本發(fā)明涉及一種礦井主控煤巖層廢水弱化方法，具體是一種利用采空區(qū)廢水原位弱化主控煤巖層并主動預(yù)防控制災(zāi)變的方法。

背景技術(shù)：

采空區(qū)下煤炭開采采空區(qū)廢水和堅硬頂板及厚煤層不易垮落問題一直是制約煤礦高產(chǎn)高效的主要問題之一。經(jīng)過幾十年的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和理論研究發(fā)展，采空區(qū)下煤炭開采技術(shù)得到了很大的發(fā)展，取得了一些成果?，F(xiàn)有針對采空區(qū)廢水問題主要采用的方式為在順槽布置密集放水鉆孔，再以廢水形式排出地表。

楊春林等人在論文《老采空區(qū)積水立體綜合集成探放水技術(shù)》中通過利用FDG-A型防爆多功能高密度電法探測法、反射共偏移探測法、單點(diǎn)探測法等井下物探、鉆探和巷探相結(jié)合的方法，圈定老采空區(qū)積水邊界、確定古小窯含水系數(shù)，并且通過安裝特殊孔口管、壓力表、流量表和放水裝置實(shí)現(xiàn)了對采空積水的探放。對于厚及特厚煤層開采而言，上覆采空區(qū)的積水對下煤層構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，對其安全開采影響程度較大，但直接探放水很大程度上破壞了水系的循環(huán)規(guī)律，浪費(fèi)水資源。

現(xiàn)有發(fā)明專利公開了“一種堅硬頂板定向承壓爆破控制的方法”，通過利用炸藥自身釋放的能量和傳爆介質(zhì)對圍巖的控制弱化。呂德仁在論文《煤礦頂板弱化處理及穩(wěn)定性研究與應(yīng)用》中通過以材料計算和試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用爆破法對頂板進(jìn)行了弱化處理。

現(xiàn)有發(fā)明專利公開了“一種堅硬頂板注水卸壓處理方法”，通過高壓注水，破壞堅硬頂板的整體性從而降低巖體的強(qiáng)度，但不管高壓注水還是超前爆破處理頂板，由于受到技術(shù)條件的限制，高壓注水浪費(fèi)大量的水資源，尤其在堅硬的圍巖中，效果也不是很明顯；與此同時鉆孔內(nèi)不耦合裝藥和煤塵及有害氣體量大是一直制約井下堅硬頂板爆破的發(fā)展的主要因素。為避免壓架，工作面一直采取改變工藝，提高支護(hù)強(qiáng)度和降低頂煤回收率等被動方法，而且在需要大量的人員監(jiān)管，工作強(qiáng)度大。因此，需求一種經(jīng)濟(jì)安全，使得兩種問題同時加以解決的技術(shù)是十分必要的。

綜上所述，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，采空區(qū)下煤礦開采，可以預(yù)計多數(shù)工作面既存在頂板堅硬或厚煤層放頂煤頂煤不易垮落的問題，又面臨突水災(zāi)害的威脅，而相關(guān)研究尚未將兩者結(jié)合起來，國內(nèi)深部特厚煤層開采的典型工作面均出現(xiàn)突水類似現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)淹井事故。因此，上覆采空區(qū)廢水突水的力-滲特性及演化誘變機(jī)理需要開展研究，如何將上覆采空區(qū)放水與煤層注水兩個矛盾體統(tǒng)一起來，是解決該問題的關(guān)鍵，是煤巖防治災(zāi)害的有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種利用上覆采空區(qū)廢水原位弱化主控煤巖層的方法。

上述目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種利用上覆采空區(qū)廢水原位弱化主控煤巖層的方法，所述方法是按下列步驟進(jìn)行的：

（1）收集該煤層的水文地質(zhì)資料，包括煤層厚度、頂板厚度以及采空區(qū)厚度及水文情況，并分別對煤體和頂板巖體進(jìn)行鉆探取樣，然后進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)特性測試，測定單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、滲透性和含水率的物理力學(xué)參數(shù)；

（2）根據(jù)煤體和頂板巖體的物理力學(xué)特性，分別測定在水中浸泡不同時間后煤體和頂板巖體的強(qiáng)度變化；

（3）對采空區(qū)地質(zhì)采礦情況進(jìn)行研究分析，利用探地雷達(dá)技術(shù)探查積水的分布情況，且對采空區(qū)水量進(jìn)行預(yù)測；

