多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法技术

本发明专利技术公开一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，适用于煤炭资源开采过程中的水资源保护。针对煤系地层含水层与隔水层确定注浆靶区位置与类型，针对不同类型靶区设计注浆时机、浆液类型，最终采用多段分级注浆工艺实现不同类型靶区的封堵，计算煤层开采过程中裂隙发育高度、覆岩渗透率，根据含水层、隔水层的空间叠置关系，确定隔水层缺失注浆靶区、裂隙未弥合注浆靶区的位置；结合靶区垂向和横向展布特征布置钻孔，进行多个注浆靶点三级注浆，实现多靶点不同尺度裂隙的封堵，再造采动覆岩隔水层。该方法有效治理地下水资源流失问题，不但提高了煤层开采的安全性，而且大大提高了煤炭的采出率。煤炭的采出率。煤炭的采出率。

【技术实现步骤摘要】
多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法


[0001]本专利技术涉及一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，适用于煤系地层水资源保护，属于采矿工程


技术介绍

[0002]煤炭开采过程中，上覆岩层产生移动和破断，采动覆岩形成了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中，裂隙带由下至上沿着岩层界面呈阶梯状增长特征。在现有高强度煤层开采条件下，裂隙导升高度较高，极易穿过上覆隔水层与含水层，造成矿井涌突水，地下水资源流失，甚至造成地表生态破坏。
[0003]现有研究表明采动裂隙导升高度与煤层开采厚度有较大关联，开采厚度越大，裂隙导升高度越高。因此，目前主要采用分层开采、限高开采、充填开采等方法，通过减小等效的开采厚度，抑制导水裂隙发育高度，从保护隔水层完整性角度出发减少水资源流失。然而，针对隔水层厚度较小的区域、以及隔水层距离煤层较近的区域，现有开采方法不但不能实现水资源保护，而且造成大量煤炭资源滞留地下。
[0004]现有渗透注浆技术主要适用于围岩加固、局部区域堵水，主要采用水泥、水玻璃等注浆材料，一方面浆液凝结速度快，粘度在几小时之内迅速增加至数千毫帕秒，另一方面注浆材料的大量颗粒直径超过0.05毫米，难以通过直径为0.15毫米的孔隙和宽度为0.15毫米的裂隙。因此，采用现有注浆材料与注浆工艺，难以实现采动覆岩微孔隙、微裂隙的封堵，隔水层人工再造效果很差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足之处，提供多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，可以实现煤炭资源的水资源保护性开采。
[0006]为达到以上目的，本专利技术的一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其步骤如下：
[0007]步骤一、基于煤系地层水文地质调查资料，确定矿区地层中是否存在粘土隔水层、泥岩隔水层，若存在则继续确认表土层、砂层潜水含水层、粘土隔水层、裂隙砂岩或灰岩含水层、泥岩或粉砂岩隔水层、煤层的厚度与层间距信息，然后根据煤层开采厚度确定裂隙带、采动裂隙的采动裂隙导升高度，推断出潜在涌突水区域、突水区域的裂隙透水能力，并通过粘土隔水层、泥岩隔水层的厚度确定出注浆靶区，注浆靶区位置位于砂层潜水含水层的下部到粘土隔水层的顶部之间，一级裂隙砂岩或灰岩含水层的下部到泥岩或粉砂岩隔水层的顶部之间；
[0008]步骤二、调配适用于矿区动水注浆、多尺度孔隙与裂隙堵水的三种不同的混合注浆浆液，包括：水泥
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水玻璃浆液、粘土
‑
水泥浆液、凝胶浆液，之后将水泥
‑
水玻璃浆液装入水泥
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水玻璃浆液罐，粘土
‑
水泥浆液装入土
‑
水泥浆液罐，凝胶浆液装入凝胶浆液罐；
[0009]步骤三、根据三种不同的混合注浆浆液的粘度、地层孔隙度与渗透率、注浆压力、
