一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法

摘要

本发明公开了一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，该方法考虑采动过程中覆岩移动特征，通过目标含水层的空间位置、工作面开采尺寸、埋深及开采沉陷参数，确定采前含水层冻结帷幕的位置、厚度和冻结时间等参数；在冻结帷幕形成后进行工作面的回采；工作面回采完毕一定时间后，进行解冻恢复含水层的含水性。该方法简单易行，设计合理，可实现基于水资源保护的安全高效采煤，达到资源开采与生态环境保护相协调。

权利要求

1.一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，同时考虑采动过程中覆岩移动特征，其特征在于，包括以下步骤：第一步、获取目标工作面范围内的水文地质信息和基于采动过程中覆岩移动特征的工程技术参数，水文地质信息包括：目标含水层和隔水层的空间位置，目标含水层的补给、径流和排泄信息；工程技术参数包括：工作面长度L，基岩沿走向方向的移动角δ，上山方向移动角γ，下山方向移动角β，工作面中心线、工作面上端头、工作面下端头与含水层底边界垂直距离分别为H、H1、H2；

第二步、根据第一步中的地质信息和技术参数，确定目标含水层的冻结位置；

第三步、在所述目标含水层的冻结位置，布置冻结孔形成冻结帷幕，其中冻结孔的直径为150mm、冻结孔间距1.2～1.5m、帷幕宽度0.5～1.5m；

第四步、待冻结帷幕形成后开始在目标工作面范围内进行回采作业；

第五步、根据第一步中确定的地质信息和技术参数确定目标含水层的解冻时间，然后进行解冻；解冻后恢复含水层补给、径流条件自动恢复。

2.根据权利要求1所述的基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，其特征在于，第二步中目标含水层的冻结位置为：工作面推进方向上，冻结帷幕距离开切眼或收切眼水平距离 平行工作面方向上，冻结帷幕与工作面上端头水平距离 冻结帷幕与工作面下端头水平距离

3.根据权利要求1所述的基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，其特征在于，第三步中冻结孔的终孔深入到隔水层内部的深度应大于含水层厚度的1/4～1/3位置处，温度维持在-30℃～-35℃、初次冻结时间在48h以上。

4.根据权利要求1所述的基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，其特征在于，第五步中目标含水层解冻时机为：采区内第n个工作面在相邻 个工作面开采完毕后进行解冻，采区中最后开采的一个工作面在3个月后解冻。

说明书

一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种井工煤矿松散含水层下的保水开采方法，具体涉及一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，属于煤炭地下开采技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国煤炭资源战略转移和开采技术水平的不断提升，煤炭生产呈现大规模、高强度的开采模式。然而，忽略水资源的保护容易造成水土流失、土地荒漠化等一系列生态环境恶化问题，而破坏后的生态修复往往成本高且难度大。煤炭行业发展的新常态下，“煤炭生产模式必须转变为安全、高效、智能、绿色开采”，在煤炭开发过程中，必须以水资源承载力为基础约束之一，通过在开采过程中采取有效的保水措施以保证安全高效的开采。

[0003] 目前国内外对保水开采方法进行了很多的有益探索。主要关键技术为：(1)限高或分层开采技术，以降低导水裂隙带发育高度；(2)条带开采或房柱式开采等部分开采方法，通过留煤柱支撑覆岩减弱采动影响；(3)釆空区充填的方式来减少覆岩运移空间；(4)在注浆帷幕内疏干地下水再进行开采，从安全的角度防治水灾，但造成了水资源的流失且采后含水层失去含水功能。这些技术或存在资源回收率低、或开采效率低或水资源存在部分流失等问题。对于西部大型煤炭基地来说，如何实现基于水资源保护的高回收率、高效开采是煤炭行业亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，同时考虑采动过程中覆岩移动特征，可以有效阻隔周边地下水向开采范围涌入，减少保水过程中构筑物的使用，有利于回采结束后的恢复工作，保证回采工作进度。

[0005] 为了解决上述问题，本发明一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，同时考虑采动过程中覆岩移动特征，包括以下步骤：

[0006] 第一步、获取目标工作面范围内的水文地质信息和基于采动过程中覆岩移动特征的工程技术参数，水文地质信息包括：目标含水层和隔水层的空间位置，目标含水层的补给、径流和排泄信息；工程技术参数包括：工作面长度L，基岩沿走向方向的移动角δ，上山方向移动角γ，下山方向移动角β，工作面中心线、工作面上端头、工作面下端头与含水层底边界垂直距离分别为H、H1、H2；

[0007] 第二步、根据第一步中的地质信息和技术参数，确定目标含水层的冻结位置：工作面推进方向上，冻结帷幕距离开切眼或收切眼水平距离 平行工作面方向上，冻结帷幕与工作面上端头水平距离 冻结帷幕与工作面下端头水平距离

[0008] 第三步、在所述目标含水层的冻结位置，布置冻结孔形成冻结帷幕；

[0009] 第四步、待冻结帷幕形成后开始在目标工作面范围内进行回采作业；

[0010] 第五步、根据第一步中确定的地质信息和技术参数确定目标含水层的解冻时间，然后进行解冻；解冻后恢复含水层补给、径流条件自动恢复。

[0011] 进一步的，第三步中冻结孔的直径为150mm、冻结孔间距1.2～1.5m、帷幕宽度0.5～1.5m，且冻结孔的终孔深入到隔水层内部的深度应大于含水层厚度的1/4～1/3位置处，温度维持在-30℃～-35℃、初次冻结时间在48h以上。

