一种煤炭开采离层水害防治方法

摘要

本发明提供一种煤炭开采离层水害防治方法，涉及矿井地质技术领域，一种煤炭开采离层水害防治方法，包括以下步骤：煤炭开采前获取采矿和地质参数；煤炭开采前设计定向钻孔实施区域；实施定向钻孔并进行射孔；射孔后进行射孔注浆；射孔注浆后进行封孔注浆；定向钻孔封孔后在地面实施含水层观测孔；煤炭开采并依据含水层观测开展排水和补充注浆；煤炭开采完成未发生离层水害。该方法简单易实施；对环境影响小；可以降低矿井涌水量，减少排水负担，安全性更高；注浆浆液数量和价格更低，经济合理。

权利要求

1.一种煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)煤炭开采前获取采矿和地质参数：通过模拟实验获得煤炭开采的周期来压步距D，通过钻孔柱状图获得煤层以上各岩层的厚度，通过取样测试获取煤层以上各岩层的单轴抗压强度；

2)煤炭开采前设计定向钻孔实施区域：通过步骤1)记录煤层以上岩层中厚度大于等于

20米，且与下面相邻岩层的单轴抗压强度差值最大的岩层L；定向钻孔实施层位在岩层L的底板以上1～3米，相邻的定向钻孔之间间距小于等于20米，最外面的两个定向钻孔距离采煤工作面两条巷道在实施层位的水平投影的3～5米范围内；

3)实施定向钻孔并进行射孔：依据步骤2)设计进行定向钻孔施工，并在实施层位进行射孔；

4)射孔后进行射孔注浆：射孔后进行注浆，注浆浆液成分为黄土浆液和微生物浆液，两者的质量比为2～3:1，所述微生物浆液由微生物菌液和营养液组成，所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌液，所述营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为2～3:1；

5)射孔注浆后进行封孔注浆：封孔注浆材料由缓释胶囊、水泥和玻璃纤维管组成，所述缓释胶囊内为营养液，所述玻璃纤维管内为微生物菌液和营养液的混合物，并用聚氨酯封堵，所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌液，所述营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为1:1～2；

6)定向钻孔封孔后在地面实施含水层观测孔：定向钻孔封孔后，在地面施工含水层观测孔，观测层位是岩层L以上的含水层，观测孔中埋设水位观测设备，水位监测的频率为1‑

10h/次，观测孔沿着采煤工作面走向布置，每个煤炭开采周期来压步距D范围内布置1个钻孔；

7)煤炭开采并依据含水层观测开展排水和补充注浆：观测孔实施完成后，进行煤炭开采，煤炭开采到每次周期来压范围内，对该范围内的观测孔进行观测，若观测孔观测到的水位持续下降，则在观测孔旁边实施补充注浆孔，补充注浆孔揭露离层时停止钻探，先抽取离层中的水，抽水量下降到最大抽水量的10％～30％停止抽水，注入水泥浆液，注入水泥浆液直至观测孔水位不再下降为止，然后，继续开采煤炭；

8)煤炭开采完成未发生离层水害。

2.如权利要求1所述的煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，步骤2)中定向钻孔的具体操作为：定向钻孔从地面实施，经过造斜，在实施层位变为近水平方向，定向钻孔在实施层位的延伸方向为采煤工作面的走向。

3.如权利要求1所述的煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，步骤3)中，射孔方向为垂向向上。

4.如权利要求1所述的煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，步骤4)和步骤5)中的营养液是由尿素和CaCl2溶液按质量比为1:1～2组成。

5.如权利要求1所述的煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，步骤4)中的黄土浆液的黄土和水的质量比为1～2:1。

6.如权利要求1所述的煤炭开采离层水害防治方法，其特征在于，步骤5)中，所述水泥的pH值为7～10，所述缓释胶囊和玻璃纤维管占封孔注浆材料总重量的20％～40％，其中缓释胶囊和玻璃纤维管质量比为1～2:1。

说明书

一种煤炭开采离层水害防治方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿井地质技术领域，具体涉及一种煤炭开采离层水害防治方法。

背景技术

[0002] 煤炭开采受多种灾害影响，其中水害是重要的一种。矿井水害包括顶板、底板、离层、老空区等类型，其中离层水害由于其突然性、防治难度大、危害性巨大防治技术的研究
意义重大。目前，虽然已有多种煤炭开采离层水害防治技术，但有以下几点问题：

[0003] 1)离层突水防治技术多以疏放为主，含水层的疏放会造成生态环境退化、水资源浪费、地面沉降等环境问题；

[0004] 2)疏放水多在煤炭开采后，开采后破碎的岩体内钻孔实施十分困难，施工难度大；

[0005] 3)疏放水数量增多，当煤矿工作面增多时，整个矿井的排水负担巨大，有后续的安全隐患；

[0006] 4)注浆封堵难度巨大，煤炭开采过程中会让注浆效果降低，若采后进行修复，工程量巨大，经济不合理。

发明内容

[0007] (一)解决的技术问题

[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种煤炭开采离层水害防治方法，该方法简单易实施；对环境影响小；可以降低矿井涌水量，减少排水负担，安全性更高；注浆浆液数量
和价格更低，经济合理。