（4）分別在回風(fēng)平巷超前工作面靠近煤體側(cè)的巷道頂板，利用鉆機(jī)每隔一定的距離打出一排若干垂直放水鉆孔，在每個鉆孔中平行于采煤工作面方向，間隔一定的角度繼續(xù)打3-5個鉆孔；所有鉆孔深度應(yīng)保證上覆采空區(qū)底板與采空區(qū)貫通，在鉆孔的同時，利用開槽鉆頭在所有鉆孔中開設(shè)若干個“V”型槽，所有鉆孔中，頂煤部分每隔3m開設(shè)一“V”型槽，上覆巖層部分每隔5-7m開設(shè)一“V”型槽；

（5）超前回采工作面80m對相應(yīng)的鉆孔采用分段間隔裝藥，裝藥段數(shù)與每個鉆中“V”型槽的個數(shù)相同，每段裝藥長度由相鄰兩個“V”型槽決定，所述“V”型槽處于每段炸藥的中間部分，裝藥過程中首先將快硬水泥、藥卷、起爆藥和水炮泥用炮棍或者專門的器具慢慢送入鉆孔底部不同位置，然后用炮泥進(jìn)行填實(shí)，完成第一段裝藥，接著重復(fù)操作直至裝滿鉆孔為止；

（6）擬起爆鉆孔裝藥完畢后，進(jìn)行炮泥封孔，然后連網(wǎng)起爆；

（7）對爆破后的炮孔實(shí)施二次封孔作業(yè)，使上覆采空區(qū)廢水逐漸滲透至所需要軟化的主控煤巖層；

（8）根據(jù)采空區(qū)廢水軟化后煤體和頂板巖體的單軸抗拉強(qiáng)度、工作面采煤機(jī)及其液壓支架的性能確定工作面的推進(jìn)速度。

進(jìn)一步地，附加技術(shù)特征如下。

所述煤體和頂板巖體的試件在水中浸泡實(shí)驗(yàn)時，采用的實(shí)驗(yàn)水是采空區(qū)的廢水，浸泡時間為5-8天。

所述煤巖體是隨著浸泡時間及單軸抗壓強(qiáng)度的變化為：

在式中，σ為浸泡后巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，C為擬合系數(shù)，t為浸泡軟化的時間，δ₀為天然初始巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

所述方法是針對采空區(qū)的積水，假設(shè)采空區(qū)是一矩形空間，通過放水鉆孔的流量及流速對采空區(qū)廢水總水量進(jìn)行估算，在此過程中，流線近似為平行，視為緩變流截面，用m表示大致估計近似采空區(qū)區(qū)域面A_c與所有放水鉆孔面積和nA的比值為：m=A_c/nA

對于頂板面和鉆孔面列的伯努利方程為：

鉆孔處的平均流速為：

鉆孔處的流量為：

式中，q_V為流量常數(shù)，在開放的環(huán)境下默認(rèn)。

所述方法是根據(jù)上覆頂板的厚度以及煤巖體的滲透，確定探水鉆孔的水流量在0.5-1.2為安全系數(shù)，如果超過該范圍應(yīng)當(dāng)進(jìn)行放水。

本發(fā)明上述所提供的一種利用上覆采空區(qū)廢水原位弱化主控煤巖層的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：利用采空區(qū)廢水進(jìn)行煤層災(zāi)害防治，極大的減少了水資源的浪費(fèi)并可以有效避免壓架等強(qiáng)礦壓現(xiàn)象；在鉆孔中開設(shè)“V”型槽，主要目的是有效的控制預(yù)設(shè)裂隙的形成與發(fā)育，使得裂隙發(fā)育在空間上呈現(xiàn)均勻分布。并且與此同時，由于“V”型槽的槽角處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，爆破引起的沖擊波增加裂隙的發(fā)育拓展；能夠更加定性的控制爆破效果，在分段爆破過程中，使得煤巖層的致裂效果更好。裝藥形式、裝藥量以及藥卷型號可以有效控制至裂過程中裂隙的發(fā)育情況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方案設(shè)置的平面示意圖。

圖2是本發(fā)明方案圖1的C-C截面鉆孔布置平面示意圖。

圖3是本發(fā)明方案圖1的D-D 截面鉆孔俯視示意圖。

圖中：1、上覆采空區(qū)；2、回風(fēng)順槽；3、煤層；4、底板；5、運(yùn)輸順槽；

6、上覆巖層；7、鉆孔。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖說明對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步的說明，此處所描述的具體實(shí)例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限項本發(fā)明。

