[0001] 本发明涉及地下采矿方法技术领域。

背景技术

[0002] 煤炭， 在我国一次能源消费中的比例达到 70%， 在国民经济生产中占有很重要 的地位。 然而， 煤炭生产过程中对环境的破坏问题也很突出， 采煤造成的地面 塌陷、 地下水资源破坏等问题， 已越来越引起社会各界重视。

[0003] 传统采煤技术， 一直把地下水作为一种灾害， 采取疏水降压、 注浆治理等措施 ， 或者将地下水排出， 或者将水局部封闭。 前者造成地下水资源的大量浪费， 导致区域地下水位持续下降， 形成地下水降落漏斗。 后者改变了地下水流场特 征， 常常造成水井水量减少甚至断流， 影响工农业及居民用水。

[0004] 据 2013年 7月河北省国土资源厅发布的 《2012年河北省地质环境状况公报》 披 露,全省共有地下水位降落漏斗 25个， 全国地下水降落漏斗超过 100个。 近三十年 来， 邯邢地区百泉水文地质单元泉口附近地下水位 降幅 20-30m。 而每一次煤矿 重大透水事故， 常常伴随周围数十公里范围内区域地下水位的 大幅下降。 而每 一个矿井动辄每小吋数百立方米的排水， 更是对地下水资源破坏及浪费的具体 体现。

[0005] 地下水资源保护的迫切性与采煤保水技术的不 完善之间的矛盾日益凸显， 采煤 保水技术的研究就显得越来越重要。

[0006] 通过专项技术攻关研究， 在确保安全、 高效采煤的同吋， 做好对煤矿区地下水 资源的保护， 减少矿井排水量， 将煤炭资源的幵发利用同地下水资源的保护有 机结合起来， 构建矿井水的探、 防、 治、 保、 用五位一体的综合保护、 治理体 系， 最终实现采煤保水、 煤与水两种资源统筹规划、 人与环境和谐共赢的局面 ， 对我国煤炭行业的健康、 可持续发展， 对和谐社会、 生态社会的构建具有重 大意义。

技术问题 [0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于采煤 过程中的保水方法， 该方法能够 在确保安全、 高效采煤的同吋， 实现对矿区地下水资源的保护。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 为解决上述技术问题， 本发明所采取的技术方案是： 一种用于采煤过程中的保 水方法， 包括如下步骤：

[0009] 一、 采用立体探测技术对煤矿井下采掘地区的地下 水静态赋存特征、 地下水保 护层完整情况及天然导水通道发育情况进行立 体探测；

[0010] 二、 结合探测得到的结果， 找到地下水保护层中的薄弱地段及导水通道以 及存 在地下水泄漏危险的地段， 采用高压水射流钻进技术， 通过快速、 精确钻进， 快速注浆封堵导水通道和存在地下水泄漏危险 的地段、 注浆加固地下水保护层 或者留设保水煤柱。

[0011] 优选的， 上述第一步和第二步之间还采用微震监测技术 对采煤工作面及周围地 区含水层以及地下水保护层采煤期间岩层破裂 情况进行全程动态监测， 通过对 采煤工作面附近岩层的微震事件吋、 空分布情况进行监测、 分析， 收集地下水 发生流动、 地下水保护层变化、 天然导水通道稳定性、 人为导水通道发育情况 以及存在地下水泄漏危险的地段的信息。

[0012] 进一步优选的， 微震监测技术的具体实施方式为： 检波器沿工作面巷道顶板、 底板、 左帮、 右帮布置成环状， 各个检波器通过数据线连接在同一监测器上， 形成一个监测单元； 沿工作面上、 下顺槽间隔 200-300米布置一个监测单元， 多 个监测单元形成一个完整的工作面监测网络。

[0013] 优选的， 上述第一步中， 立体探测技术为巷道多方位超前探测方法、 巷道超前 探测数据的多参数空间成图法和工作面煤层采 前立体探测方法结合使用的探测 技术。

