CN113063709B - 一种复杂含水层条件下帷幕的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂含水层条件下帷幕位置及参数的确定方法，首先根据帷幕位置选取原则确定帷幕建造位置，然后依据相应帷幕参数计算公式分别确定帷幕长度、高度及有效宽度，最后通过帷幕工程试验的渗透系数进一步修正优化帷幕参数。本发明方法得到的帷幕位置和参数相对现有的经验施工方法更为合理可靠，满足复杂含水层条件下帷幕截流要求，实现了复杂含水层条件下帷幕位置及参数的定量设计。

Description

一种复杂含水层条件下帷幕的确定方法

技术领域

本发明属于煤矿防治水技术领域，尤其涉及一种复杂含水层条件下帷幕的确定方法。

背景技术

帷幕截流技术是利用钻孔注浆建造帷幕、堵截矿区地下水的方法，经过多年的实践和发展，我国矿区注浆帷幕截流技术已日渐成熟，但类似巨厚、复杂介质、高承压含水层条件下的帷幕设计位置及参数尚无确定方法。

针对上述复杂条件下的水害治理，现有方法存在以下几点问题：

1)采用区域直接疏干，动水条件下将形成巨大的稳定补给，疏降难度大，成本极高；

2)利用局部间接疏干，存在施工难度大、可靠性差、安全风险高的问题；

3)疏干放水的方法均无法彻底根治含水层水害，而常规帷幕设计截流效果有限(截流率一般在70％左右)，除薄层灰岩帷幕外受注层埋深较小，承受水压较小，多建造在单一含水介质内。常规帷幕设计无法满足复杂含水层条件下帷幕截流要求。

为了解决这一复杂条件下的帷幕建造难题，有必要确定复杂含水层条件下帷幕位置及参数的方法。

发明内容

本发明提供一种复杂含水层条件下帷幕位置及参数的确定方法，解决现有技术中复杂含水层条件下的水害防治问题，克服了现有技术中单纯疏降方式施工难度大、可靠性差、安全风险高以及常规帷幕未能解决的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种复杂含水层条件下帷幕的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、确定拟建帷幕位置；