注浆钻孔半径，确定单孔浆液扩散半径R，并确认矿区地层中地下水层与隔水层分布；
[0010]步骤四、在煤系地层地表垂直向靶区间隔布置多个注浆钻孔，注浆钻孔贯穿不同深度的多个注浆靶区，注浆钻孔位置在平面上采取交错排状布置，一方面避免注浆区域重叠而增加成本，另一方面也保证靶区的全面封堵；
[0011]步骤五、根据煤层开采的时间进行注浆，在煤层开采前30天对隔水层缺失注浆靶区进行注浆，保证采煤过程中隔水的作用，在煤层采后30天对裂隙未弥合注浆靶区，保证采动覆岩中的部分裂隙在应力恢复作用下弥合，以较少钻孔实现多个靶区有效封堵；
[0012]步骤六、使用注浆器对注浆钻孔中不同深度进行注浆，所述注浆器包括内部空心的注浆管柱，注浆管柱的顶部通过管路分别与水泥
‑
水玻璃浆液罐、粘土
‑
水泥浆液罐、凝胶浆液罐连接，注浆管柱的低端密封，靠近注浆管柱的低端的侧面设有多个出浆口，注浆管柱的出浆口上下端分别设有封隔器，从而使出浆口的浆液只能在封隔器允许的宽度向注浆钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，封隔器的宽度与待注浆的地层厚度匹配；利用注浆管柱的出浆口移动到注浆靶区位置后进行注浆，只在注浆靶区所在的注浆层位向钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，在每个注浆靶区均利用三种混合注浆浆液实施三级段塞注浆，三级段塞注浆由下至上实施，一级段塞注入水泥
‑
水玻璃浆液、二级段塞注入粘土
‑
水泥浆液、三级段塞注入凝胶浆液；修复隔水层缺失段或封堵采动未弥合裂隙，从而实现了采动覆岩隔水层的人工再造。
[0013]进一步，粘土隔水层、泥岩隔水层均为隔水层，隔水层厚度小于5m的靶区界定为隔水层缺失注浆靶区，隔水层厚度大于5m但煤层开采后裂隙未弥合的靶区界定为裂隙未弥合注浆靶区；针对隔水层实施的三级段塞注浆，其中若隔水层较少，则可以不进行一级段塞注浆，只进行二级段塞和三级段塞的注浆。
[0014]进一步，三级混合注浆材料以段塞的形式通过注浆管柱匹配封隔器逐级在注浆钻孔中注入不同的靶区地层，一级段塞注入靶区底部2～4m厚度范围，之后依次向上实施二级和三级段塞，从而注入靶区的整个厚度范围，二级段塞和三级段塞的浆液注入厚度大于5m；
[0015]注浆是当注浆流量下的注浆压力高于8MPa后结束当前段塞位置的注浆，各级段塞注入量为：
[0016]N
qi
＝Q
i
T
i
[0017]式中，N
qi
为第i级段塞注入量，Q
i
为注浆速率，T
i
为第i级段塞初凝时间。
[0018]进一步，考虑对潜水层和承压水层两种水资源进行保护，针对粘土隔水层厚度小于5m或没有粘土隔水层的区域，确定厚度在5m～8m范围的泥岩隔水层为隔水层缺失注浆靶区；针对粘土隔水层、泥岩隔水层渗透率与厚度乘积高于10mD
·
m的区域，mD为渗透率单位，毫达西，确定度厚在5m～8m范围的泥岩隔水层为裂隙未弥合注浆靶区。
[0019]进一步，步骤一中，采动裂隙导升高度通过下式计算：
[0020][0021]式中，H
d
为采动裂隙导升高度，a、b为系数，M为煤层开采厚度，M1为开采厚度小于3m的部分煤层，系数a、b具体针对不同采煤方法、不同地层岩石类型根据经验或实际数据拟合获得。
[0022]进一步，步骤二中，确定了应力恢复作用下孔隙型、裂隙型地层渗透率的计算公式：
[0023]k＝k0e
‑
γσ
[0024]式中，k为渗透率，γ为渗透率模量，σ为有效应力恢复值，k0为应力未恢复时的渗透率，k0的计算公式为：
[0025][0026]式中，φ
m
为孔隙型地层孔隙度，r
a
为地层平均孔隙半径；φ
f
为裂隙型地层孔隙度，h
a
为平均裂隙半宽。
[0027]进一步，步骤三中，通过浆液粘度、地层孔隙度与渗透性、注浆设备耐压能力，确定每个钻孔浆液扩散半径R的具体过程为：
