一種煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法
【專利摘要】一種煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，適用于煤炭開采與環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】使用。先采集礦井各采煤區(qū)域的覆巖鉆孔柱狀，采用關(guān)鍵層判別軟件進行具體鉆孔柱狀條件下覆巖關(guān)鍵層位置的判別，之后根據(jù)各區(qū)域覆巖關(guān)鍵層位置的判別結(jié)果，使用導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計方法，對各區(qū)域采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算；最后根據(jù)各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度與基巖厚度的大小關(guān)系，分別確定是否需要施工水源引流鉆孔，以及鉆孔的布置位置、施工深度和施工方法。其步驟簡單，實施方便，用于缺水礦區(qū)煤炭生產(chǎn)過程中，利用井下采空區(qū)進行水資源保護與循環(huán)利用的保水采煤實踐，具有很高的可靠性和實用性。
【專利說明】一種煤礦區(qū)地面鉆孔弓I導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種保水方法，尤其是一種適用于煤炭開采與環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】中的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法。

【背景技術(shù)】
[0002]我國西部大多是干旱半干旱的水資源匱乏地區(qū)，年均降水量低于400_，但蒸發(fā)量卻達到2500mm左右。近年來，隨著該地區(qū)煤炭開采強度的不斷加大，導(dǎo)致該地區(qū)水域環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，主要表現(xiàn)為:地下水位下降，河湖萎縮；天然植被枯死，自然生態(tài)系統(tǒng)退化；水土流失嚴重，土地荒漠化加劇。我國西部水資源量僅占全國的1.6%，水資源與生態(tài)環(huán)境相互作用，互相影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，已成為制約西部干旱半干旱地區(qū)煤炭可持續(xù)開發(fā)的重大因素。因此，如何能在煤炭開采的過程中最大限度的防止生態(tài)環(huán)境遭到破壞、有效保護水資源，是我國西部煤炭開發(fā)過程中面臨的重大技術(shù)問題，也是保水采煤所需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
[0003]目前，已有相關(guān)發(fā)明提出利用煤礦井下采空區(qū)作為儲水和凈化水的空間，依靠采動巖體的破斷裂隙作為水源流動的通道，將雨水、地表水、基巖含水層儲水等水源收集至采空區(qū)，進行礦區(qū)水資源系統(tǒng)的統(tǒng)籌蓄儲和循環(huán)利用，取得了較大成功，參考CN1221479C，煤礦井下采空區(qū)水的凈化方法，2005 ;CN102862775A，一種礦井地下水的分布式存儲方法，2013。然而，事實上并非所有情況下煤層開采后其上覆巖層的采動裂隙均能導(dǎo)通水源。如，對于開采煤層厚度較小、基巖較厚的開采條件，覆巖采動裂隙發(fā)育的高度有限，其僅能將基巖中部分含水層中的水源導(dǎo)入采空區(qū)儲存，而對于水源相對豐富的大氣降水以及地表水，卻無法收集利用。由此，地表水源將會在巨大的蒸發(fā)作用下而損耗、浪費。為了充分利用地表水資源，尤其是大氣降水，防止地表蒸發(fā)造成水資源損失，有必要針對采動裂隙無法溝通地表的開采條件，開展將煤礦區(qū)地表水源引流至采空區(qū)進行蓄存的保水方法的專門設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存的問題，通過對礦井各開采區(qū)域具體的煤層賦存條件及地表地形各因素的采集，提供一種步驟簡單，實施方便，且成本低，既考慮了直接利用井下采空區(qū)蓄水的保水采煤適用條件，還考慮了區(qū)域地表地形及開采沉陷盆地分布特征對水源引流鉆孔選址的影響，方法可靠，實用性強的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，包括以下步驟:
a.在礦井各采煤區(qū)域的向下施工鉆孔取芯，通過取芯樣本獲取各個鉆孔處的覆巖信息，并從鉆孔取巖樣進行巖石物理力學(xué)參數(shù)測試，獲得各巖層的彈性模量，抗拉強度，容重等參數(shù)信息；
b.利用關(guān)鍵層判別軟件KSPB對各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進行判別，從而確定鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置；
0.根據(jù)確定的各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置，采用導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計方法，通過覆巖主關(guān)鍵層位置與煤層采高的關(guān)系對采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行判斷，從而獲得各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度慫與基巖厚度％的大小關(guān)系；
