[发明专利]一种煤层顶底板含水岩层水平孔超前注浆改造方法

说明书

本发明公开了一种煤层顶底板含水岩层水平孔超前注浆改造方法，基于在煤系地层含水岩层中预裂造缝‑注浆减水的思想，利用地面或井下水平定向钻对煤系地层含水岩层进行钻孔爆燃预裂，使原生裂隙相互连通成网或增加次生裂隙数量，提高岩层可注性，然后采用耗水浆液进行劈裂注浆，使得浆液填充进裂隙中，实现含水岩层的减水改造，从而消除煤层回采过程中含水岩层地下水突(涌)的威胁。

技术领域

本发明涉及一种煤层顶底板含水岩层水平孔超前注浆改造方法。

背景技术

煤矿水害一直是困扰和威胁我国煤矿安全生产的最突出问题之一，给企业带来了严重的人身伤亡和巨大的经济损失，同时也造成了矿区水环境及水资源的较大损害。由于煤炭资源大规模的回采，当前我国煤炭资源开发出现向西部转移的趋势，并且原有东部矿区呈现采深日益增大的特点，而西部矿区顶板砂岩水和东部矿区底板灰岩水严重制约了我国煤炭资源的大规模安全开发。

针对上述问题，东部矿区和西部矿区主要措施均是对含水层进行注浆改造，东部矿区针对底板灰岩含水层，西部矿区针对顶板厚层砂岩含水层。东部矿区较早开展了底板灰岩含水层注浆改造，取得了一定效果，但仍然不断出现注浆工作面突水现象；西部矿区部分煤矿尝试性的开展顶板砂岩注浆工程，但收效甚微，注浆压力很大、注浆量很小。东西部含水层注浆改造效果不佳的主要原因在于含水层原生孔裂隙贯通性差，钻孔无法全部揭露含水层原生孔裂隙，造成注浆盲区较多、空隙充填率不足等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤层顶底板含水岩层水平孔超前注浆改造方法，该方法基于爆燃预裂-耗水浆液-劈裂注浆的工艺方法，能够在煤层回采前对煤系地层含水岩层进行超前区域注浆改造，消除含水岩层地下水的突(涌)威胁。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种煤层顶底板含水岩层水平孔超前注浆改造方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，分析顶底板含、隔水层分布特征及其与煤层的空间关系，确定采动顶板导水裂隙带高度和底板破坏带深度；

步骤2，根据步骤1得到的顶板导水裂隙带高度和底板破坏带深度确定顶板和底板含水层减水改造层位和厚度；

步骤3，根据顶板导水裂隙带和底板破坏带所波及范围确定顶板和底板含水层减水改造区域面积；

步骤4，分析顶板和底板含水层减水改造区域钻孔爆燃裂隙数量、长度与爆燃参数的响应特征，确定爆燃预裂所用火药装药体积、质量和结构参数，进行爆燃预裂；

步骤5，通过室内试验确定顶板和底板含水层减水改造区域耗水材料及适用性配比，得到适用性耗水浆液；

步骤6，基于室内试验和数值计算分析顶板和底板含水层减水改造区域高压劈裂注浆裂隙起裂与不同地应力水平、钻孔参数的关系，结合地应力分布特征和顺层孔施工工艺，确定注浆孔空间布置参数和高压劈裂注浆终结压力，注浆孔空间布置参数包括顺层孔空间间距、长度和方位。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述步骤1包括：基于统计经验公式计算顶板导水裂隙带高度、基于理论计算公式计算底板破坏带深度以及基于数值模拟计算顶板导水裂隙带高度和底板破坏带深度；综合比较上述三种计算结果，确定采动顶板导水裂隙带高度和底板破坏带深度的最大值，作为采动顶板导水裂隙带高度和底板破坏带深度。

具体的，所述统计经验公式采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及《煤矿防治水手册》中导水裂隙带预计高度计算公式；

所述理论计算公式包括基于弹性理论的采场岩体边缘底板最大破坏深度计算公式、基于弹性理论的长臂工作面底板破坏深度计算公式和基于塑性理论的底板破坏深度计算公式；三种理论计算公式得到的底板破坏带深度最大值作为基于理论计算公式得到的底板破坏带深度；