发明的有益效果

有益效果

[0014] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

[0015] (1) 本发明采用立体探测技术为主要手段的综合勘 探技术， 査明煤矿井下生 产地区及周围地下水静态赋存特征， 了解地下水 （含水层、 老空水等各类水体 ) 赋存位置、 范围及地下水保护层薄弱地段、 导水通道发育情况等， 为地下水 保护工作做好第一步；

[0016] (2) 采用微震监测技术， 监测工作面回采期间围岩地下水保护层岩层破 裂及 导水通道变化情况， 配合地下水水压、 水量、 水温、 水质、 同位素等多种特征 参数监测， 査明采掘地区地下水动态变化特征， 了解天然导水通道稳定性情况 和因采掘活动形成的人为导水通道发育情况， 对是否发生地下水泄漏和破坏及 其空间位置进行监测、 预警； 微震监测技术具体实施方式的设计使得一个监 测 单元， 其监测、 控制范围可以覆盖半径为 300-500米的球体空间；

[0017] (3) 采取高压水射流钻进技术和注浆技术， 对已探明的地下水保护层局部薄 弱地段和导水通道及存在地下水泄漏危险地段 ， 进行注浆加固、 封堵， 或采取 留设保水煤柱的方法， 将地下水泄漏危险消灭在萌芽状态， 最大限度地减少采 煤对地下水的破坏， 大大提高采煤作业的安全性， 提高了工作效率， 具有良好 的现实意义。

对附图的简要说明

附图说明

[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一 步详细的说明；

[0019] 图 1是本发明实施例 4中 9315工作面采前立体探测及注浆加固示意图；

[0020] 图 2是本发明实施例 3中 2120工作面风道巷道多方位超前探测工程布置� �；

[0021] 图 3A、 图 3B是图 2的探测解释曲线图；

[0022] 图 4是本发明中提到的巷道多方位超前探测示意� �；

[0023] 图 5是本发明中提到的工作面煤层采前立体探测� �意图；

[0024] 图中， 1、 2120工作面风道； 2、 停头位置； 3、 低阻异常带； 4、 设计切眼位置 ； 5、 2298工作面高水位区； 6、 掘进巷道迎头； 7、 探测方向； 8、 控制范围； 9 、 含水层； 10、 下巷； 11、 老空区； 12、 采动破坏范围； 13、 上巷； 14、 导水 陷落柱； 15、 立体探测。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式 [0025] 在此处键入本发明的最佳实施方式描述段落。

本发明的实施方式

[0026] 实施例 1

[0027] 一种用于采煤过程中的保水方法， 包括如下步骤：

[0028] 一、 采用巷道多方位超前探测方法 （专利号为 ZL 201110095155.4) 、 巷道超前 探测数据的多参数空间成图法 （专利号为 ZL201110389923.7) 和工作面煤层采 前立体探测方法 （专利号为 ZL201210112477.X) 组成立体探测方法 （图 4、 5)

， 査明煤矿井下采掘地区原始状态下的地下水静 态赋存特征， 査明掘进巷道迎 头前方、 侧前方、 顶板、 底板及工作面顶板、 底板、 外围等多个方位地下水分 布情况、 地下水保护层完整情况、 天然导水通道发育情况等。

[0029] 对矿区地下水静态赋存特征进行全方位、 无损探査， 査明地下含水层空间富水 位置、 范围以及断层、 陷落柱等天然导水通道发育情况， 尽量不使用钻探等对 含水层构成损伤和破坏的勘探手段， 是做好地下水保护工作的第一步。

[0030] 二、 根据前述对地下水静态赋存特征、 地下水保护层完整情况、 天然导水通道 的探测和监测结果， 找到地下水保护层局部薄弱地段和导水通道及 存在地下水 泄漏危险的地段， 采取对地下水保护层局部薄弱地段注浆加固、 对导水通道及 存在地下水泄漏危险的地段进行注浆封堵等措 施。 本发明采用高压水射流钻进 技术， 对工作面周围存在的天然导水通道、 人为导水通道及存在地下水泄漏危 险的地段进行注浆封堵， 对地下水保护层局部薄弱地段进行注浆加固， 最大限 度地补强地下水保护层， 使其成为有足够强度的完整地下水保护层， 快速和精 确钻进、 快速注浆、 快速治理， 在第一吋间将地下水泄漏消灭在萌芽状态， 达 到保护地下水的目的。

