基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法技术

一种基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其包含如下步骤：步骤一：确定工作面的导水裂隙带高度；步骤二：确定工作面回采前进行压裂与注浆；步骤三：确定压裂与注浆层位；步骤四：确定压裂与注浆平面范围及厚度；步骤五：顶板岩层水平孔水力压裂，通过施工地面水平分支孔，对岩层进行水力压裂，将原连续介质压裂成非连续性介质；步骤六：顶板岩层注浆，大幅降低岩层的过水能力；由此，本发明专利技术将连续性好的岩层压裂成为非连续性岩层，再采用注浆工艺将岩层改造为相对软弱的隔水保护层，以达到抑制导水裂隙带向上发育和减弱岩层渗透性能的双重目的，从而减少煤层顶板的含水层地下水通过导水裂隙带涌入采煤工作面的水量。

Roof water control method based on presplitting and grouting modification

【技术实现步骤摘要】
基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法
本专利技术涉及矿井防治水与地下水资源保护的
，尤其涉及一种井工煤矿利用钻探预裂和注浆改性岩层工艺控制采煤工作面顶板涌水的基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法。
技术介绍
鄂尔多斯煤田近地表的富水性好的松散孔隙含水层是具有重要生态价值的含水层，由于煤层开采形成的采动裂隙发育至近地表的松散层含水层，导致地下水沿采动裂隙进入采煤工作面，一般形成严重的顶板水害问题。针对顶板水害防治，传统方法是采用钻探工程预先疏干、疏降含水层地下水，或通过限制煤层采高、条带开采等手段抑制导水裂隙高度，使导水裂隙不能揭露富水性好的含水层，进而达到消除或减轻矿井顶板水害的目的。利用以上方法有效减少了工作面回采过程中的涌水量，保证了工作面安全回采。然而采用钻探工程预先疏干、疏降含水层地下水的方法并不会减少工作面在采前、采中、采后整个过程中的排水量，而且高强度的疏排含水层地下水，不仅增加了矿井的排水费用，同时极大地浪费了地下水资源，从而引发一系列如地下水位下降、地表水体污染、土地盐碱化等生态环境问题。而采用限制煤层采高、条带开采等抑制导水裂隙高度的方法，存在煤炭资源的浪费大的问题。因此，如何在保障煤炭资源高效开采的同时，减小采煤工作面涌水以及地下水资源的保护，是本领域长期难以解决的技术难题。为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其将连续性好的岩层压裂成为非连续性岩层，再采用注浆工艺将岩层改造为相对软弱的隔水保护层，以达到抑制导水裂隙带向上发育和减弱岩层渗透性能的双重目的，从而减少煤层顶板的含水层地下水通过导水裂隙带涌入采煤工作面的水量。为实现上述目的，本专利技术公开了一种基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于包含如下步骤：步骤一：确定工作面的导水裂隙带高度，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，确定导水裂隙带高度，煤层开采后，导水裂隙带涉及了煤层上方的板砂岩含水层、天然隔水层和近地表富水性好的松散介质含水层；步骤二：确定工作面回采前进行压裂与注浆；步骤三：确定压裂与注浆层位，根据导水裂隙带涉及的顶板含水层的空间位置，在导水裂隙带顶部以下30-50m的岩层沿着地面水平定向钻孔轨迹施工定向钻孔进行压裂、注浆；步骤四：确定压裂与注浆平面范围及厚度；步骤五：顶板岩层水平孔水力压裂，通过施工地面水平分支孔，对岩层进行水力压裂，将原连续介质压裂成非连续性介质；步骤六：顶板岩层注浆，充填预裂裂隙和原生裂隙，将岩层改性为过水能力低的人工隔水层，大幅降低岩层的过水能力。其中：在步骤一中，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的表一确定导水裂隙带高度：表一其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m。其中：在步骤四中，根据矿区实测岩层移动角或经验数据，确定采空区平面影响范围，根据岩层移动角经验数据75°，计算导水裂隙带宽度，以此确定压裂、注浆边界。其中：在步骤四中，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中水体下采煤防水安全煤柱保护层厚度确定注浆隔离层厚度，具体见表二；表二根据以上采空区影响范围及保护层厚度公式确定注浆改造平面范围及垂向厚度。其中：在步骤六中，注浆材料为膨润土水泥浆，形成的隔离层具有较高的塑性强度及较强的抗渗性，可降低岩层渗透性能和抑制导水裂隙向上发育。其中：在步骤六中，注浆工艺包含如下步骤：1)注浆方式：采用孔口止浆、静压分段下行式注浆法；2)浆液浓度：注浆过程中先用稀浆进行试注，了解吃浆量大小及孔口压力情况，观测邻孔是否串浆等情况调整浆液浓度；3)注浆压力：注浆稳定压力大于受注含水层最大静水压力的2～2.5倍；4)注浆结束标准：当注浆压力达到结束标准后，应逐次换档降低泵量，直至泵量达到50L/min，并维持30min，之后进行压水试验，测得单位吸水率q不大于0.01L/min·m·m时，即可认为该段达到注浆结束标准。