基于地层勘探的采空区灾害治理方法技术

本发明专利技术涉及基于地层勘探的采空区灾害治理方法，首先进行补充勘探以确定各地层的厚度、埋深、密度和力学参数，以及关键层位置、破断距、采后位置和垮落带岩层原始厚度。基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，然后计算基本顶理论下沉值，基于两者差值创造性的提出了采空区等效残余采高的概念，并基于条带开采理念认为采空区无需全区域处理，仅部分处理即可。创造性的结合关键层破断距和破断位置确定注浆区域位置以及注浆充填宽度，并给出了控制层的确定方式。基于此确定的注浆钻孔布置方案，可以减小钻孔施工量、注浆充填量，节约成本与时间。间。间。

【技术实现步骤摘要】
基于地层勘探的采空区灾害治理方法


[0001]本专利技术涉及地质勘探与采空区灾害治理领域，具体为一种基于地层勘探的采空区灾害治理方法。

技术介绍

[0002]煤矿井采空区是常见的矿井灾害，采用自地面施工的注浆钻孔向采空区内灌注充填性浆体是采空区灾害最常见的治理方式，但是现有技术中在注浆充填时注浆钻孔常常基于固定的间距布置于整个采空区，未考虑采空区内垮落岩石的状态，导致注浆钻孔施工量大，整个灾害处理的工程量大、效率低、费用高；可以预见的是，这种情况在面临较大采空区时问题会更加严重。此外，煤矿层开采过程中产生的煤矸石、火电厂燃煤发电产生的粉煤灰的堆积物会对地下水造成污染，扬尘会对空气造成污染，对这两种固体废弃物的处理也势在必行。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术提出基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于采空区内不包含区段煤柱，尤其是采用沿空留巷方式回采后的采空区，包括如下步骤：
[0004]S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；位于边界煤柱上的补充勘探钻孔采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；
[0005]优选的，步骤S1中的力学试验还包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；
[0006]S2，位于采空区上方的补充勘探钻孔，终孔钻进至煤矿层的垮落带，并勘探出各关键层的标高位置，并对各关键层的倾向破断位置进行确定和校核；
[0007]优选的，步骤S2中，基于步骤S1确定的关键层原始位置、煤层厚度、垮落带特征，初步估算出各关键层在采空区上方的大体位置，当位于采空区上方的补充勘探钻孔钻进至各关键层上下处时采用取芯钻进工艺。
[0008]S3，将采空区内相邻关键层之间的间距与原始间距进行比较，若某两层相邻关键层在采空区内的间距大于原始间距，则在这两层相邻的关键层之间存在离层；
[0009]S4，拟合出沿采空区倾向的基本顶位置曲线，其中边界煤柱和采空区上部的基本顶标高分别为H1、H2，令C1＝H1‑
H2即可得采空区上部的基本顶实际下沉值；
[0010]S5，确定基本顶的理论下沉值C2；
[0011]可以通过物理模拟、数值模拟或者理论计算确定，作为优选的，本专利技术提出一种具有创造性的确定方法，具体的：将Salamon提出的垮落带破碎岩体受力与变形关系公式
[0012][0013]转化为变形与受力关系公式
[0014][0015]其中
[0016][0017][0018]据此确定垮落带破碎岩体的理论压缩量即其上位基本顶的理论下沉值为C2＝εH
k
，垮落带在垂直方向上的应变之和即为垮落带的累计压缩量，为简化计算此处C2由垮落带垂直方向中心处的应变ε与垮落带高度H
k
的乘积近似求得垮落带破碎岩体的理论压缩量；
[0019]式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，可根据上覆地层的各层厚度与密度确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；ε
m
为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，可近似取垮落带内各岩层的平均值；H
k
为垮落带破碎岩体初始厚度；
[0020]S6，将基本顶的理论下沉值C2与实际下沉值C1做差可得等效残余采，在满足地表残余沉陷控制需求的前提下，采用概率积分法或者通过数值模拟，确定在该等效采高下，按照条带开采方式时的多组条带采宽与条带留宽，且条带采宽与条带留宽之和等于导水裂隙带上方的某一关键层破断距，同时条带留宽不小于30m，选择满足上述需求的最下部的关键层作为控制层；条带留宽对应采空区注浆区域宽度，条带采宽对应采空区非注浆区域宽度；
[0021]S7，选择控制层的各破断块体的中部作为注浆区域，在注浆区域宽度边界施工帷幕孔，在注浆区域内部施工注浆孔；在帷幕孔和注浆孔钻进至步骤S3确定的离层时，注入粉煤灰、水泥与水拌合的浆体，离层充满后向下延伸帷幕孔和注浆孔至垮落带；首先通过帷幕孔注入粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥与水拌合的浆体至采空区，然后通过注浆孔注入粉煤灰和/或将煤矸石粉碎成的煤矸石粉与水拌合的浆体至采空区。
