底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法.pdf

本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，首先，在开采工作面进行防治煤层底板灰岩水害研究，确定注浆加固的目的层；其次，沿目的层灰岩倾斜方向施工终孔；再次，利用已施工的终孔层位对目的层进行超前探测，并对目的层进行注浆加固改造；最后，对注浆前后岩层的隔水性进行对比研究，评价注浆效果。本方法通过将底板灰岩注浆加固改造成自然-人工复合完整隔水关键层，提高了底板岩体整体强度和突水系数的临界值，实现了对深部高承压灰岩水害的防治，为工作面的回采安全提供了重要保障。

1.  底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
①在开采工作面进行防治煤层底板(100)灰岩水害研究，经模拟、计算、实测分析确定所述煤层底板(100)采动影响破坏深度，并由此确定将太灰上段3灰(200)、4灰(300)作为注浆加固的目的层；
②沿所述3灰(200)、4灰(300)的灰岩倾斜方向施工终孔，沿所述4灰(300)的顺层施工钻孔，在排水能力允许的情况下对出水的所述终孔、钻孔进行疏放；
③利用已施工的终孔层位对所述4灰(300)进行超前探测，并将所述终孔、钻孔作为注浆通道对所述3灰(200)、4灰(300)进行注浆加固改造，对所述工作面的物探异常区、构造发育区段、切眼位置、初次来压位置、周期来压位置以及停采线附近，重点利用所述终孔、钻孔进行重点注浆加固与改造，其中，所述终孔、钻孔的中心线均与所述3灰(200)、4灰(300)的岩层方向形成锐角夹角；
④采用物探、钻探取芯或注水试验的方法对注浆前后岩层的隔水性进行对比研究，评价注浆效果。

2.  根据权利要求1所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：上述步骤①中，所述煤层底板(100)采动影响破坏深度与开采深度成正比例关系，其计算公式为：
h₁＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579，
其中：h₁—煤层底板(100)采动影响破坏深度，单位：m；
H—开采深度，单位：m；
α—煤层倾角，单位：°；
L—工作面斜长，单位：m。

3.  根据权利要求2所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：上述步骤③中，所述终孔、钻孔采用绝对坐标法布孔模式，即钻机移动，采取角度法定位。

4.  根据权利要求3所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：上述步骤③中还需对所述3灰(200)、4灰(300)的岩体裂隙密度进行分析，研究多裂隙组成的岩体渗透性及流动情况，并通过注浆材料试验，选择适合的注浆材料，并同时 确定注浆量、注浆终压、水灰比、扩散半径和钻孔密度，具体步骤包括：
(31)正式注浆前，选择不同类型的浆液，在所述工作面的底板进行相关现场试验，每个浆液类型分六组浓度，分别在六组不同的所述终孔、钻孔进行注浆试验，主要考察注浆速率v₁、泄压速率v₂及总进浆量Q，假定一有效因子M，则第i组浆液的浓度配比计算公式为：
其中，i＝1,2,3……6；n＝样本数量；
(32)观测所述终孔、钻孔的出浆历时、出浆时总进浆量，将浆液的扩散模型简化成高度为该层灰岩厚度的等效连续介质的圆柱模型，按照空隙率为0.1％算出各向同性和各向异性情况下的扩散半径；
(33)根据步骤(32)中扩散半径的计算结果确定所述终孔、钻孔的间距。

5.  根据权利要求4所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：所述注浆材料为325#普通硅酸盐水泥，所述水泥的浆液浓度质量配比为1:1。

6.  根据权利要求5所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：所述浆液注入时采用水与所述水泥配制的单液水泥浆，注浆终压为12.08MPa，注浆速度小于5～10L/min，所述终孔、钻孔的吸浆量不大于20L/min。

7.  根据权利要求6所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：上述步骤②中，还包括在注浆量较大的所述终孔、钻孔附近补打其他钻孔的步骤。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其特征在于：上述步骤④中采用突水系数法，通过计算临界突水系数K_临对注浆效果进行评价，计算公式为：
K_临＝P/M
其中：P-煤层底板(100)隔水层承受的最大水压，
M-地面及井下钻孔实际揭露1煤(600)底板至4灰(300)底板真厚。

