一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法技术

本发明专利技术属于属于矿井防治水领域，更具体地说，本发明专利技术涉及一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法。相较于以往采用地面立孔进行顶板加固注浆、井下加固注浆或顶板含水层疏干开采等技术，本发明专利技术技术利用井上、下水文观测系统精准监测注浆区域薄层灰岩含水层水压水位，以此分析浆液的扩散半径及距离，及时调整注浆材料和注浆参数，实现注浆过程的精准控制，达到精准控制注浆半径和注浆效果。通过本发明专利技术的技术方案，实现覆盖范围广、防治水费用低的效果，使矿层顶板薄层灰岩含水层注浆改造成不含水层或弱含水层，实现安全掘进和回采的水害防治效果。该技术亦可应用于铁矿或非金属矿等受顶板薄层灰岩水害威胁的矿井，实现资源安全经济开采。

【技术实现步骤摘要】
一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法
本专利技术属于矿井防治水领域，更具体地说，本专利技术涉及一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法。
技术介绍
华北型煤田的部分矿区赋存着较稳定的四五灰薄层灰岩和本溪群徐家庄薄层灰岩含水层，部分矿区四五灰、徐灰与奥灰间距小(如肥城矿区、井陉矿区和黄河北煤田)或存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，致使二者之间水力联系密切，宏观上实为一个含水体。目前国内底板灰岩承压水治理较成熟的技术一般采用地面注浆站通过注浆管路和井下工作面注浆孔对底板灰岩预注浆，充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，把薄层灰岩中的水置换出去并实现切断水源补给通道，使受注含水层被改造为弱含水或不含水层，实现工作面不突水开采，取得了较好的效果，如山东肥城、河南焦作永城等矿区。但这种方法不足在于只针对煤层底板，且距煤层垂距一般大于15米。注浆以后也发生了多次出水。对于受顶板薄层灰岩威胁的矿层，如黄河北煤田的11煤，顶板为四五灰薄层灰岩含水层，且与底板含水层水力联系密切，由于顶板水与奥灰有水力联系，难以疏干，疏排水费用高、浪费地下水资源且经济上不合理，一直难以开采，造成资源呆滞，并且原注浆工艺注浆过程中由于没有水文孔或水文孔密度不足，造成注浆量难以控制，注浆效果差，尚未有直接项板灰岩注浆成功的先例。
技术实现思路
本专利技术要解决的是顶板薄层灰岩含水层疏干及注浆改造技术上的不能精准控制的不足，提供一种对顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：.一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，包括利用地面定向钻孔施工至矿层顶板薄层灰岩含水层[4]内，在定向钻孔中前进式注浆，注浆过程中通过注浆区域薄层灰岩含水层[4]水压水位来调整注浆压力、注浆材料参数。所述定向钻孔包括主孔[9]和分支孔[8]，主孔包括直孔段[1]、定向导斜段[2]和定向顺层段[3]，定向顺层段[3]和分支孔[8]均为裸孔且在矿层顶板薄层灰岩含水层[4]内定向钻进400～600m；各分支孔[8]端部间距为60m。所述精准注浆，是利用井上下水文观测钻孔[10]建立完善的水文观测系统，地面定向钻孔的主孔定向顺层段[3]或分支孔[8]注浆期间密切监测含水层[4]的水压水位变化，根据含水层[4]水压水位变化速率来调整注浆压力、注浆材料参数。所述完善的水文观测系统指利用地面或井下巷道施工井上或井下薄层灰岩含水层水文观测钻孔[10]，安装水压水位观测装置，实现水压水位电脑自动连续观测，主孔定向顺层段[3]和各分支孔[8]附近30～600m范围内应有相同含水层[4]水文观测孔[10]。所述注浆材料为单液水泥浆，浆液浓度在1.3g/ml～1.6g/ml。所述注浆参数根据地面定向钻孔注浆期间监测的含水层[4]水压水位变化速率及时调整。注浆最终压力为受注点静水压力的2～2.5倍，注浆扩散半径为40～60m。一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，包括如下步骤：(1)施工地面定向钻孔，所述的定向钻孔包括主孔及各分支孔，所述的主孔设有直孔段、定向导斜段和定向顺层段；主孔定向顺层段及分支孔均为裸孔且在顶板薄层灰岩内定向钻进400～600m。分支孔开孔在定向导斜段末端，与主孔在平面上组成扇形，分支孔端部间距为60米左右。(2)施工地面和井下水文观测孔。在拟改造含水层的扇形区域上部煤层或者岩层巷道中(垂距一般大于30米)提前施工水文观测孔，井下水文观测孔成十字线布置，每个水平孔区域内布置不少于3个顶板灰岩孔，区域外侧孔沿矿层走向不少于2个，倾向不少于2个；地面不少于2个孔，主要分布在拟改造的扇形区域浅部。(3)对注浆区域的水文监测。