實(shí)施一種利用上覆采空區(qū)廢水原位弱化主控煤巖層的方法，該方法的實(shí)施的是某煤礦8號、13號煤層均為厚煤層，其中8號煤層已經(jīng)開完畢，13號煤層處于8號煤層的正下方，兩煤層相隔46m的巖層，目前13號煤層正在開采階段，13號煤層平均厚度為15.6m，上部為8號煤層多個工作面的采空區(qū)，由于采空區(qū)已經(jīng)多年失效，范圍及其積水量不清楚，針對以上情況實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

步驟一、對煤體和頂板巖體進(jìn)行鉆探取樣，按照國際巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)特性測試，分別測得煤體的和巖體的單軸抗壓強(qiáng)度為2.36Mpa和26.4Mpa；含水率分別為2.31%和1.8%；滲透系數(shù)為7.2×10^-3cm/s和5.6×10^-3cm/s。

步驟二、根據(jù)煤體和頂板巖體的力學(xué)特性，分別對不同時間浸泡后的煤體和頂板巖體的進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。其擬合的強(qiáng)度關(guān)系曲線分別為：

。

步驟三、進(jìn)行采空區(qū)水量的預(yù)測，針對采空區(qū)的積水，可假設(shè)為一個矩形空間，通過鉆孔的流量及流速對采空區(qū)廢水總總水量進(jìn)行估計，在此過程中，流線近似為平行，可以視為緩變流截面，用m表示大致估計近似采空區(qū)區(qū)域面A_c與所有放水鉆孔面積和nA的比值，即m=A_c/nA，A_c走向長度和工作面長度的乘積。代入下列方程中：

對于頂板面和鉆孔面列的伯努利方程為：

鉆孔處的平均流速為：

鉆孔處的流量為：

式中，C_q=mC_v為流量常數(shù)，在開放的環(huán)境下默認(rèn)p₀=p_a。

通過上式的計算，可以得到所有鉆孔的平均流速為0.2m/s，平均流量為0.84m³/min。滿足以下工作的要求。

步驟四、分別在回風(fēng)平巷超前工作面靠近煤體側(cè)的巷道頂板，利用鉆機(jī)每隔一定的距離打出一排若干個垂直鉆孔A₁，A₂，A₃ ……；在每個鉆孔A_i（i=1,1,2……）中，平行于采煤工作面方向，再打出4個鉆孔B_i1 ，B_i2 ，B_i3 ，B_i4；其兩兩夾角為18^。，所有的鉆孔深度為直至上覆采空區(qū)底板與采空區(qū)貫通，在鉆孔的同時，利用開槽鉆頭在所有的鉆孔中開設(shè)若干個“V”型槽，所有的鉆孔中，放頂煤部分每隔3m開設(shè)一個“V”型槽，上覆巖層部分每隔5m開設(shè)一個“V”型槽。

步驟五、超前回采工作面80m左右對相應(yīng)的鉆孔采用分段間隔裝藥，裝藥的段數(shù)與每個鉆中“V”型槽的個數(shù)相同，每段裝藥的長度由相鄰的兩個“V”型槽決定，為了達(dá)到較好的爆破效果，在裝藥過程中保證“V”型槽處于每段炸藥的中間部分，裝藥過程中首先將快硬水泥、藥卷、起爆藥和水炮泥等用炮棍或者專門的器具慢慢送入鉆孔底部不同位置，然后用炮泥進(jìn)行填實(shí)，完成第一段裝藥；接著重復(fù)操作直至裝滿鉆孔為止。

步驟六、擬起爆鉆孔裝藥完畢后，進(jìn)行炮泥封孔作業(yè)，然后連網(wǎng)起爆，該起爆步驟為礦井井下相關(guān)技術(shù)人員熟知的，用藥量大小及藥卷型號和裝藥方式根據(jù)具體地質(zhì)資料和采礦條件進(jìn)行確定。

步驟七、對爆破后的炮孔實(shí)施二次封孔作業(yè)，保證上覆采空區(qū)廢水逐漸滲透至所需要軟化的主控煤巖層。

步驟八、根據(jù)采空區(qū)廢水軟化后煤體和頂板巖體的單軸抗拉強(qiáng)度及其工作面采煤機(jī)及其液壓支架的性能確定工作面的最佳循環(huán)進(jìn)度為600mm。

以上所述僅為本發(fā)明的較好的實(shí)例，并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。