(1.根據(jù)各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度慫與基巖厚度％的大小關(guān)系，分別判斷導(dǎo)水裂隙帶是否溝通基巖頂界面，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度巧大于等于基巖厚度?則判斷該區(qū)域?qū)严稁贤ɑ鶐r頂界面，無需施工引流鉆孔，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度慫小于基巖厚度％，則判斷該區(qū)域判斷導(dǎo)水裂隙帶不溝通基巖頂界面，需要在該區(qū)域施工引流鉆孔；
6.在需要施工引流鉆孔區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地表地形和開采沉陷盆地的分布確定引流鉆孔的施工位置，根據(jù)區(qū)域內(nèi)煤層埋深和導(dǎo)水裂隙帶高度慫關(guān)系或隨鉆頭注入的鉆孔沖洗液突然漏失位置確定鉆孔施工的深度，并根據(jù)需要在鉆孔施工的同時構(gòu)建引流水槽。
[0006]其特征在于，所述確定水源引流鉆孔的施工深度為煤層埋深//與導(dǎo)水裂隙帶高度巧之差力，或為隨鉆頭鉆孔注入用以冷卻鉆頭的沖洗液在鉆進至沖洗液突然從鉆孔中快速漏失時的位置；
所述確定引流鉆孔的施工位置方法如下:
若地表地形為平緩地形，在開采區(qū)域的中心位置即開采沉陷盆地中心處施工一個鉆孔；
若地表地形為起伏較大的溝谷地形，則在便于水源的匯集的地勢低洼處施工一個鉆孔；如果區(qū)域內(nèi)地表存在多個溝谷時，則在每個溝谷谷底施工一個鉆孔或在溝谷間施工引流水槽，將水源匯集到地勢最低處增強水源的匯集，并在地勢最低處施工鉆孔；
所述引流鉆孔施工方法為:
在表土層段施工直徑130皿的鉆孔，當(dāng)鉆進至基巖界面以下5100時，在鉆孔中下套管進行表土封閉止沙，所述套管包括花管，花管外包裹一層防止堵孔的濾水擋沙膜，所述基巖段鉆孔施工為直徑的裸孔，鉆孔施工后，在孔口上覆蓋防止砂石、雜物堵孔的滲水蓋板；所述引流水槽為高強度管，管兩端上設(shè)有封口用的濾水擋沙膜。
[0007]有益效果:由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明根據(jù)具體開采條件下采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的發(fā)育特征，通過收集各采煤區(qū)域的地面鉆孔柱狀資料，采用關(guān)鍵層位置判別方法確定覆巖中各關(guān)鍵層層位，之后結(jié)合覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計方法，確定各區(qū)域不同覆巖關(guān)鍵層賦存條件下的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，最后，通過對比導(dǎo)水裂隙帶高度與基巖厚度的大小關(guān)系，確定是否需要施工水源引流鉆孔以及鉆孔的施工參數(shù)；若導(dǎo)水裂隙帶高度大于等于基巖厚度，則該區(qū)域無需施工引流鉆孔；若導(dǎo)水裂隙帶高度小于基巖厚度，則該區(qū)域需要施工引流鉆孔；所述引流鉆孔的施工深度可按煤層埋深與導(dǎo)水裂隙帶高度之差確定，或為鉆孔鉆進至沖洗液突然漏失時的位置。引流鉆孔位置布置時，綜合考慮地表地形和開采沉陷盆地的分布，當(dāng)?shù)乇頌槠骄彽匦螘r，鉆孔應(yīng)布置在開采區(qū)域的中心位置；當(dāng)?shù)乇頌闇瞎鹊匦螘r，鉆孔應(yīng)布置在地形與開采沉陷引起的最低位置處，且當(dāng)?shù)乇泶嬖诙鄠€溝谷時，可通過在每個溝谷谷底施工鉆孔或在溝谷間施工引流水槽等措施，以增強水源的匯集、補給能力。
[0008]本發(fā)明基于煤層地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)對覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響，不但考慮了直接利用井下采空區(qū)蓄水的保水采煤適用條件，而且還考慮了區(qū)域地表地形及開采沉陷盆地分布特征對水源引流鉆孔選址的影響，本發(fā)明將能夠適應(yīng)不同開采條件下地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)保水采煤方法的確定，可為礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的協(xié)調(diào)發(fā)展提供保障，其使用方法可靠，實用性強。與現(xiàn)有技術(shù)相比于，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)基于煤層地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)對覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的影響，不但考慮了直接利用井下采空區(qū)蓄水的保水采煤適用條件，而且還考慮了區(qū)域地表地形及開采沉陷盆地分布特征對水源引流鉆孔選址的影響，其可靠性得到了工程實測的驗證；
(2)能夠適應(yīng)不同開采條件下地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)保水采煤方法的確定，可為我國西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的協(xié)調(diào)發(fā)展提供保障，其使用方法可靠，實用性強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法的實施步驟流程圖；