底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法
技术领域
本发明涉及采矿或采石技术领域，特别是涉及一种地下或地面采矿方法。
背景技术
淮南矿区煤层有26层，划分五个组，从下往上依次是A、B、C、D、E组，A组煤是淮南矿区可采煤层最下面的一个层组，含可采煤层1至2层，累厚平均约7米，储量达17.5亿吨。A组煤相对上部各组煤层来讲，煤质优，发热量高，达到6000大卡以上，较其他组均高，而且煤种好，为1/3焦煤，可作为炼焦煤，。而且该组煤煤层厚，1、3煤层合起来平均厚度达7米。另外，浅部受风氧化影响，部分瓦斯已经释放，瓦斯含量相对较低。因为这些优点，A组煤被人们喻为矿区的“新粮仓”。淮南煤田下(A)组煤距太原组灰岩(简称太灰)仅18～26m，老区开采过程中多次发生底板灰岩突水淹井事故。多年研究认为，太灰上段(1～4灰)是1煤开采的直接充水含水层，其中3、4灰厚度大且稳定，富水性相对强；中段(5～11灰顶板)为薄灰岩夹于泥岩、砂岩间，可认为是相对隔水层；下段(11～13灰)为深部奥陶系厚层灰岩高承压水。由于受底板高承压岩溶裂隙水的水害威胁，淮南煤田下(A)组一直未能规模开采。
新集二矿开采淮南煤田南缘寿县老人仓断层北侧的阜凤推覆体下煤层，此处水文工程地质条件较复杂。为解放新集二矿及相邻矿井和矿区的1(A组)煤，国投新集公司首先在二矿210108工作面进行防治底板灰岩水害研究。经模拟、实测，开采1煤底板受采动影响深度约19.5m，已经抵达太原组1灰顶板，为避免受到太灰上段3灰、4灰岩岩溶水和深部灰岩水通过隐伏构造导入矿坑的威胁，需超前对底板所在的适当深度范围内的地层进行注浆加固改造达到足够的安全厚度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，通过将底板灰岩注浆加固改造成自然-人工复合完整隔水关键层，提高了底板岩体整体抗压强度和突水系数的临界值，实现了对深部高承压灰岩水害的防治，为工作面的回采安全 提供了重要保障。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，包括以下步骤：
①在开采工作面进行防治煤层底板灰岩水害研究，经模拟、计算、实测分析确定所述煤层底板采动影响破坏深度，并由此确定将太灰上段3灰、4灰作为注浆加固的目的层；
②沿所述3灰、4灰的灰岩倾斜方向施工终孔，沿所述4灰的顺层施工钻孔，在排水能力允许的情况下对出水的所述终孔、钻孔进行疏放；
③利用已施工的终孔层位对所述4灰进行超前探测，并将所述终孔、钻孔作为注浆通道对所述3灰、4灰进行注浆加固改造，对所述工作面的物探异常区、构造发育区段、切眼位置、初次来压位置、周期来压位置以及停采线附近，重点利用所述终孔、钻孔进行重点注浆加固与改造，其中，所述终孔、钻孔的中心线均与所述3灰、4灰的岩层方向形成锐角夹角；
④采用物探、钻探取芯或注水试验的方法对注浆前后岩层的隔水性进行对比研究，评价注浆效果。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，上述步骤①中，所述煤层底板采动影响破坏深度与开采深度成正比例关系，其计算公式为：
h₁＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579，
其中：h₁—煤层底板采动影响破坏深度，单位：m；
H—开采深度，单位：m；
α—煤层倾角，单位：°；
L—工作面斜长，单位：m。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，上述步骤③中，所述终孔、钻孔采用绝对坐标法布孔模式，即钻机移动，采取角度法定位。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，上述步骤③中还需对所述3灰、4灰的岩体裂隙密度进行分析，研究多裂隙组成的岩体渗透性及流动情况，并通过注浆材料试验，选择适合的注浆材料，并同时确定注浆量、注浆终压、水灰比、扩散半径和钻孔密度，具体步骤包括：