地面采用遥测系统、井下采用自动监测系统对注浆改造范围内含水层井上、下水文观测钻孔进行观测，监测和掌握含水层各区段水压、水位。(4)注浆过程的精准控制根据含水层水压水位变化速率来调整注浆压力、注浆材料等注浆参数，达到精准控制注浆半径和注浆效果。如注浆前期注浆段30～200m附近水文观测孔水压很快升至起始压力1.5倍以上时，钻孔水量将减小或出浆；通过调节水泥浆比重由稀到浓，先注比重1.3g/ml水泥浆，4小时后改为比重1.4g/ml水泥浆，终压前降档后调为比重1.5g/ml水泥浆，效果较好。若注浆超过48小时，附近水文观测钻孔水压水位变化小于观测孔初始水压的1.2倍，则调高水泥浆浓度到1.5g/ml；如单段注浆量大于1500吨，注浆孔口压力低于6Mpa，附近水文观测钻孔水压水位变化小于观测孔初始水压的1.2倍，将在水泥浆浓度1.5g/ml的同时添加骨料(如锯未、细沙等)进行注浆，以防止浆液跑远。最初注浆时由于水文观测系统不完善，对注浆过程控制程度差，最远达到520米以上，造成材料浪费。通过建立完善的水文观测系统，根据注浆压力及钻孔出浆情况，进行注浆过程的精准控制，有效的保证注浆质量的同时节约了注浆材料。(5)注浆材料及参数选取矿层顶板薄层灰岩含水层直接位于煤层顶板，为矿层开采的直接充水含水层，所以要求将顶板改造为不含水层或弱含水层，其注浆材料要求与底板注注浆不同，注浆材料以单水泥为主。顶板精准注浆改造时注浆最终压力须达到受注点水压的2～2.5倍(底板含水层为1.5倍)。经实验室模拟，含水层水压4MPa，精准注浆压力在10MPa以上扩散半径达40～60米。本专利技术的有益效果为：一、本专利技术方法将顶板强含水薄层灰岩改造成弱含水或不含水层，实现矿层的安全保水开采，具有明显的经济效益。二、本专利技术较传统的顶板灰岩含水层注浆改造和顶板水直接疏放工艺实现了注浆半径和注浆效果的精准控制，大大节约了防治水成本。三、采用此专利技术已在黄河北煤田取得成功，预计解放煤炭资源储量1.6亿吨，具有良好的经济效益及社会效益。附图说明下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：图1为本专利技术方法的定向注浆钻孔和井上下水文观测钻孔的平面布置示意图；图2是本专利技术方法的剖面示意图。图3是本专利技术方法实施过程中某矿井的水文观测系统水压水位观测数据图。图中，1-直孔段；2-定向导斜段；3-定向顺层段；4-顶板薄层灰岩含水层；5-矿层；6-底板薄层灰岩徐灰；7-奥陶系灰岩；8-分支孔，9-主孔，10-地面或井下水文观测孔。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。本专利技术一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，包括地面定向钻孔施工至矿层顶板薄层灰岩含水层[4]，地面定向钻孔注浆期间密切监测含水层[4]的水压水位变化，根据含水层[4]水压水位变化速率来调整注浆压力、注浆材料等注浆参数，达到精准控制注浆半径和注浆效果。定向钻孔包括主孔[9]和分支孔[8]，主孔包括直孔段[1]、定向导斜段[2]和定向顺层段[3]，定向顺层段[3]和分支孔[8]均为裸孔且在顶板薄层灰岩含水层[4]内定向钻进400～600m；各分支孔[8]端部间距约为60m。精准注浆，是利用井上、下水文观测钻孔[10]建立完善的水文观测系统，根据地面钻孔注浆期间监测的含水层[4]水压水位变化[图3]，调整注浆参数和注浆材料，实现了注浆由定性向定量的转变。注浆开始后附近水文观测孔[10]水压很快上升，说明灰岩联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，其特征在于：包括利用地面定向钻孔施工至矿层顶板薄层灰岩含水层[4]内，在定向钻孔中前进式注浆，注浆过程中通过注浆区域薄层灰岩含水层[4]水压水位来调整注浆压力、注浆材料参数。

【技术特征摘要】
1.一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，其特征在于：包括利用地面定向钻孔施工至矿层顶板薄层灰岩含水层[4]内，在定向钻孔中前进式注浆，注浆过程中通过注浆区域薄层灰岩含水层[4]水压水位来调整注浆压力、注浆材料参数。2.按照权利要求1所属的一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，其特征在于：定向钻孔包括主孔[9]和分支孔[8]，主孔包括直孔段[1]、定向导斜段[2]和定向顺层段[3]，定向顺层段[3]和分支孔[8]均为裸孔且在矿层顶板薄层灰岩含水层[4]内定向钻进400～600m；各分支孔[8]端部间距为60m。3.按照权利要求1所属的一种顶板薄层灰岩含水层精准注浆改造的方法，其特征在于：精准注浆，是利用井上下水文观测钻孔[10]建立完善的水文观测系统，地面定向钻孔的主孔定向顺层段[3]或分支孔[8]注浆期间密切监测含水层[4]的水压水位变化，根据含水层[4]水压水位变化速率来...

【专利技术属性】
技术研发人员：武善元，王凯，
申请(专利权)人：山东省邱集煤矿，
类型：发明
国别省市：山东,37