圖2是本發(fā)明平緩地表時的水源引流鉆孔布置示意圖；
圖3是本發(fā)明溝谷地表時的水源引流鉆孔布置示意圖；
圖4是引流鉆孔布置剖面圖；
圖5是本發(fā)明實際應(yīng)用過程中補連塔煤礦12401工作面b261鉆孔柱狀及關(guān)鍵層位置判別結(jié)果示意圖；
圖6是本發(fā)明實際應(yīng)用過程中補連塔煤礦12401工作面b257鉆孔柱狀及關(guān)鍵層位置判別結(jié)果示意圖；
圖7是本發(fā)明實際應(yīng)用過程中補連塔煤礦12401工作面井上下對照及地表地形圖。
[0010]圖中:1 一花管；2—濾水擋沙膜；3—裸孔；4一滲水蓋板。

【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的的實施例作進行進一步說明:
如圖f圖3所示，本發(fā)明的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，包括以下步驟:
a.在礦井各采煤區(qū)域的向下施工鉆孔取芯，通過取芯樣本獲取各個鉆孔處的覆巖信息，所述覆巖為地面到煤層頂板巖土層的統(tǒng)稱，并從鉆孔取巖樣進行巖石物理力學(xué)參數(shù)測試，獲得各巖層的彈性模量，抗拉強度，容重等參數(shù)信息；
b.利用關(guān)鍵層判別軟件KSPB對各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進行判別，從而確定鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置；
c.根據(jù)確定的各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置，采用導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計方法，通過覆巖主關(guān)鍵層位置與煤層采高的關(guān)系對采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行判斷，從而獲得各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度慫與基巖厚度％的大小關(guān)系；
d.根據(jù)各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度慫與基巖厚度％的大小關(guān)系，分別判斷導(dǎo)水裂隙帶是否溝通基巖頂界面，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度巧大于等于基巖厚度HP則判斷該區(qū)域?qū)严稁贤ɑ鶐r頂界面，無需施工引流鉆孔，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度慫小于基巖厚度％，則判斷該區(qū)域判斷導(dǎo)水裂隙帶不溝通基巖頂界面，需要在該區(qū)域施工引流鉆孔；
e.在需要施工引流鉆孔區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地表地形和開采沉陷盆地的分布確定引流鉆孔的施工位置，根據(jù)區(qū)域內(nèi)煤層埋深和導(dǎo)水裂隙帶高度慫關(guān)系或隨鉆頭注入的鉆孔沖洗液突然漏失位置確定鉆孔施工的深度，所述確定水源引流鉆孔的施工深度為煤層埋深//與導(dǎo)水裂隙帶高度慫之差力，或為隨鉆頭鉆孔注入用以冷卻鉆頭的沖洗液在鉆進至沖洗液突然從鉆孔中快速漏失時的位置，并根據(jù)需要在鉆孔施工的同時構(gòu)建引流水槽。
[0012]所述確定引流鉆孔的施工位置方法如下:
若地表地形為平緩地形，在開采區(qū)域的中心位置即開采沉陷盆地中心處施工一個鉆孔；
若地表地形為起伏較大的溝谷地形，則在便于水源的匯集的地勢低洼處施工一個鉆孔；如果區(qū)域內(nèi)地表存在多個溝谷時，則在每個溝谷谷底施工一個鉆孔或在溝谷間施工引流水槽，將水源匯集到地勢最低處增強水源的匯集，并在地勢最低處施工鉆孔。
[0013]所述引流鉆孔施工方法為:
如圖4所示，在表土層段施工直徑的鉆孔，當(dāng)鉆進至基巖界面以下時，在鉆孔中下套管進行表土封閉止沙，所述套管包括花管1，花管1外包裹一層防止堵孔的濾水擋沙膜2，所述基巖段鉆孔施工為直徑91皿的裸孔3，鉆孔施工后，在孔口上覆蓋防止砂石、雜物堵孔的滲水蓋板4 ；所述引流水槽為高強度管，管兩端上設(shè)有封口用的濾水擋沙膜2。
[0014]如圖5、圖6所示，圖中為補連塔煤礦12401工作面實際應(yīng)用過程中不同開采區(qū)域鉆孔柱狀的關(guān)鍵層位置判別結(jié)果，從柱狀的關(guān)鍵層位置判別結(jié)果可以看出，12401工作面在這兩個鉆孔區(qū)域的巖層賦存存在明顯不同的特征。由此，可對兩鉆孔區(qū)域的覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進行判斷。根據(jù)工作面6.00的采高可知，對于6261鉆孔區(qū)域，覆巖主關(guān)鍵層正好處于7?10采高之內(nèi)，因此，該區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育至基巖頂界面，即慫=215.23.11 ；對于6257鉆孔區(qū)域，按照同樣的方法，覆巖主關(guān)鍵層位于疒10倍采高之外，進而計算出該區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為巧=48.73^95.160。所以，6261鉆孔區(qū)域無需實施引流鉆孔，而6257鉆孔區(qū)域則需實施引流鉆孔。
