[发明专利]高承压水体上煤层流体充填置换开采技术

说明书

一、所属技术领域

    本发明型涉及一种矿井开采技术，具体的说是一种防治水害的开采技术。

二、背景技术

随矿井开采水平的延伸及服务年限的延长，受水威胁煤量比例逐年增加，受水威胁程度愈加严重。以肥城煤田为例，肥城煤田为水文地质条件极其复杂，是全国知名的大水矿区，自1965年开采下组煤以来，发生底板突水300余次，水量大于1000m³/h的8次，最大突水量为32970m³/h，淹井4次，淹水平一次，淹采区一次，水量大于30m³/h的有125次，造成了巨大的经济损失。截止2010年末，受水威胁煤量占矿区可采储量的70.2％。在水害治理方面尽管做了大量的工作，探索了一些做法，取得了一些经验，但仍存在着许多难题，还不能从根本上解决水害威胁，时刻存在淹井的危险，分析原因有以下几点：

（1）水文地质条件复杂：一是构造发育，尤其是隐伏构造发育，断裂构造使煤层和主要含水层对口接触，威胁程度大。二是主要含水层（徐家庄灰岩、奥陶系灰岩）富水性强，间距小，水力联系密切，补给水源充足，治理难度大。三开采标高深、水压大、矿压破坏深度大（2003年由山东科技大学实测曹庄矿8812、9604工作面底板最大破坏深度分别达到36.5m、14.2m），突水机率大。四是开采煤层下距徐家庄灰岩间距小，一般 18m左右，在水压和矿压的作用下开采直接突水，奥灰间距小，遇有隐伏裂隙或断层可导致奥灰水直接突出，威胁矿井安全生产。

（2）水文地质条件不清，随着矿井开采水平的延深，勘探程度低，水文资料少，构造不清，含水层的富水性极不均一，裂隙的联通性差，防治水工作难度大。

（3）防治水措施还不能完全适应复杂的水文地质条件，尽管采取了扩大排水能力、建立防水隔离设施、底板注浆加固、留足防水煤柱、局部块段帷幕截流及疏干降压等措施，但仍不能保证不出水，矿井仍然受到水害威胁。但现有的防治水措施已不能完全适应深部复杂的水文地质条件，受深部高水压及含水层裂隙发育规律的制约，现有的注浆设备不能满足注浆的要求，向孔内压水不进，无法注浆改造；疏降又难以找到富水裂隙；深部矿压显现剧烈，底板破坏深度大，易造成突水；奥灰顶部岩溶发育规律及富水性不清，目前还没有找到有效的治理奥灰的防治水方法。因此探索新的防治水技术迫在眉睫。实行充填开采能减少矿压显现及对底板的破坏深度，对水害治理起到关键作用。

多年来对承压水上开采煤层引起的底板突水问题的研究，国内外学者进行了一些有益的探索和尝试。在国外充填法应用较广， 从20世纪30年代起至今，加拿大、澳大利亚、前苏联、德国、南非等国先后将充填法应用于金属矿山开采中，主要目的防止地表沉降，取得了显著效果。但利用充填开采解决防治水问题目前在有关文献上还没有找到。

目前国内充填开采一种是以矸石、粉煤灰等固体为充填物。河北邢台矿是以半饱和矸石与粉煤灰进行充填，目的是回收工业广场煤柱，减少对地面建筑物的影响，该技术对控制地表沉降效果较差。 二是以高浓度膏体充填为充填物。目前成功使用的有济宁太平煤矿、新矿集团孙村煤矿、淄博市王庄煤矿。济宁太平煤矿膏体充填系统于2006年5月正式投入使用，采用德国的料浆制备和输送技术，投资6000多万元，以泗河河砂、电厂粉煤灰加专用胶结料和水配制成膏状料浆，膏体浓度控制在75％～80％，泵送至井下充填采区；新矿集团孙村煤矿似膏体自流充填技术，该项目于2006年3月开工建设，经地表事故坑系统标定试验阶段、井下废弃巷道半工业试验阶段、走向长壁似膏体充填工业试验阶段、仰斜长壁似膏体充填开采4个阶段的开发研究，最后取得了成功。该技术以水泥、粉煤灰、煤矸石及早强剂为充填料，按一定配比制成72%～75%的高浓度的似稿体浆体，实现了3倍充填倍线的自流输送，有效控制了地表下沉。淄博市王庄煤矿近年来开展了以粉煤灰为主的高水膨胀材料研究，充填材料主要为粉煤灰、水及膨化剂，浆体浓度60％，膨胀率8～10%，实现了长距离自流输送和主动接顶问题，充填效果较好。

上述技术均用于“三下”采煤，目的是解决地表沉降问题，但真正意义上利用充填开采解决高承压水体上煤层安全开采技术及在此充填状态下底板破坏深度、矿压显现规律、地表岩移规律等理论在国内尚属首例。

肥城矿区开展高承压水体上煤层流体充填置换开采技术研究，不仅是充填开采研究与科学实践相结合的典范，其充填开采理论研究成果将构建深部煤层开采高承压水体上岩溶水防治的综合技术途径，为我国北方煤田底板岩溶水防治提供宝贵的借鉴经验和参考资料，丰富和发展我国矿井水防治理论和技术。

三、发明内容