一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。本发明专利技术方法提供了一种新的保水开采方法，针对浅埋高强度开采煤层，在不减少资源采出的基础上，通过对于覆岩破坏规律的研究，提出了一种先利用冻结法封堵再利用注浆法修复的保水开采方法。相较于直接进行注浆，本发明专利技术不但减少了在采动期间对含水层的破坏，而且还利用覆岩的自修复过程减少注浆量降低了成本，是一种适用于我国西部矿区的保水开采方法。保水开采方法。保水开采方法。

【技术实现步骤摘要】
一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种浅埋煤层的保水开采方法及其应用，属于煤炭开采领域。

技术介绍

[0002]目前，保水开采目标是通过控制导水裂隙带发育高度，避免或减少开采对含水层的破坏。其中常用的是充填开采和部分开采，部分开采又包括限高开采、分层开采、条带开采和预留煤柱等。充填开采是一种置换型开采，煤炭采出后将其他材料充入开采空间，常用的有利用矸石、粉煤灰以及其他材料等制作成固态、膏体状或液态的材料，按照一定比例混合后对采空区进行充填，以降低覆岩破坏高度；部分开采则是通过减少煤炭采出量，保留一部分煤炭用于支撑开采空间，避免或降低覆岩破坏高度的一种资源损失型减损开采方法，常用降低采高、分层开采或是预留煤柱等方法降低开采对于覆岩的破坏程度。但充填或部分开采方法不适用于西部矿区实际开采要求。充填开采的充填量直接与减损效果成正比，西部矿区大范围充填成本巨大，小范围充填又很难达到控制效果，而部分开采又带来煤炭低采出率和低效率的问题，因此均难以适用西部保水开采。基于此，亟需探索出适用于西部矿区的保水开采方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种浅埋煤层的保水开采方法，通过对导水裂隙进行冻结封堵和注浆修复，在最大程度上减少开采对于含水层的破坏，在确保资源最大回收率的基础上，实现煤炭开采及水资源保护的协调发展。
[0004]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：
[0005]S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；
[0006]S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；
[0007]S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。
[0008]根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤S2包括：
[0009]2A获取地表裂缝的宽度及分布数据；
[0010]2B确定覆岩中导水裂缝位置；
[0011]2C划定封堵区域。
[0012]西部矿区多为浅埋煤层，煤炭开采时覆岩无法形成“三带”，导水裂隙带大多直接到达地表，对含水层造成极大破坏。研究表明，浅埋煤层开采时，覆岩受采动影响会出现“上行裂隙”与“下行裂隙”。“上行裂隙”是由采动后顶板垮落和离层下沉形成的自下而上发育的导水裂隙带，“下行裂隙”则是由隔水岩组下沉作用而产生的自上而下发育的拉伸裂隙。其中，“上行裂隙”和“下行裂隙”均在开采边界处较为集中且发育高度较大，这就导致二者容易导通进而破坏含水层。又因西部矿区松散层多为风积沙覆盖层，“下行裂隙”通常会连通松散层形成地表裂缝。由于是浅埋煤层导水裂缝通常与地表裂缝联通，因此将地表主裂
缝位置视为导水裂隙位置。地表主裂缝的评判标准：长度大于100m或宽度大于20cm的地表裂缝通常为贯通裂缝，即被视为主裂缝。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，所述步骤S3包括：
[0014]3A在划定的封堵区域打冻结孔；
[0015]3B将冻结管送入冻结孔中，在冻结管中安装冻结器；
[0016]3C向冻结管中加入盐水，使盐水在冻结器附近冻结形成冻结壁。
[0017]根据本专利技术的优选实施方式，所述冻结孔的数量根据裂缝的长度和宽度确定，冻结管的冻结半径在5-10m，冻结管数量应确保地表主裂缝均在冻结范围内。
[0018]根据本专利技术的优选实施方式，所述冻结孔的底部位于含水层和隔水层之间。如果冻结孔的底部位于含水层可能会无法封堵导水裂隙，位于隔水层会降低封堵效率。
