采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法
技术领域
本发明涉及矿井防治水与地下水资源保护的技术领域，尤其涉及一种采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法。
背景技术
随着我国东部煤炭资源面临枯竭，煤炭西进战略已成现实，西部侏罗纪煤田煤炭资源开发煤层顶板水害问题突出，采煤工作面回采前以安全为目标，在井下集中向顶板含水层施工疏水钻孔，预先疏降(干)含水层中的地下水，以降低回采过程中顶板涌水强度是顶板水害治理的主要手段。如陕北锦界煤矿已对18个采煤工作面进行预疏放，单工作面的疏水钻孔最多可达146个，疏水周期大多在3个月以上，矿井正常涌水量近4000m3/h，其中钻孔疏水量占到60％左右。曹家滩煤矿首采工作面施工疏放水钻孔120个，工程费用超500万元。虽然以安全为目标的高强度、长周期、粗放式井下钻孔疏水治理技术已经得到了广泛的应用。而高强度的疏排含水层地下水，不仅增加了矿井的排水费用，同时极大地浪费了地下水资源，加剧了矿区水资源短缺现状以及生态环境的负面响应。因此，如何在保障煤矿安全开采的同时，最大限度的减少钻探工程量、钻孔放水量、井下排水量，科学合理地开展钻探疏水工作，是本领域长期难以解决的技术难题。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法，其以克服粗放式顶板水害钻孔疏水治理缺陷，建立起精细化、一面一策式的顶板水害井下控制疏水治理方法，推动顶板水害治理从粗放式向精细化、集约化发展，更具创新性。
为实现上述目的，本发明公开了一种采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：分析工作面采煤地质与水文地质条件，确定工作面煤层覆岩结构特征；
步骤二：确定采煤工作面导水裂缝带发育高度；
步骤三：确定工作面顶板含水层涌水来源，根据采煤工作面导水裂缝带发育高度确定采煤工作面在不同位置采煤形成导水裂缝带揭露的覆岩含水层；
步骤四：预测工作面回采过程中顶板含水层稳定涌水量Q涌，根据工作面采煤地质与水文地质条件，建立工作面回采过程中煤层顶板涌水量计算模型，模型上边界为煤层顶板，下边界为步骤三确定的导水裂缝带揭露的最顶部含水层的顶板，将采煤工作面宽度的1～3倍定为煤层顶板涌水量计算模型的外围边界，并将模拟区外围定义无限展布的含水层，建立起采掘前地下水系统数值模型，将识别得出的导水裂隙带范围概化成倒梯形，分别对梯形各面进行达西流速积分，积分得出的地下水稳定涌水量，即为工作面回采过程中煤层顶板稳定涌水量Q涌；
步骤五：确定疏水钻孔终孔空间位置，根据采煤工作面顶板水害水源后，确定以导水裂缝带揭露覆岩最顶部含水层空间位置为疏水钻孔终孔空间位置；
步骤六：确定疏水钻孔个数，在采掘前地下水系统数值模型基础上，以采煤工作面巷道为疏水钻孔开孔位置，根据步骤五确定的疏水钻孔终孔空间位置，设置预疏水钻孔，将孔壁定义为零水压力边界，建立起煤层顶板预疏水钻孔涌水量计算模型，然后进行稳定流模拟分析，分别各钻孔对疏水钻孔孔壁进行达西流速积分，积分得出各疏水钻孔稳定涌水量，通过调整模型中疏水钻孔的个数，当积分得出的各疏水钻孔稳定涌水量之和∑Q孔基本等于步骤四预计的工作面回采过程中的顶板含水层稳定涌水量Q涌与工作面正常排水能力Q排之差时，即∑Q孔＝Q涌-Q排，模型中设计的疏水钻孔的个数即确定为疏水钻孔数；
步骤七：分析井下疏水钻孔涌水规律；采煤工作面疏水钻孔涌水量具有明显的衰减规律，疏水前期的钻孔涌水量由含水层静储量Qs和动态补给量Qd组成，从钻孔开始疏水到似稳定状态时间，即为似稳定周期te；
步骤八：确定疏水钻孔疏水周期；在工作面回采过程中，若疏水钻孔疏水时间过短，即t＜te，钻孔涌水尚未达到似稳定状态，则对含水层地下水静储量疏放不足，增加了回采过程中含水层地下水静储量的瞬时排泄量，易形成工作面突然大量涌水，影响安全生产；当疏水时间过长，t＞te，钻孔涌水已经达到似稳定状态，该阶段疏排的以动态补给为主的地下水，钻孔疏水为过度疏放，增加了矿井的排水费用，同时极大地浪费了地下水资源，通过分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，识别出疏水钻孔疏水量似稳定周期te，确定为疏水钻孔疏水量疏水周期，实现从时间上开展工作面顶板水害控制疏水防治。
其中：在步骤二中，采用经验公式方法预计分析工作面采煤扰动形成导水裂缝带发育高度，确定采煤工作面在不同位置采动导水裂缝带发育高度。
其中：利用表1确定导水裂隙带高度：
表1
其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m。
其中：步骤三中被导水裂隙揭露的含水层和含水层由在接触带与大气联通，孔隙水压力p为大气压，将识别得出的导水裂隙带范围化成倒梯形，并定义梯形各面为零水压边界，通过输入各含水层水文地质参数和含水层水位和水压，建立起工作面回采过程中煤层顶板涌水量计算模型，并进行稳定流模拟分析，分别对梯形各面进行达西流速积分，积分得出来自含水层和水层的地下水稳定涌水量，即为工作面回采过程中煤层顶板稳定涌水量Q涌。