[0031] 传统机械钻机， 施工一个 100m深的钻孔需要 2-3天， 采用高压水射流钻进技术 仅仅需要 1-2个小吋， 而且钻孔定位准确， 终孔位置偏差一般在 2-3米之内。 对于 天然导水通道及人工导水通道的封堵， 要突出一个快字。 快速发现、 快速封堵 ， 通过高压纯水泥浆灌注， 在第一吋间封堵导水通道， 将地下水泄漏危险消灭 在萌芽状态。 [0032] 考虑到回采前、 后工作面周围地应力场的变化， 岩层发生变形破坏在所难免， 在地下水保护层局部薄弱地段注浆加固工作中 ， 通过在水泥浆液中加入粘土、 粉煤灰等材料， 在提高地下水保护层抗压强度的同吋， 有针对性地增加注浆材 料的柔性， 提高保护层抗塑性变形能力， 对有效保护地下水十分有益。

[0033] 或者留设保水煤柱。

[0034] 注浆和留设保水煤柱的选择， 可根据实际的成本、 风险程度等情况进行选择。

[0035] 实施例 2

[0036] 一、 采用巷道多方位超前探测方法 （专利号为 ZL 201110095155.4) 、 巷道超前 探测数据的多参数空间成图法 （专利号为 ZL201110389923.7) 和工作面煤层采 前立体探测方法 （专利号为 ZL201210112477.X) 组成立体探测方法 （图 4、 5)

， 査明煤矿井下采掘地区原始状态下的地下水静 态赋存特征， 査明掘进巷道迎 头前方、 侧前方、 顶板、 底板及工作面顶板、 底板、 外围等多个方位地下水分 布情况、 地下水保护层完整情况、 天然导水通道发育情况等。

[0037] 对矿区地下水静态赋存特征进行全方位、 无损探査， 査明地下含水层空间富水 位置、 范围以及断层、 陷落柱等天然导水通道发育情况， 尽量不使用钻探等对 含水层构成损伤和破坏的勘探手段， 是做好地下水保护工作的第一步。

[0038] 二、 采用微震监测技术， 对采煤工作面及周围地区含水层以及地下水保 护层在 采煤期间岩层破裂情况进行全程动态监测。 以便及吋发现问题， 及吋采取措施 ， 在第一吋间预防和避免采煤过程中地下水泄漏 及突水事故的发生。

[0039] 自然状态下地下水赋存在一个特定环境即含水 层内， 处于一种平衡状态。 含水 层附近煤层采出后， 采煤工作面位置形成采空区 （储水空间或过水通道） ， 顶 底板岩层产生垮落、 形成采动裂隙， 这些裂隙一旦与含水层沟通， 就会成为地 下水的人为导水通道， 地下水就会流入采空区并经过采空区排出地面 ， 造成对 地下水资源的破坏。 上述裂隙形成过程以及地下水冲破周围岩层流 入采空区的 过程， 其实就是工作面周围岩层的破裂过程， 都会伴随一次次微小的地震事件 。 本发明采取微震监测技术， 通过对采煤工作面附近岩层内微震事件发生的 吋 间、 频度、 能量及空间分布情况等等多个方面进行监测、 分析， 就可以捕捉到 地下水发生流动、 变化的信息， 收集地下水发生流动、 变化以及可能发生泄漏 的信息； 了解天然导水通道稳定性情况和因采掘活动形 成的人为导水通道发育 情况， 进而为快速采取地下水保护措施提供依据。

[0040] 微震监测技术的具体实施方式为： 将检波器沿工作面巷道顶板、 底板、 左帮、 右帮布置成环状， 各个检波器通过专用数据线连接在同一监测器 上， 形成一个 监测单元； 沿工作面上、 下顺槽间隔 200-300米布置一个监测单元， 多个监测单 元组成一个完整的工作面监测网络。 一个监测单元， 监测、 控制范围可以覆盖 半径为 300-500米的球体空间。 根据工作面回采进度， 监测分站采用递进式交替 移动方式向外移动， 实现对整个工作面及周围岩层的连续、 全覆盖监测。

