距，单位为m。
[0084]
需要说明的是，在实际施工过程中，由于首采工作面、第一接续工作面、第二接续工作面和第三接续工作面所围成的矩形煤矿开采区处在一个采区或盘区内，所以，各工作面的地质条件相同或相似，因此，上述公式中的α、r
t
、q和h均为定值，可通过步骤1得到的井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据确定，且根据经验，α的取值范围为2～8
°
。
[0085]
本实施例中，α取值为8
°
、岩梁的抗拉强度r
t
为3.0mpa、岩梁的均布载荷q为0.1mpa、岩梁厚度h为40米、然后通过上述公式求得岩梁的周期破断步距l＝75.5m、随采动，侧向帷幕的顶端在走向上与相应采动工作面的滞后距离d为151m～226.5m，即如图1所示，第一边界侧向帷幕的顶端与首采工作面的采动工作面始终保持151m～226.5m的距离。以此类推，第二边界侧向帷幕与第一接续工作面的采动工作面、第三边界侧向帷幕的顶端与第二接续工作面的采动工作面，以及第四边界侧向帷幕的顶端与第三接续工作面的采动工作面均始终151m～226.5m的距离，这样做的优势在于：可以确保钻孔布设在工作面后方覆岩变形稳定的区域，避免钻孔塌孔堵塞，便于实施水平长钻孔注浆改造。
[0086]
如图4所示，工作面后方滞后距离d＝2l～3l，是因为根据实际作业经验，在工作面后方一定距离处，覆岩变形已经稳定，滞后距离d＝2l～3l更便于开展水平长钻的布设和注浆。
[0087]
作为本实施例的一种优选方案：
[0088]
第一边界侧向帷幕在倾向上第一边界侧向帷幕所在平面与靠近第一边界帷幕的首采工作面侧向边界的水平距离为s，且s满足以下条件：
[0089]
[0090]
式中，
[0091]
r为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；
[0092]
δ为岩层移动角，单位为
°
；
[0093]
k为垂直应力峰值系数；
[0094]
c为煤体的内聚力，单位为mpa；
[0095]
为煤体的内摩擦角，单位为
°
；
[0096]
p0为煤帮的支护强度，单位为kpa；
[0097]
m为采厚，单位为m；
[0098]
f为煤层与煤层顶板或煤层底板接触面的摩擦因数；
[0099]hm
为煤层埋深，单位为m；
[0100]
γ为上覆岩层平均体积力，单位为kn/m3。
[0101]
在上述公式中，δ、k、c、p0、m、f、hm、γ均为常量，可通过步骤1得到的井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据确定。
[0102]
其中，厚硬砂岩采动影响范围边界r通过下式确定：
[0103]
r＝h/tanδ
[0104]
式中，
[0105]
r为厚硬砂岩含水层采动影响范围边界，单位为m；
[0106]
h为厚硬砂岩含水层顶板与煤层顶板的垂直距离，单位为m；
[0107]
δ为岩层移动角，单位为度。
[0108]
在上述公式中，h和δ为常量，可通过步骤1得到的井田地质数据、井田周边矿区开采沉陷数据确定。
[0109]
本实施例中，通过收集开采沉陷监测数据可以确定岩层移动角取值82
°
，垂直应力峰值系数为2.5，煤体的内聚力为0.5mpa，煤体的内摩擦角为20
°
，煤帮的支护强度为20kpa，采厚为8m，煤层与煤层顶板或煤层底板接触面的摩擦因数为0.3，煤层的埋深为650m，上覆岩层平均体积力为25kn/m3，通过上式得出边界帷幕与采空区侧向边界的水平距离16.4m《s《25.3m；厚硬岩层含水层底板处的采动影响范围边界r为25.3m。
[0110]
步骤5、利用水平长钻孔开展水平井水力压裂并注浆改造，依次连接第一边界侧向帷幕、第二边界侧向帷幕、第三边界侧向帷幕和第四边界侧向帷幕之间的空白段，形成对采区或盘区的闭合帷幕截流，然后依次回采闭合帷幕内的回采工作面。
[0111]
水力压裂原理：利用地面高压泵组，通过井筒向地层注入大排量液体，在井底憋起高压，当该压力超过地层承受能力时，便会在井底附近的地层形成裂缝。继续注入携带支撑剂的液体，裂缝逐渐向前延伸，支撑剂起到支撑裂缝作用，形成了具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝，达到弱化地层力学性质，提高地层渗透性的效果。
[0112]
本实施例中，水力压裂操作中，压裂液为活性水压裂液，支撑剂为石英砂，压裂段的加砂强度为为4～12m3/m，注入排量为6～12m3/min，平均砂比为10～30％。
[0113]
步骤5所述注浆材料包括质量百分含量为10％～30％的水泥、70％～90％的粉煤灰与激发剂。
[0114]
综上所述，本发明方法利用煤层采空以后形成的采动侧向覆岩结构变形渗透分区特征，对岩层移动产生的侧向导水裂隙进行注浆封堵，从原位上对砂岩含水层的侧向补给
通道进行封堵，大幅减少了砂岩含水层的过水断面，降低了渗透性；进而以采区或盘区为单元，通过对四个工作面外围的侧向砂岩含水层顶板进行注浆改造，最终形成对采区和盘区的侧向闭合帷幕截流，有效截断了砂岩含水层四周对开采区域顶板水的动态补给，大幅较少采区或盘区涌水量，以解决现有技术中难以封堵导水裂隙带内垂向突水大通道的技术难题，本发明能够有效减少矿井涌水量，保障类似地质条件煤矿的安全生产。
[0115]
上述实施过程仅仅是为清楚地说明本技术所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术型的保护范围之中。