其中：在步骤五中，疏水钻孔疏水量似稳定周期，每小时钻孔涌水变化量≤3％时，确定为钻孔涌水量达到稳定状态。
通过上述内容可知，本发明的采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法具有如下效果：
1、通过分析矿井具体采煤工作面地质与水文地质条件，采用经验公式预计工作面采煤扰动形成导水裂缝带发育高度与覆岩含水层接触关系，以导水裂缝带揭露最顶部含水层空间位置为依据，确定出疏水钻孔终孔空间位置；采用井下单孔放水试验方法，分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，识别出疏水钻孔疏水量似稳定周期；采用地下水系统数值模拟确定疏水钻孔个数；由此，本发明从空间上控制疏水钻孔终孔位置和钻孔个数，从时间上控制疏水钻孔的疏水周期，实现采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治。
2、通过预计采煤工作面导水裂缝带高度，厘清顶板水害水源，从而确定以导水裂缝带揭露覆岩最顶部含水层空间位置为疏水钻孔终孔空间位置，从空间上开展工作面顶板水害控制疏水防治，一是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水钻孔终孔层位不足带来的安全问题。二是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水钻孔终孔层位过高带来的疏水过度、无效排水、水资源浪费问题。三是减少了因终孔层位过高形成人工导水通道导致的工作面回采过程中水害威胁问题。
3、通过分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，将识别出疏水钻孔涌水量似稳定周期确定为疏水钻孔疏水量疏水周期，从时间上开展工作面顶板水害控制疏水防治，一是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水周期过短、疏水量不足带来的安全问题。二是在保障煤矿安全生产的同时，减少了顶板水害钻探疏水治理工程中疏水周期过长带来的疏水过度、无效排水、水资源浪费等问题。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所图而得到。
附图说明
图1显示了采煤前工作面煤层覆岩含隔水层分布的示意图。
图2显示了采煤过程中导水裂缝与煤层覆岩含隔水层空间接触的关系示意图。
图3显示了工作面回采过程中煤层顶板涌水量计算模型的示意图。
图4显示了工作面疏水钻孔终孔位置的示意图。
图5显示了采煤工作面煤层顶板预疏水钻孔涌水量计算模型的示意图。
图6显示了井下疏水钻孔涌水量衰减过程曲线的示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和或它们的组合。
结合图对本发明进一步说明：本发明的采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法主要可包含如下步骤：
步骤一：分析工作面采煤地质与水文地质条件，分析采煤工作面开采煤层厚度、埋深以及开采方法，如图1所示，确定工作面煤层覆岩结构特征，包括岩层的岩性、含水层和隔水层的厚度、空间分布特征，含水层的水文地质参数、水位、水压等。
步骤二：确定采煤工作面导水裂缝带发育高度，根据工作面采煤地质与水文地质条件，如表1所示，采用经验公式方法预计分析工作面采煤扰动形成导水裂缝带发育高度，确定采煤工作面在不同位置采动导水裂缝带发育高度。
步骤三：确定工作面顶板含水层涌水来源，根据采煤工作面导水裂缝带发育高度，确定采煤工作面在不同位置采煤形成导水裂缝带揭露的覆岩含水层，如图2所示，导水裂缝带突破了隔水层2，直接揭露含水层3和含水层2。由于被导水裂缝揭露覆岩含水层3和含水层2种的地下水会沿导水裂缝直接进入采煤空间，是构成工作面顶板水害主要来源；而尚未被导水裂缝带揭露的含水层1由于受隔水层1的保护，不会构成水害威胁。
步骤四：预测工作面回采过程中顶板含水层稳定涌水量Q涌。根据工作面采煤地质与水文地质条件，建立工作面回采过程中煤层顶板涌水量计算模型。如图3所示，模型上边界为煤层顶板，下边界为步骤三确定的导水裂缝带揭露的最顶部含水层的顶板，将采煤工作面宽度的1～3倍定为煤层顶板涌水量计算模型的外围边界，并将模拟区外围定义无限展布的含水层，建立起采掘前地下水系统数值模型。如图3所示，由于被导水裂隙揭露的含水层2和含水层3由在接触带与大气联通，孔隙水压力p为大气压(约等于0)，将识别得出的导水裂隙带范围概化成倒梯形，并定义梯形各面为零水压边界，输入各含水层水文地质参数和含水层水位和水压，建立起工作面回采过程中煤层顶板涌水量计算模型。并进行稳定流模拟分析，分别对梯形各面进行达西流速积分，积分得出来自含水层2和水层3的地下水稳定涌水量，即为工作面回采过程中煤层顶板稳定涌水量Q涌。