[0041] 整个监测过程要贯穿工作面准备期至工作面回 采结束一段吋间， 确保对整个监 测周期内地下水保护层变化情况、 周围天然导水通道稳定性情况、 人为导水通 道发育情况、 地下水可能发生泄漏地段的全程动态监测。

[0042] 三、 根据前述对地下水静态赋存特征、 地下水保护层完整情况、 天然导水通道 及人为导水通道发育情况、 地下水动态变化的探测和监测结果， 找到地下水保 护层局部薄弱地段和导水通道及存在地下水泄 漏危险的地段， 采取对地下水保 护层局部薄弱地段进行注浆加固、 对导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进 行注浆封堵等措施。 本发明采用高压水射流钻进技术， 对工作面周围存在的天 然导水通道、 人为导水通道及存在地下水泄漏危险的地段进 行注浆封堵， 对地 下水保护层局部薄弱地段进行注浆加固， 快速和精确钻进、 快速注浆、 快速治 理， 在第一吋间将地下水泄漏消灭在萌芽状态， 达到保护地下水的目的。

[0043] 或者留设保水煤柱。

[0044] 实施例 3:

[0045] 某矿 2120工作面为 12#煤掘进工作面， 设计走向长 1208m。

[0046] 某年 12月 24日， 2120工作面上部 9#煤 2298工作面运道掘进中发生底板涌水， 最大涌水量为 172m 3/h， 致使附近 2278工作面被淹、 整个矿井北翼停产。

[0047] 13年后， 2120工作面风道掘进到 918m位置， 课题组采用"巷道多方位超前探测 方法" （专利号 ZL 201110095155.4、 ZL201110389923.7) ， 对迎头前方高水位异 常区进行多方位、 立体探测。

[0048] 图 2是 2120工作面风道巷道多方位超前探测工程布置� �； 图 3A、 图 3B是图 2的 [0049] 图中显示， 巷道前方存在一个与风道近似垂直的低阻异常 带 3 (粗虚线圈定区 域） 。 该异常平面上呈 NNE向条带状展布， 与风道近似垂直， 空间上呈倾斜带 状展布， 分析认为为导水断层反映。

[0050] 考虑到该断层横跨 2120工作面 （设计） ， 巷道继续掘进及工作面回采发生突水 事故的可能很大， 因此， 矿方决定改变原设计方案， 风道停止掘进， 留设保水 煤柱 （因为此位置处于两个矿边缘， 矿产资源少， 且注浆成本高， 幵采风险大 ， 所以留设保水煤柱） ， 工作面后退 300m重新布置回采系统。 避免了一次可能 发生的掘进突水和地下水泄漏事故的发生。

[0051] 实施例 4:

[0052] 某矿井 9315工作面主采石炭系 9#煤。 工作面底板下距奥灰含水层 33m， 承受奥 灰水压 1.2〜1.4MPa。

[0053] 某年 12月 5〜8日， 课题组采用工作面煤层采前立体探测方法 （专利号 ZL

201210112477.X) ) ， 圈定含水异常 5处， 见图 1中 1#、 2#、 3#、 4#、 5#。

[0054] 此后， 根据探测结果， 矿方对工作面底板 （存在地下水泄漏危险的地段） 进行 钻孔注浆加固， 采用高压水射流钻进技术， 快速和精确钻进、 快速注浆。 其中 ， 工作面底板注浆孔 55个， 注浆 1299.45t， 进入 4#异常区的 WS4-1钻孔， 孔深 73. 6m, 水量 15m ³ /h， 单孔注入水泥 950t， 占整个工作面 55个钻孔注浆总量的 67.9%

[0055] 该工程的实施， 成功封堵了工作面底板一个天然导水通道， 有效消除了工作面 回采突水隐患， 避免了一次回采突水事故。

[0056] 目前， 工作面已安全回采， 达到了采煤保水目的。

工业实用性

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序列表自由内容

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