其中：注浆工艺还包含如下步骤：5)注浆效果检查：(1)工序及阶段检查：后期分支钻孔通过压水试验检查前期注浆主孔的注浆效果；(2)质量检查孔：通过观测检查孔压水及漏失量情况判断注浆效果。通过上述内容可知，本专利技术的基于预裂与注浆改性的顶板水控制方法具有如下效果：1、一方面采用钻探预裂岩层工艺，将原连续介质岩层压裂成为非连续性介质，达到有效抑制煤层采动导水裂隙带的发育高度的目的，减少导水裂隙揭露含水层的空间范围，降低含水层供水能力；另一方面，采用膨润土等软弱注浆材料充填预裂裂隙和原生裂隙，将岩层改性为过水能力低的人工隔水保护层，可大幅降低岩层的过水能力，因此基于钻探预裂与注浆改性顶板水控制方法，从减少含水层供水能力和岩层过水能力两个角度实现减小涌入采煤工作面的水量，有效解决了在保障煤炭资源高效开采的同时，疏放水方法带来的矿井排水量大、排水及疏放水工程费用高、水资源大量浪费及损伤地表生态等问题。2、1)在工作面回采前采用钻探预裂注浆组合工艺，将原连续性好的坚硬岩层介质压裂成为非连续性的软弱岩层介质，达到有效抑制煤层采动导水裂隙带的发育高度的目的，减少导水裂隙揭露含水层的空间范围及供水能力；2)采用的注浆材料为膨润土等软弱注浆材料，使形成的隔水保护层具有良好的延展性和较高的塑性强度，煤层开采扰动下具有较强的抗破坏能力和较弱的过水能力，可显著抑制导水裂隙向上发展和减少地下水沿注浆层渗漏。3)选择导水裂隙带顶部下30～50m作为注浆层位，在有效抑制导水裂隙高度向上发育的同时，将岩层改性为过水能力低的人工隔水层，大幅降低岩层的供水能力和过水能力，有效减少含水层通过导水裂隙带涌入采空区的水量。本专利技术的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。附图说明图1显示了无预裂注浆条件下的采煤工作面导水裂隙带发育高度及含水层涌水示意图；图2显示了采煤工作面回采前顶板水平孔水力压裂示意图；图3显示了采煤工作面回采前顶板水平孔水力压裂注浆示意图；图4显示了预裂注浆条件下的采煤工作面导水裂隙带发育高度及含水层涌水示意图。附图标记：1-1采空区；1-2无预裂注浆条件下的采煤工作面导水裂隙带边界；2.松散介质含水层；3.天然隔水层；4.砂岩含水层；5.煤层；6.松散介质含水层的地下水流向；7.砂岩含水层的地下水流向；8.地面水平定向钻孔轨迹；9.水力压裂裂缝；10.注浆层；11.预裂注浆条件下的采煤工作面导水裂隙带发育高度；12.预裂注浆的采煤工作面在回采条件下松散介质含水层地下水流向；13.预裂注浆的采煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于包含如下步骤：/n步骤一：确定工作面的导水裂隙带高度，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，确定导水裂隙带高度，煤层开采后，导水裂隙带涉及了煤层上方的板砂岩含水层、天然隔水层和近地表富水性好的松散介质含水层；/n步骤二：确定工作面回采前进行压裂与注浆；/n步骤三：确定压裂与注浆层位，根据导水裂隙带涉及的顶板含水层的空间位置，在导水裂隙带顶部以下30-50m的岩层沿着地面水平定向钻孔轨迹施工定向钻孔进行压裂、注浆；/n步骤四：确定压裂与注浆平面范围及厚度；/n步骤五：顶板岩层水平孔水力压裂，通过施工地面水平分支孔，对岩层进行水力压裂，将原连续介质压裂成非连续性介质；/n步骤六：顶板岩层注浆，充填预裂裂隙和原生裂隙，将岩层改性为过水能力低的人工隔水层，大幅降低岩层的过水能力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：确定工作面的导水裂隙带高度，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，确定导水裂隙带高度，煤层开采后，导水裂隙带涉及了煤层上方的板砂岩含水层、天然隔水层和近地表富水性好的松散介质含水层；
步骤二：确定工作面回采前进行压裂与注浆；
步骤三：确定压裂与注浆层位，根据导水裂隙带涉及的顶板含水层的空间位置，在导水裂隙带顶部以下30-50m的岩层沿着地面水平定向钻孔轨迹施工定向钻孔进行压裂、注浆；
步骤四：确定压裂与注浆平面范围及厚度；
步骤五：顶板岩层水平孔水力压裂，通过施工地面水平分支孔，对岩层进行水力压裂，将原连续介质压裂成非连续性介质；
步骤六：顶板岩层注浆，充填预裂裂隙和原生裂隙，将岩层改性为过水能力低的人工隔水层，大幅降低岩层的过水能力。


2.如权利要求1所述的基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于：在步骤一中，根据该工作面的煤层采高以及覆岩类型，利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的表一确定导水裂隙带高度：
表一






其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m。


3.如权利要求1所述的基于钻探预裂与注浆改性的顶板水控制方法，其特征在于：在步骤四中，根据矿区实测岩层移动角或经验数据，确定采空区平面影响范围，根据岩层移动角经验数据75°，计算导水裂隙带宽度，以此确定压裂、注浆边界。


4.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春虎，薛建坤，王皓，王晓东，尚宏波，王强民，周振方，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61