步骤五：确定疏水钻孔终孔空间位置，根据采煤工作面顶板水害水源后，确定以导水裂缝带揭露覆岩最顶部含水层空间位置为疏水钻孔终孔空间位置。如图4中的I组钻孔，疏放钻孔空间位置过高，揭露了含水层1、2、3三个含水层，一方面增加了疏水钻孔工程进尺、排水负担，也极大地浪费了地下水资源。另一方面，由于疏水钻孔揭露了隔水层1，形成了人工导水通道，使含水层1也成为工作面回采期间的涌水来源，增加了工作面水害威胁；而图4中的III组钻孔，仅对含水层3进行了疏水治理，未对工作面回采过程中顶板水害来源含水层2进行疏水治理，增加了采煤期间含水层涌水量，影响安全生产。因此，确定以导水裂缝带揭露覆岩最顶部含水层空间位置为疏水钻孔终孔空间位置，实现从空间上开展工作面顶板水害控制疏水防治。
步骤六：确定疏水钻孔个数，在采掘前地下水系统数值模型基础上，以采煤工作面巷道为疏水钻孔开孔位置，根据步骤五确定的疏水钻孔终孔空间位置，确定预疏水钻孔。如图5所示，由于放水钻孔与大气联通，含水层与孔壁交界面的孔隙水压力约等于大气压，将孔壁定义为零水压力边界，建立起煤层顶板预疏水钻孔涌水量计算模型，然后进行稳定流模拟分析，分别各钻孔对疏水钻孔孔壁进行达西流速积分，积分得出各疏水钻孔稳定涌水量。通过调整模型中疏水钻孔的个数，当积分得出的各疏水钻孔稳定涌水量之和∑Q孔基本等于步骤四预计的工作面回采过程中的顶板含水层稳定涌水量Q涌与工作面正常排水能力Q排之差时，即∑Q孔＝Q涌-Q排，模型中设计的疏水钻孔的个数即确定为疏水钻孔数。
步骤七：分析井下疏水钻孔涌水规律；如图6所示，采煤工作面疏水钻孔涌水量一般具有明显的衰减规律，疏水前期的钻孔涌水量一般由含水层静储量Qs和动态补给量Qd组成，随着疏水周期的延长水位降深与涌水量衰减速率越来越小，地下水流场达到动态平衡状态，地下水动力学将此状态定义为“似稳定”状态，该阶段水量以含水层动态补给Qd为主，从钻孔开始疏水到似稳定状态时间，即为似稳定周期te。其中，似稳定周期te与疏水含水层水文地质参数(含水层弹性给水能力)有关，与疏水钻孔个数以及结构参数(孔径、方位等)无关。因此，采用井下单孔放水试验方法，分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，识别出疏水钻孔疏水量似稳定周期。
步骤八：确定疏水钻孔疏水周期；在工作面回采过程中，若疏水钻孔疏水时间过短，即t＜te，钻孔涌水尚未达到似稳定状态，则对含水层地下水静储量疏放不足，增加了回采过程中含水层地下水静储量的瞬时排泄量，易形成工作面突然大量涌水，影响安全生产；当疏水时间过长，t＞te，钻孔涌水已经达到似稳定状态，该阶段疏排的以动态补给为主的地下水，钻孔疏水为过度疏放，增加了矿井的排水费用，同时极大地浪费了地下水资源。因此，通过分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，识别出疏水钻孔疏水量似稳定周期te，确定为疏水钻孔疏水量疏水周期，实现从时间上开展工作面顶板水害控制疏水防治。
其中：在步骤二中，根据采煤工作面的煤层采高以及覆岩类型，利用表1确定导水裂隙带高度：
表1
其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m。
其中，在步骤五中，疏水钻孔疏水量似稳定周期，每小时钻孔涌水变化量≤3％时，确定为钻孔涌水量达到稳定状态。
由此，本发明的有益效果为：
1)通过预计采煤工作面导水裂缝带高度，厘清顶板水害水源，从而确定以导水裂缝带揭露覆岩最顶部含水层空间位置为疏水钻孔终孔空间位置，从空间上开展工作面顶板水害控制疏水防治，一是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水钻孔终孔层位不足带来的安全问题。二是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水钻孔终孔层位过高带来的疏水过度、无效排水、水资源浪费问题。三是减少了因终孔层位过高形成人工导水通道导致的工作面回采过程中水害威胁问题。
2)通过分析井下疏水钻孔涌水量衰减规律，将识别出疏水钻孔涌水量似稳定周期确定为疏水钻孔疏水量疏水周期，从时间上开展工作面顶板水害控制疏水防治，一是减少了顶板水害钻探疏水治理工程中因疏水周期过短、疏水量不足带来的安全问题。二是在保障煤矿安全生产的同时，减少了顶板水害钻探疏水治理工程中疏水周期过长带来的疏水过度、无效排水、水资源浪费等问题。
因此，这种采煤工作面顶板水害时空控制疏水防治方法，在保障煤矿安全生产的同时，减少了顶板水害钻探疏水治理工程设计的盲目性。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在图中描述了实施例，但本发明不限制由图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