[0022]优选的，帷幕孔施工于注浆区域内部且靠近边界，距边界的距离等于帷幕孔的浆液扩散半径确定。
[0023]有益效果：本专利技术涉及基于地层勘探的采空区灾害治理方法，首先进行补充勘探以确定各地层的厚度、埋深、密度和力学参数，据此进一步确定覆岩中的关键层位置及破断距、基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；同时还勘探出各关键层的采后埋深，并校核关键层破断位置。基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，然后采用Salamon变化模型计算基本顶理论下沉值，基于两者差值创造性的提出了采空区等效残余采高的概念，并基于条带开采理念认为采空区无需全区域处理，仅部分处理即可。创造性的结合关键层破断距和破断位置确定注浆区域位置以及注浆充填宽度，并给出了控制层的确定方式。基于此确定的注浆钻孔布置方案，可以减小钻孔施工量、
注浆充填量，节约成本与时间；此外还提出了采空区离层确定方式及处理方法，最后采用粉煤灰和将煤矸石粉碎成的煤矸石粉作为注浆材料，消耗了固体废弃物。
附图说明
[0024]图1是本专利技术地层勘探的补充探测线布置示意图；
[0025]图2是本专利技术地层勘探的补充勘探钻孔布置剖面示意图；
[0026]图3是本专利技术采空区灾害治理的注浆钻孔布置剖面示意图；
[0027]图中：采空区1、边界煤柱2、补充探测线3、补充探测钻孔4、垮落带5、帷幕孔6、注浆孔7，注浆区域/留设条带8，非注浆区域/开采条带9。
具体实施方式
[0028]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术的技术方案进行更为详细的描述。
[0029]如图1
‑
3所示，基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于采空区内不包含区段煤柱，尤其是采用沿空留巷方式回采后的采空区，包括如下步骤：
[0030]S1，沿采空区1倾向布置1条补充勘探线3，补充勘探线3上间隔施工有补充勘探钻孔4；位于边界煤柱2上的补充勘探钻孔4，采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱2一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、埋深/标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度(垮落带岩层是指位于基本顶与煤层之间的岩层)；
[0031]S2，位于采空区1上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于地层勘探的采空区灾害治理方法，用于无煤柱开采采空区，包括如下步骤：S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；位于边界煤柱上的补充勘探钻孔采用取芯钻进工艺，终孔穿过边界煤柱一定深度，取芯后确定各岩层及煤层的厚度、标高和密度，并将取芯岩块做成标准试样，通过力学试验测出各岩层及煤层的力学参数，据此确定覆岩中的关键层位置及破断距，其中最下部的关键层为基本顶，确定基本顶原始位置和垮落带岩层原始厚度；S2，位于采空区上方的补充勘探钻孔，终孔钻进至煤矿层的垮落带，并勘探出各关键层的标高位置，并对各关键层的倾向破断位置进行确定和校核；S3，将采空区内相邻关键层之间的间距与原始间距进行比较，若某两层相邻关键层在采空区内的间距大于原始间距，则在这两层相邻的关键层之间存在离层；S4，拟合出沿采空区倾向的基本顶位置曲线，其中边界煤柱和采空区上部的基本顶标高分别为H1、H2，令C1＝H1‑
H2即可得采空区上部的基本顶实际下沉值；S5，确定基本顶的理论下沉值C2；S6，将基本顶的理论下沉值C2与实际下沉值C1做差可得等效残余采，在满足地表残余沉陷控制需求的前提下，采用概率积分法或者通过数值模拟，确定在该等效采高下，按照条带开采方式时的多组条带采宽与条带留宽，且条带采宽与条带留宽之和等于导水裂隙带上方的某一关键层破断距，同时条带留宽不小于30m，选择满足上述需求的最下部的关键层作为控制层；条带留宽对应采空区注浆区域宽度，条带采宽对应采空区非注浆区域宽度；S7，选择控制层的各破断块体的中部作为注浆区域，在注浆区域宽度边界施工帷幕孔，在注浆区域内部施工注浆孔；在帷幕孔和注浆孔钻进至步骤S3确定的离层时，注入粉煤灰、水泥与水拌合的浆体，离层充满后向下延伸帷幕孔和注浆孔至垮...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓，李志源，牟宗阳，耿国锐，
申请(专利权)人：山东省煤田地质局第三勘探队，
类型：发明
国别省市：