[0019]根据本专利技术的优选实施方式，所述冻结器安装在冻结管的底部，冻结管的管体需要填充隔温材料，隔温材料一般为聚苯乙烯泡沫塑料。
[0020]根据本专利技术的优选实施方式，冻结孔的深度位于含水层与隔水层之间，并且在冻结管的底部安装冻结器，对临近隔水层的含水层进行冻结，在最小消耗的基础上达到了最好的冻结效果，能够更高效地封堵导水裂隙。
[0021]根据本专利技术的优选实施方式，步骤3C中，向冻结管中加入浓度20％以上的盐水(氯化钙CaCl2溶液)，盐水在冻结管中流动，通过冻结器在冻结孔底部和附近使含水层冻结形成冻结壁，从而达到封堵导水裂隙的目的，防止含水层中的地下水渗透的采空区。
[0022]根据本专利技术的优选实施方式，步骤3C中的盐水为低温盐水，温度为-20～-30℃。
[0023]使用冻结法只能够临时封堵导水裂隙，为了防止解冻后导水裂隙再度渗流，应在冻结期对隔水层进行修复。
[0024]根据本专利技术的优选实施方式，所述步骤S4包括：
[0025]4A在冻结孔的基础上打注浆孔，注浆孔的底部位于隔水层；
[0026]4B将浆液注入到注浆孔中，进而进入到覆岩的导水裂隙中，实现对隔水层的导水裂隙的修复。
[0027]根据本专利技术的优选实施方式，注浆孔的孔径和冻结孔一样大。
[0028]根据本专利技术的优选实施方式，注浆孔的深度位于隔水层内，可将浆料注入到导水裂隙中，实现对隔水层的永久性修复，优选注浆孔的底部位于隔水层中部。
[0029]注浆液一般为水泥浆，根据地质条件也可加入水玻璃或粘土。
[0030]注浆量通过下式计算：
[0031]Q＝λπR2Hηβ/m
[0032]式中：Q
--
注入量m
3；
[0033]R
--
浆液扩散半径m；
[0034]H
--
注浆段高m；
[0035]η
--
岩层裂隙率％；
[0036]β
--
注浆有效充填系数％；
[0037]m
--
结石率；
[0038]λ
--
注液损失系数。
[0039]根据本专利技术的优选实施方式，步骤S4中对工作边缘的导水裂隙进行修复。
[0040]在开采过程中，随着顶板的垮落，导水裂隙就会沿着工作面边缘向上发育。之后工作面不断向前推进，推进方向上会产生新的导水裂隙，但与此同时采空区内部的裂隙随着工作面的前移在不同程度上有所闭合，尤其是当工作面的推进速度足够快时，破断岩块与工作面一侧未断岩层在断面下端铰接并挤压闭合，恢复隔水层的隔水作用。
[0041]因此将覆岩裂隙分为工作面中部和工作面边缘两种类型，其中工作面边缘的导水裂隙在经过冻结之后需要及时使用注浆法修复，确保解冻后导水裂隙不会再次发生渗漏；工作面中部的导水裂隙则先经过冻结预防前期渗水，之后根据后续水位监测和工作面内的渗水量判断，当渗水量超过警戒阈值时，在渗水位置进行注浆修复。
[0042]根据本专利技术的一些实施方式，所述浅埋煤层的保水开采方法还包括如下步骤：
[0043]S1确定开采区域含水层、隔水层和覆岩结构数据。
[0044]根据本专利技术的优选实施方式，通过水文地质勘察确定开采区域的地质条件，确定开采区域含水层、隔水层和覆岩结构数据，具体包括含水层分布及补给、隔水层分布情本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种浅埋煤层的保水开采方法，包括如下步骤：S2通过地表裂缝确定覆岩中导水裂隙位置，划定封堵区域；S3利用冻结法在划定的封堵区域封堵导水裂隙；S4通过注浆法对隔水层的导水裂隙进行修复。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：2A获取地表裂缝的宽度及分布数据；2B确定覆岩中导水裂缝位置；2C划定封堵区域。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：3A在划定的封堵区域打冻结孔；3B将冻结管送入冻结孔中，在冻结管中安装冻结器；3C向冻结管中加入盐水，使盐水在冻结器附近冻结形成冻结壁。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述冻结孔的数量根据裂缝的长度和宽度确定；和/或，所述冻结孔的底部位于含水层和隔水层之间。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全生，张凯，郭俊廷，贺安民，段伟，杨明浩，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院国家能源投资集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：