(31)正式注浆前，选择不同类型的浆液，在所述工作面的底板进行相关现场试验，每个浆液类型分六组浓度，分别在六组不同的所述终孔、钻孔进行注浆试验，主要考察注浆速率v₁、泄压速率v₂及总进浆量Q，假定一有效因子M，则第i组浆液的浓度配比计算公式为：
其中，i＝1,2,3……6；n＝样本数量；
(32)观测所述终孔、钻孔的出浆历时、出浆时总进浆量，将浆液的扩散模型简化成高度为该层灰岩厚度的等效连续介质的圆柱模型，按照空隙率为0.1％算出各向同性和各向异性情况下的扩散半径；
(33)根据步骤(32)中扩散半径的计算结果确定所述终孔、钻孔的间距。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其中所述注浆材料为325#普通硅酸盐水泥，所述水泥的浆液浓度质量配比为1:1。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，其中所述浆液注入时采用水与所述水泥配制的单液水泥浆，注浆终压为12.08MPa，注浆速度小于5～10L/min，所述终孔、钻孔的吸浆量不大于20L/min。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，上述步骤②中还包括在注浆量较大的所述终孔、钻孔附近补打其他钻孔的步骤。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，上述步骤④中采用突水系数法，通过计算临界突水系数K_临对注浆效果进行评价，计算公式为：
K_临＝P/M
其中：P-煤层底板隔水层承受的最大水压，
M-地面及井下钻孔实际揭露1煤底板至4灰底板真厚。
本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法通过对灰岩含水层对1煤开采造成的威胁进行分析，利用井下施工的1煤底板灰岩钻孔，将水泥浆通过高压注浆泵注入钻孔内，通过浆液在灰岩中的扩散达到对太灰上段的注浆加固，加固后的太灰上段与太灰中段相对隔水层组成自然-人工复合完整隔水关键层，提高了底板岩体整体抗压强度和突水系数的临界值，同时封堵、改造了导水构造，有效防治了细小的垂向越流通道和侧向通道，形成了足够高度和强度的止水塞，对垂向集中通道(导水断裂和导水陷落柱等)进行了重点封堵，实现了对深部高承压灰岩水害的防治，为工作面的回采安全提供了重要保障。
下面结合附图对本发明的底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法中1煤工作面注浆改造的平剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，下面以本发明底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法在矿区某一工作面上的实施情况为例对本发明的技术方案进行具体说明。
底板灰岩含水层改造成自然人工复合完整隔水层的方法，包括以下步骤：
①在开采工作面进行防治煤层底板100灰岩水害研究，即对灰岩含水层对1煤600开采造成的威胁进行分析，经模拟、计算、实测分析确定煤层底板100采动影响破坏深度，并由此确定将太灰上段3灰200、4灰300作为注浆加固的目的层。
根据该矿井上、下施工的灰岩钻孔资料并结合区域性资料综合分析，太原组各层灰岩中，以3灰200、4灰300、12灰层为厚层灰岩，富水性较强。实测资料及理论研究表明，煤层底板1采动影响破坏深度与工作面的矿压作用和煤层底板的抗破坏能力有关，煤层底板100采动影响破坏深度与开采深度成正比例关系，其计算公式为：
h₁＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579
其中：h₁—煤层底板采动影响破坏深度，单位：m；
H—开采深度，单位：m；
α—煤层倾角，单位：°；
L—工作面斜长，单位：m；