[0009] (二)技术方案

[0010] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0011] 一种煤炭开采离层水害防治方法，包括以下步骤：

[0012] 1)煤炭开采前获取采矿和地质参数：通过模拟实验获得煤炭开采的周期来压步距D，通过钻孔柱状图获得煤层以上各岩层的厚度，通过取样测试获取煤层以上各岩层的单轴
抗压强度；

[0013] 2)煤炭开采前设计定向钻孔实施区域：通过步骤1)记录煤层以上岩层中厚度大于等于20米，且与下面相邻岩层的单轴抗压强度差值最大的岩层L；定向钻孔实施层位在岩层
L的底板以上1～3米，相邻的定向钻孔之间间距小于等于20米，最外面的两个定向钻孔距离
采煤工作面两条巷道在实施层位的水平投影的3～5米范围内；

[0014] 3)实施定向钻孔并进行射孔：依据步骤2)设计进行定向钻孔施工，并在实施层位进行射孔；

[0015] 4)射孔后进行射孔注浆：射孔后进行注浆，注浆浆液成分为黄土浆液和微生物浆液，两者的质量比为2～3:1，微生物浆液由微生物菌液和营养液组成，微生物菌液为巴氏芽
孢杆菌液，营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为2～3:1；

[0016] 5)射孔注浆后进行封孔注浆：封孔注浆材料由缓释胶囊、水泥和玻璃纤维管组成，缓释胶囊内为营养液，玻璃纤维管内为微生物菌液和营养液的混合物，并用聚氨酯封堵，微
生物菌液为巴氏芽孢杆菌液，营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量比为1:1～2；

[0017] 6)定向钻孔封孔后在地面实施含水层观测孔：定向钻孔封孔后，在地面施工含水层观测孔，观测层位是岩层L以上的含水层，观测孔中埋设水位观测设备，水位监测的频率
为1‑10h/次，观测孔沿着采煤工作面走向布置，每个煤炭开采周期来压步距D范围内布置1
个钻孔；

[0018] 7)煤炭开采并依据含水层观测开展排水和补充注浆：观测孔实施完成后，进行煤炭开采，煤炭开采到每次周期来压范围内，对该范围内的观测孔进行观测，若观测孔观测到
的水位持续下降，则在观测孔旁边实施补充注浆孔，补充注浆孔揭露离层时停止钻探，先抽
取离层中的水，抽水量下降到最大抽水量的10％～30％停止抽水，注入水泥浆液，注入水泥
浆液直至观测孔水位不再下降为止，然后，继续开采煤炭；

[0019] 8)煤炭开采完成未发生离层水害。

[0020] 进一步的，步骤2)中定向钻孔的具体操作为：定向钻孔从地面实施，经过造斜，在实施层位变为近水平方向，定向钻孔在实施层位的延伸方向为采煤工作面的走向。

[0021] 进一步的，步骤3)中，射孔方向为垂向向上。

[0022] 进一步的，步骤4)和步骤5)中的营养液是由尿素和CaCl2溶液按质量比为1:1～2组成。

[0023] 进一步的，步骤4)中的黄土浆液的黄土和水的质量比为1～2:1。

[0024] 进一步的，步骤5)中，水泥的pH值为7～10，缓释胶囊和玻璃纤维管占封孔注浆材料总重量的20％～40％，其中缓释胶囊和玻璃纤维管质量比为1～2:1。

[0025] (三)有益效果

[0026] 煤炭开采造成离层水害的过程包括3个，第一离层的形成，第二离层中形成积水，第三离层的破断把水排入采场造成水害。离层的形成是软岩和硬岩相间的不协调变形导致
的，因此采用定向钻孔在最容易产生离层的区域进行改造是关键。离层的形成是煤炭开采
巨大的矿山压力导致的，坚硬的岩石也会破坏，因此不能简单的注入水泥加固，而是尽可能
的在离层形成后进行积水的阻断。因此实施的定向钻孔进行射孔注浆，把黄土浆液这种强
度不高但阻水能力强的浆液注入，同时注入微生物浆液，黄土容易变形，超过极限应变产生
的裂缝微生物浆液可以矿化修复。

[0027] 定向钻封孔的位置是离层产生后冒落的区域，有一部分会冒落到离层空间中，冒落的部分会受到动力影响，里面的玻璃纤维管会破断，玻璃纤维破断后会释放出有活性的
微生物群体，而缓慢释放的营养液则为其持续提供繁殖的基础，这样微生物可以在离层空
间里固结破碎的岩土体，这样使得离层在第三部破断的时候理论会通过破碎体传递到其他
岩体，减少了突水的动力，将矿井内瞬时涌水量降低到可控范围内。部分地区存在特殊构造
区，可能阻隔水失效，这时观测孔会持续下降，在周期来压来临之前进行排水和补充注浆可
以有效控制这些不稳定因素。