[0028][0029]式中，R为单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于步骤如下：步骤一、基于煤系地层水文地质调查资料，确定矿区地层中是否存在粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)，若存在则继续确认表土层(1)、砂层潜水含水层(2)、粘土隔水层(3)、裂隙砂岩或灰岩含水层(4)、泥岩或粉砂岩隔水层(5)、煤层(6)的厚度与层间距信息，然后根据煤层开采厚度确定裂隙带(8)、采动裂隙(9)的采动裂隙导升高度，推断出潜在涌突水区域、突水区域的裂隙透水能力，并通过粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)的厚度确定出注浆靶区，注浆靶区位置位于砂层潜水含水层(2)的下部到粘土隔水层(3)的顶部之间，一级裂隙砂岩或灰岩含水层(4)的下部到泥岩或粉砂岩隔水层(5)的顶部之间；步骤二、调配适用于矿区动水注浆、多尺度孔隙与裂隙堵水的三种不同的混合注浆浆液，包括：水泥
‑
水玻璃浆液、粘土
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水泥浆液、凝胶浆液，之后将水泥
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水玻璃浆液装入水泥
‑
水玻璃浆液罐(12)，粘土
‑
水泥浆液装入土
‑
水泥浆液罐(13)，凝胶浆液装入凝胶浆液罐(14)；步骤三、根据三种不同的混合注浆浆液的粘度、地层孔隙度与渗透率、注浆压力、注浆钻孔半径，确定单孔浆液扩散半径R，并确认矿区地层中地下水层与隔水层分布；步骤四、在煤系地层地表垂直向靶区间隔布置多个注浆钻孔(21)，注浆钻孔(21)贯穿不同深度的多个注浆靶区，注浆钻孔(21)位置在平面上采取交错排状布置，一方面避免注浆区域重叠而增加成本，另一方面也保证靶区的全面封堵；步骤五、根据煤层开采的时间进行注浆，在煤层开采前30天对隔水层缺失注浆靶区(10)进行注浆，保证采煤过程中隔水的作用，在煤层采后30天对裂隙未弥合注浆靶区(11)，保证采动覆岩中的部分裂隙在应力恢复作用下弥合，以较少钻孔实现多个靶区有效封堵；步骤六、使用注浆器对注浆钻孔(21)中不同深度进行注浆，所述注浆器包括内部空心的注浆管柱(19)，注浆管柱(19)的顶部通过管路分别与水泥
‑
水玻璃浆液罐(12)、粘土
‑
水泥浆液罐(13)、凝胶浆液罐(14)连接，注浆管柱(19)的低端密封，靠近注浆管柱(19)的低端的侧面设有多个出浆口，注浆管柱(19)的出浆口上下端分别设有封隔器(20)，从而使出浆口的浆液只能在封隔器(20)允许的宽度向注浆钻孔(21)侧壁中的孔隙与裂隙注浆，封隔器(20)的宽度与待注浆的地层厚度匹配；利用注浆管柱(19)的出浆口移动到注浆靶区位置后进行注浆，只在注浆靶区所在的注浆层位向钻孔侧壁中的孔隙与裂隙注浆，在每个注浆靶区均利用三种混合注浆浆液实施三级段塞注浆，三级段塞注浆由下至上实施，一级段塞注入水泥
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水玻璃浆液、二级段塞注入粘土
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水泥浆液、三级段塞注入凝胶浆液；修复隔水层缺失段或封堵采动未弥合裂隙，从而实现了采动覆岩隔水层的人工再造。2.根据权利要求1所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：粘土隔水层(3)、泥岩隔水层(5)均为隔水层，隔水层厚度小于5m的靶区界定为隔水层缺失注浆靶区(10)，隔水层厚度大于5m但煤层开采后裂隙未弥合的靶区界定为裂隙未弥合注浆靶区(11)；针对隔水层实施的三级段塞注浆，其中若隔水层较少，则可以不进行一级段塞注浆，只进行二级段塞和三级段塞的注浆。3.根据权利要求2所述的多段分级注浆再造采动覆岩隔水层方法，其特征在于：三级混合注浆材料以段塞的形式通过注浆管柱(19)匹配封隔器(20)逐级在注浆钻孔(21)中注入不同的靶区地层，一级段塞注入靶区底部2～4m厚度范围，之后依次向上实施二级和三级段塞，从而注入靶区的整个厚度范围，二级段塞和三级段塞的浆液注入厚度大于5m；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴永辉，马立强，于坤鹏，许玉军，翟江涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：