[0015]在6257鉆孔區(qū)域附近施工引流鉆孔時，其布置位置應(yīng)設(shè)置在地勢較低處；根據(jù)圖7 00 7 (6)所示的工作面井上下對照圖及地表地形圖，地形最低位置處于6257鉆孔和6261鉆孔之間；又因開采引起的沉陷盆地最低點為工作面傾向中部，因此，鉆孔應(yīng)布置在如圖7(6)所示的位置，即地表地形最低點、同時為工作面傾向中部。而對于鉆孔施工深度，根據(jù)公式力=11-忍，該地區(qū)煤層埋深為0=1284-1063=221111，覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度巧=48.73^95.160，則力=125.84^172.27 111，實際施工過程中可將鉆孔鉆進時沖洗液突然漏失的位置作為終孔位置。
[0016]在本發(fā)明實施例中，不但考慮了不同采煤區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對利用井下采空區(qū)蓄水進行保水采煤的影響，而且還考慮了區(qū)域地表地形及開采沉陷盆地分布特征對水源引流鉆孔選址的影響，其可靠性得到了工程實測的驗證。本發(fā)明將能夠適應(yīng)不同開采條件下地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)保水采煤方法的確定，可為我國西部礦區(qū)煤炭開采與水資源保護的協(xié)調(diào)發(fā)展提供保障，其使用方法可靠，實用性強。
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，其特征在于包括以下步驟: a.在礦井各采煤區(qū)域的向下施工鉆孔取芯，通過取芯樣本獲取各個鉆孔處的覆巖信息，并從鉆孔取巖樣進行巖石物理力學(xué)參數(shù)測試，獲得各巖層的彈性模量，抗拉強度，容重等參數(shù)信息； b.利用關(guān)鍵層判別軟件KSPB對各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置進行判別，從而確定鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置； c.根據(jù)確定的各鉆孔處覆巖關(guān)鍵層位置，采用導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計方法，通過覆巖主關(guān)鍵層位置與煤層采高的關(guān)系對采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度進行判斷，從而獲得各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度慫與基巖厚度％的大小關(guān)系； d.根據(jù)各區(qū)域覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度/Zd與基巖厚度A的大小關(guān)系，分別判斷導(dǎo)水裂隙帶是否溝通基巖頂界面，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度/Zd大于等于基巖厚度Hp則判斷該區(qū)域?qū)严稁贤ɑ鶐r頂界面，無需施工引流鉆孔，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度/Zd小于基巖厚度％，則判斷該區(qū)域判斷導(dǎo)水裂隙帶不溝通基巖頂界面，需要在該區(qū)域施工引流鉆孔； e.在需要施工引流鉆孔區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地表地形和開采沉陷盆地的分布確定引流鉆孔的施工位置，根據(jù)區(qū)域內(nèi)煤層埋深和導(dǎo)水裂隙帶高度/Zd關(guān)系或隨鉆頭注入的鉆孔沖洗液突然漏失位置確定鉆孔施工的深度，并根據(jù)需要在鉆孔施工的同時構(gòu)建引流水槽。
2.如權(quán)利要求1所述的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，其特征在于，所述確定水源引流鉆孔的施工深度為煤層埋深//與導(dǎo)水裂隙帶高度/Zd之差A(yù)，或為隨鉆頭鉆孔注入用以冷卻鉆頭的沖洗液在鉆進至沖洗液突然從鉆孔中快速漏失時的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，其特征在于，所述確定引流鉆孔的施工位置方法如下: 若地表地形為平緩地形，在開采區(qū)域的中心位置即開采沉陷盆地中心處施工一個鉆孔； 若地表地形為起伏較大的溝谷地形，則在便于水源的匯集的地勢低洼處施工一個鉆孔；如果區(qū)域內(nèi)地表存在多個溝谷時，則在每個溝谷谷底施工一個鉆孔或在溝谷間施工引流水槽，將水源匯集到地勢最低處增強水源的匯集，并在地勢最低處施工鉆孔。
4.如權(quán)利要求1或3所述的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，其特征在于，所述引流鉆孔施工方法為: 在表土層段施工直徑130mm的鉆孔，當(dāng)鉆進至基巖界面以下5?10m時，在鉆孔中下套管進行表土封閉止沙，所述套管包括花管(I )，花管(I)外包裹一層防止堵孔的濾水擋沙膜(2),所述基巖段鉆孔施工為直徑9Imm的裸孔(3)，鉆孔施工后，在孔口上覆蓋防止砂石、雜物堵孔的滲水蓋板(4)。
5.如權(quán)利要求1或3所述的煤礦區(qū)地面鉆孔引導(dǎo)水源蓄存采空區(qū)的保水方法，其特征在于，所述引流水槽為高強度PVC管，PVC管兩端上設(shè)有封口用的濾水擋沙膜(2)。
【文檔編號】B65G5/00GK104386409SQ201410561497
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】鞠金峰, 許家林 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)