[0012] 进一步的，采区内第n个工作面在相邻 个工作面开采完毕后进行解冻，采区中最后开采的一个工作面在3个月后解冻。

[0013] 进一步的，在第四步进行回采作业的同时对工作面和工作面影响范围内含水层水位进行监测。

[0014] 本发明与现有技术相比，其进步在于：(1)该冻结保水采煤方法根据矿井的地下水赋存情况，在开采范围内对含水层进行冻结，从而形成冻结墙体或者冻结圈层，使采后地下水能够迅速恢复至原有水平，保护水资源以及地表生态环境；(2)相较于现有技术，该方法减少了保水中构筑物的使用，利于实现回采结束后的恢复工作，极大降低开采对地下水的影响；(3)该方法施工过程不会对矿井的正常生产活动造成干扰，保证回采的工作进度；(4)尤其在高寒地区，可以在冬季进行冻结后回采，夏季进行解冻与含水层功能恢复，冻结效率高，且对水资源的径流、排泄条件及对生态的扰动小。

附图说明

[0015] 图1是本发明煤矿开采工作面范围内的冻结布置示意图；

[0016] 图2是图1中煤矿开采工作面切眼上方的冻结布置A-A向剖面；

[0017] 图中：1、冻结帷幕；2、冻结孔；3、工作面；4、等水位线；5、含水层；6、隔水层；7、煤层。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

[0019] 如图1和图2所示，一种基于含水层冻结的地下长壁工作面保水采煤方法，同时考虑采动过程中覆岩移动特征，包括以下步骤：

[0020] 第一步、获取目标工作面范围内的水文地质和基于采动过程中覆岩移动特征的工程技术参数，水文地质包括：目标含水层5和隔水层6的空间位置，目标含水层5的补给、径流和排泄信息；工程技术参数包括：工作面3长度L，基岩沿走向方向的移动角δ，上山方向移动角γ，下山方向移动角β，工作面3中心线、工作面3上端头、工作面3下端头与含水层底边界垂直距离分别为H、H1、H2；4为等水位线、7为煤层；

[0021] 第二步、根据第一步中的地质信息和技术参数，确定目标含水层的冻结位置：工作面推进方向上，冻结帷幕1距离开切眼或收切眼水平距离 平行工作面3方向上，冻结帷幕1与工作面3上端头水平距离 冻结帷幕1与工作面3下端头水平距离

[0022] 如图2所示，第三步、在所述目标含水层5的冻结位置，布置冻结孔2形成冻结帷幕1；

[0023] 第四步、待冻结帷幕1形成后开始在目标工作面范围内进行回采作业；

[0024] 第五步、根据第一步中确定的地质信息和技术参数确定目标含水层的解冻时间，然后进行解冻；解冻后恢复含水层补给、径流条件自动恢复。

[0025] 进一步的，第三步中冻结孔2的直径为150mm、冻结孔2间距1.2～1.5m、帷幕宽度0.5～1.5m，且冻结孔2的终孔深入到隔水层内部的深度应大于含水层厚度的1/4～1/3位置处，温度维持在-30℃～-35℃、初次冻结时间在48h以上。

[0026] 进一步的，采区内第n个工作面在相邻 个工作面开采完毕后进行解冻，采区中最后开采的一个工作面在3个月后解冻。

[0027] 进一步的，在第四步进行回采作业的同时对工作面和工作面影响范围内含水层水位进行监测。

[0028] 下面以具体实施例对本发明做详细解释。

[0029] 以中国西北某矿为例，第一步，获取目标工作面范围内的水文地质信息和基于采动过程中覆岩移动特征的工程技术参数，含水层位于第四季松散沙层下部，为砂砾岩空隙含水层，含水层厚度平均12m，富水性中等偏弱，主要为季节性天然冰雪融水补给，无地表径流及水体，为相对独立、封闭、整体为贫水的水文地质单元；工程技术参数：工作面长度120m，采高5m，基岩沿走向方向的移动角δ＝73°，上山方向移动角γ＝69°，下山方向移动角β＝72°，工作面中心线、工作面上端头、工作面下端头与含水层底边界垂直距离分别为H＝
158m、H1＝122m、H2＝176m；

[0030] 第二步，根据第一步中的地质信息和技术参数，确定目标含水层的冻结位置：工作面推进方向上，冻结帷幕距离开切眼或收切眼水平距离 平行工作面方向上，冻结帷幕与工作面上端头水平距离 冻结帷幕
与与工作面下端头水平距离

[0031] 第三步，在所述目标含水层的冻结位置，布置冻结孔形成冻结帷幕：冻结位置处，设置直径为150mm的冻结孔群、冻结孔间距为1.5m、帷幕宽度0.5～1.5m、冻结孔底端深入到隔水层内部5m的位置、冻结孔内冷凝介质为盐水，温度维持在-30℃～-35℃、初次冻结时间在48h以上；

[0032] 第四步，待冻结帷幕形成后开始在目标工作面范围内进行回采作业，同时对工作面和工作面影响范围内含水层水位进行监测；

[0033] 第五步，工作面应其后顺序接替第三个工作面回采完毕后进行解冻，采区中最后开采的一个工作面在三个月后解冻；解冻后恢复含水层补给、径流条件自动恢复。