[0028] 本发明提供的一种煤炭开采离层水害防治方法，简单易实施；对环境影响小；可以降低矿井涌水量，减少排水负担，安全性更高；注浆浆液数量和价格更低，经济合理。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得
其他的附图。

[0030] 图1本发明煤炭开采离层水害防治方法流程图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部
分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出
创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 实施例1：

[0033] 某煤矿开采4号煤层，4101采煤工作面(倾向长150米，走向长780米)上方有巨厚的洛河组砂岩，十分容易产生离层水害，为防治离层水害，采取以下步骤进行采煤离层水害防
治：

[0034] 步骤一：煤炭开采前获取采矿和地质参数：依据地质资料建立数值相似模型，通过模拟实验获得煤炭开采的周期来压步距D为28米。通过钻孔柱状图获得煤层以上各岩层的
厚度，通过取样测试获取煤层以上各岩层的单轴抗压强度。煤层以上共有岩层12层，各岩层
的厚度和单轴抗压强度由下到上分别为5米(26.3MPa)、7米(32.8MPa)、22米(43.3MPa)、11
米(22.1MPa)、18米(37.7MPa)、33米(46.5MPa)、32米(41.0MPa)、28米(43.7MPa)、14米
(21.3MPa)、93米(48.9MPa)、22米(44.2MPa)、18米(41.3MPa)；

[0035] 步骤二：煤炭开采前设计定向钻孔实施区域：通过步骤一记录煤层以上岩层中厚度大于等于20米，且与下面相邻岩层的单轴抗压强度差值最大的第10个岩层L，定向钻孔实
施层位在岩层L的底板以上1～3米，定向钻孔从地面实施，经过造斜，在实施层位变为近水
平方向，定向钻孔在实施层位的延伸方向为采煤工作面的走向，相邻的定向钻孔之间间距
应小于等于20米，最外面的两个定向钻孔距离采煤工作面两条巷道在实施层位的水平投影
的3～5米范围内，共计实施8个定向钻孔。

[0036] 步骤三：实施定向钻孔并进行射孔；依据步骤二设计进行定向钻施工，并在实施层位进行射孔。射孔方向为垂向向上。

[0037] 步骤四：射孔后进行射孔注浆：射孔后进行注浆，注浆浆液成分为黄土浆液和微生物浆液，两者的质量比为3:1，黄土浆液的土、水质量比为1.5:1，微生物浆液由微生物菌液
和营养液组成，微生物菌液为巴氏芽孢杆菌液，营养液为尿素和CaCl2溶液，营养液和巴氏
芽孢杆菌液的质量比为2:1，尿素和CaCl2溶液质量比为1:1.5。

[0038] 步骤五：射孔注浆后进行封孔注浆：封孔注浆采用的材料为由缓释胶囊、水泥和玻璃纤维管组成的混合物。其中，缓释胶囊内为营养液，营养液为尿素和CaCl2溶液，尿素和
CaCl2溶液质量比为1:1.5。玻璃纤维管内为微生物菌液和营养液，并用聚氨酯封堵，其中微
生物菌液为巴氏芽孢杆菌液，营养液为尿素和CaCl2溶液，营养液和巴氏芽孢杆菌液的质量
比为1:2，尿素和CaCl2溶液质量比为1:1.5。水泥的PH值在7～10。缓释胶囊和玻璃纤维管占
总重量的30％，其中缓释胶囊和玻璃纤维管质量比为1.5:1。

[0039] 步骤六：定向钻孔封孔后在地面实施含水层观测孔；第五步定向钻孔封孔后，在地面施工含水层观测孔，观测层位是岩层L以上的含水层(第11个岩层，砂层含水层)。观测孔
中埋设水位观测设备，水位监测的频率为1小时/次～10小时/次。观测孔沿着采煤工作面走
向布置，每个煤炭开采周期来压步距D范围内布置1个钻孔，共计实施27个观测孔，孔深30～
40米。

[0040] 步骤七：煤炭开采并依据含水层观测开展排水和补充注浆：观测孔实施完成后，进行煤炭开采。煤炭开采到每次周期来压范围内，对该范围内的观测孔进行观测，第14号观测
孔观测到的水位持续下降，在14号观测孔旁边实施补充注浆孔，补充注浆孔揭露离层时停
止钻探，先抽取离层中的水，抽水量下降到最大抽水量的10％～30％停止抽水，注入水泥浆
液，注入水泥浆液直至观测孔水位不再下降为止。然后，继续开采煤炭。

[0041] 步骤八：煤炭开采完成未发生离层水害。

[0042] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者
替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。