通过上述计算公式和本矿区实测值得出，本工作面处的煤层底板100采动影响破坏深度h₁＝18.3m，并且通过RFPA和FLAC数值模拟得出采动底板破坏深度分别为19m和19.5m，所以其底板最大破坏深度最多达到1煤底板截水巷，注浆加固段不会因工作面采受底板采动破坏影响。因此，选择截水巷底板太灰上段的1灰400、2灰500、3灰200、4灰300进行注浆加固，重点对3灰200、4灰300进行加固后作为再造的隔水关键层700，提高突水系数的临界值。灰岩与泥岩相比较，隔水能力相差无几，但强度相差很大，再造灰岩复合隔水关键层对于防治岩溶水更加具有优势。
②沿3灰200、4灰300的灰岩倾斜方向施工终孔，沿4灰300的顺层施工钻孔，加大钻孔揭露灰岩长度。同时，在排水能力允许的情况下对出水终孔、钻孔进行疏放。上述终孔、钻孔均充当注浆加固的注浆孔，利用这些井下施工的钻孔，将水泥浆通过高压注浆泵注入钻 孔内，通过浆液在灰岩中的扩散达到对太灰上段的注浆加固。实际施工时，为获得更好的注浆加固效果，有效地防止溢浆，保证浆液在注浆孔间有效扩散，还可以在注浆量较大的所述终孔、钻孔附近补打其他钻孔。
③根据目前已施工的终孔、钻孔存在少数出水，并且出水量较小的情况，利用已施工的终孔层位对4灰300底板进行超前探测，并将终孔、钻孔作为注浆通道对底板3灰200、4灰300进行注浆加固改造。超前探测是《煤矿防治水规定》明确要求的，对于受水害威胁区域掘进工作面必须采取物探、钻探、化探等超前探查方法，查明掘进前方水文地质情况，方可掘进。具体探测方法可参照常规技术，此处不赘述。对上述工作面的物探异常区、构造发育区段、切眼位置、初次来压位置、周期来压位置以及停采线附近，重点利用上述终孔、钻孔，即井下底板3灰200、4灰300灰岩钻孔进行重点注浆加固与改造，其中，这些终孔、钻孔的中心线与上述3灰200、4灰300灰岩岩层方向的夹角均为锐角。
优选地，上述注浆加固用的终孔、钻孔采用绝对坐标法布孔模式，即钻机移动，采取角度法定位。采用这样的注浆孔布设模式，掌子面孔位布设合理，适用于地质钻机。
上述步骤③中还需对所述3灰200、4灰300的岩体裂隙密度进行分析，研究多裂隙组成的岩体渗透性及流动情况，并通过注浆材料试验，选择适合的注浆材料，并同时确定注浆量、注浆终压、水灰比、扩散半径和钻孔密度，具体步骤包括：
(31)正式注浆前，选择不同类型的浆液，在所述工作面的底板进行相关现场试验，每个浆液类型分六组浓度，分别在六组不同的所述终孔、钻孔进行注浆试验，主要考察注浆速率v₁、泄压速率v₂及总进浆量Q，其中注浆速率v₁、泄压速率v₂越快，注浆越有效，同时，初始浓度h越高，注浆成效越好，总进浆量Q越大，试验结果越接近真实效果，假定一有效因子M，则第i组浆液的浓度配比计算公式为：
其中，i＝1,2,3……6；n＝样本数量；
M值用以定性的判断浆液效果，M值越小注浆越有效。
经实测、计算获知：
1)随着初始浓度h的提升，注浆速率v₁呈现加速下降的趋势，M值转折点基本上在1:1与1.5:1之间。
2)从各个钻场计算出的M值可知，M值最小值基本在0.75:1与1.5:1之间，其中-650m1煤东翼截水巷4#钻场的S7-1#孔、10#钻场的S19-2#孔，由于在材料试验期间就已经饱和，呈 现注浆速率急速下降状态，因此得到的M值失真。
3)从现场施工情况来看，浆液中加入黄泥和粉煤灰会加大工作量，而且黄泥的颗粒大小难以掌控，很难溶于水，几乎都沉淀形成块体，很容易打坏注浆机，故黄泥不考虑进入注浆材料中，而粉煤灰和黄泥的实际效果并没有水泥效果好、强度高。
4)从经济效益上看，黄泥和粉煤灰浆液材料的运输和制浆流程复杂，费用较水泥浆液高，但从试验钻孔注浆量可以看出，本注浆耗浆量并不大。
经过上述分析，本发明中的所述注浆材料可选用325#普通硅酸盐水泥，所述水泥的浆液浓度质量配比为1:1。这样，投入费用不高，经济效益好。
(32)观测所述注浆加固终孔、钻孔的出浆历时、出浆时总进浆量，将扩散模型简化成高度为该层灰岩厚度的等效连续介质的圆柱模型，按照空隙率为0.1％算出各向同性和各向异性情况下的扩散半径，具体算法参见公知常识。根据浆液流动规律以及扩散规律可知，浆液扩散时，沿终孔或钻孔的径向呈椭球形扩散，而沿终孔或钻孔的轴向则为顺层扩散。
下表为本实施例中终孔或钻孔扩散半径试验数据一览表：

(33)根据步骤(32)中扩散半径的计算结果确定所述终孔、钻孔的间距。优选的，注浆孔间距可以为44m，为保险起见并有利于实现注浆孔间交叉渗透注浆，注浆孔间距可缩短至30m。
根据本实施例的试验，本矿区工作面共施工注浆钻孔累计184个，注入1：1浓度水泥浆248.449m³，注入水泥221.312t。
优选的，本发明的浆液注入时采用单液水泥浆，注浆终压为12.08MPa，注浆速度小于5～10L/min，所述注浆加固钻孔的吸浆量不大于20L/min。以满足水文地质学、煤矿防治水规定的注浆效果要求。
④注浆加固完毕后，采用物探、钻探取芯或注水试验的方法对注浆前后岩层的隔水性进行对比研究，评价注浆效果。
1)物探方法：物探法可以宏观地评定注浆效果，特别是对于帷幕注浆的纵向连续性检测。利用瞬变电磁法和电法等物探手段在注浆前进行物探，从而得出底板岩层的富水情况和地质 构造情况，岩层视电阻率相对较高，为正常岩层，岩层视电阻率相对偏低，反映该层段岩层为异常区域。待注浆加固后在同条件下再采用物探手段检测验证，验证地质构造情况和富水情况。对比注浆前后物探变化规律，尤其是注浆前岩层视电阻率相对偏低的区域。如果注浆后探测到岩层视电阻率相对偏低的区域，应再次对其进行钻探验证监测。
2)钻探方法：根据分析注浆后浆液的扩散规律，在浆液没有扩散到的区域和注浆后在物探中探测出电阻率相对较低的区域应该采用钻探方法进行检测验证，以评价其注浆效果。在钻探法检测中利用“一孔多用”原则来检验其注浆效果，该钻孔不仅可以在宏观上观察裂隙充填情况，以判定注浆效果，还可以兼做注水试验、抗渗性实验等来检测注浆效果，并可取芯做实验以探查其岩石的力学性质等手段来综合评价注浆效果。
上述物探、钻探取芯或注水试验的具体操作方法可参见公知常识，此处不赘述。
另外，注浆加固完毕后，还要采用突水系数法，计算临界突水系数K_临，对注浆效果进行评价，突水系数定义为煤层底板100单位隔水层厚度所承受的静水压力，它是带压开采条件下衡量煤层底板100突水危险程度的定量指标。
临界突水系数K_临的计算公式为：
K_临＝P/M
其中：P-煤层底板100隔水层承受的最大水压，
M-地面及井下钻孔实际揭露1煤600底板至4灰300底板真厚(此处指1煤层底板至太原组第4层灰岩的平均厚度，是《煤矿防治水规定》及地质学领域公知常识)。
本实施例中，根据本矿井工作面范围内钻孔水位显示，5灰800及以下各层灰岩含水层水位为-300～-480m，最高水位标高为-300m，工作面开采最低标高为-644.9m，底板隔水层承受的最大水压为3.65Mpa，M＝52～65m(取地面及井下钻孔揭露1煤600底板至4灰300底板真厚最小值和最大值)，本实施例的最后计算结果为：K_临＝0.035～0.052MPa/m。
综上所述，本发明的方法利用注浆加固钻孔注浆加固改造太灰上段3灰200、4灰300层灰岩，形成止水塞，使得3灰200、4灰300层灰岩富水性大大降低，通过注浆加固改造3灰200、4灰300层灰岩为隔水层，也对未发现的3灰200、4灰300灰岩层垂向通道进行了超前充填、加固，3灰200、4灰300层灰岩不再为含水层，而是和太灰中段结合形成了1煤600开采的煤层底板100的隔水关键层700，对3灰200、400灰层灰岩以下的太原组灰岩、奥陶系灰岩含水层起到隔水关键层的作用，防止深部太灰和奥陶系灰岩高承压水通过隐伏构造导入矿坑，提高了突水系数临界值，并形成防治1煤600底板灰岩水害的第3道防线，有效地保证了工作面的回采安全。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。