步骤二、确定帷幕实建位置及长度；

1)确定帷幕墙内所保护开采资源的发育形态；

2)根据公式

Z＝H₁tanα+H₂tanβ

式中：Z——开采影响带宽度，m；

H₁——基岩厚度，m；

H₂——松散层厚度，m；

α——资源开采在基岩段裂缝角，°；

β——松散层段裂缝角，°；

计算得出影响带宽度Z，再增加一定保护带范围x，得到帷幕安全距离Z′＝Z+x，即帷幕线距开采资源露头距离应大于Z′；

3)确定最终帷幕位置及长度；

步骤三、确定帷幕高度h

1)选定帷幕建造类型，包括落底式和悬挂式；

2)根据公式确定帷幕设计高度；

式中：h——帷幕设计高度，m；

h₁——目的含水层厚度，m；

h₂——帷幕进入目的含水层的厚度，m；

a——帷幕需进入顶部隔水层距离，m；

b——帷幕需进入底部隔水层距离，m；

步骤四、确定帷幕有效宽度L，计算公式为：

式中：L——帷幕有效宽度，m；

θ——水头修正系数，取1.1～1.3；

P——帷幕承受的最大水头，m；

T_s——帷幕所能允许的渗透比降；

§——帷幕侧向压力系数，取0.7～0.9。

进一步的，还包括：

步骤五、确定帷幕截流指标渗透系数K，计算公式为：

K＝QL/AΔH

式中：L——帷幕有效宽度，m；

ΔH——帷幕所承受的水头差，m；

K——渗透系数，m/d；

Q——帷幕剩余过水量，m³/h；

A——帷幕过水面积，m²。

步骤六：确定实际工程帷幕渗透系数K′

1)进行帷幕建造工程试验；

2)依据试验帷幕上的压水试验确定试验帷幕的渗透系数，公式为：

式中：K_n——每个钻孔的帷幕渗透系数，n为钻孔编号；

K′——试验帷幕整体渗透系数，m/d；

μ——压水流量，L/min；

L——压水段长，m；

S——试验压水时水头差，m；

r——钻孔半径，m；

3)如果K′≤K，则帷幕试验工程所建帷幕满足截流要求；反之，需重新调整帷幕设计参数使之满足要求。

进一步的，步骤一中确定帷幕位置，具体包括：

所建帷幕层位顶底界应为稳定的相对隔水层，帷幕建成后避免顶底绕流；

帷幕起止点应延至稳定隔水边界上一定安全范围，或两端搭界重叠，帷幕建成后避免侧向绕流；

帷幕连续建造充分搭界，帷幕建成后实现全线阻截各类侧向补给、径流通道，提高截流率；

帷幕沿线规避大型断层构造，建造在相对稳定的地层中，防止断层绕流及断层影响帷幕稳定性。

进一步的，所述步骤二中，保护带范围x取值30～40m。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明方法得到的帷幕位置和参数相对现有的经验施工方法更为合理可靠，满足复杂含水层条件下帷幕截流要求，实现了复杂含水层条件下帷幕位置及参数的定量设计。

2.本发明方法的步骤一中所提了“顶底有隔、两端封边、全线截流、绕避构造”矿山深埋巨厚复杂介质帷幕位置选取的原则，确保了帷幕的稳定性，最大限度提高帷幕截流率。

3.本发明方法的步骤二提出的开采影响带宽度Z计算方法，主要是考虑了松散层和基岩的裂缝角，并结合层位高度得出帷幕线距开采资源露头距离，依据此建立帷幕，在资源开采时，不会对建成后的帷幕造成影响，确保了帷幕的完整性。

4.本发明方法的步骤三提出的悬挂式和落底式帷幕高度h计算方法，方法中参数a、b是帷幕需进入含水层顶底的距离，通过上述方法计算帷幕高度，可以很好地防止绕流现象的发生，进一步提高帷幕截流效果。

4.本发明方法的步骤四采用含水层水头与帷幕渗透比降的比值概念计算帷幕的有效宽度，并利用水头修正系数和帷幕侧向压力系数进一步修正优化了有效宽度，通过上述方法计算帷幕宽度，显著提升了帷幕的承压能力。

5.本发明方法的步骤五、六中，在帷幕试验工程中，通过计算每个钻孔的帷幕渗透系数，然后取所有钻孔中最大帷幕渗透系数作为帷幕整体渗透系数K′，对比K′与K来指导帷幕参数的确定，进一步优化了帷幕参数的设计，借助这一参数修正手段确保所建帷幕截流的效果，并大大简化具体施工过程。

附图说明

图1为帷幕位置及技术参数确定技术流程图；

图2为帷幕位置图；

图3为采动影响范围示意图；

图4为帷幕高度确定示意图。

图中，1-F21隔水断层边界，2-五含剥蚀边界，3-帷幕。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基本思路是：首先根据帷幕位置选取原则确定帷幕建造位置，然后依据相应帷幕参数计算公式分别确定帷幕长度、高度及有效宽度，最后通过帷幕工程试验的渗透系数进一步指标修正优化帷幕参数。

实施例：

淮北某井田的北翼分布一层主要由灰岩砾石、角砾组成的深埋、巨厚、极强含水层—侏罗系底砾岩(俗称五含)，四含整体角度不整合覆盖下伏所有地层。五含与四含、太奥灰含水层之间存在极其密切的水力联系。某年，该井田某矿工作面发生了五含溃水溃砂事故，造成重大损失，五含水害已严重威胁下伏煤炭的安全开采，五含水害问题亟需解决。而五含含水层条件满足复杂含水层的设定，经反复研究论证，最终制定了帷幕截流绿色开采综合治理工程。

本实施例提供一种复杂含水层条件下帷幕位置及参数的确定方法，用于上述工程，参见图1和图2，该方法包括如下步骤：

(1)据步骤一“顶底有隔、两端封边、全线截流、绕避构造”的帷幕位置选取原则，研究区目的含水层西侧为剥蚀边界具备隔水条件，最终确定研究区帷幕起止点为：起点建立在东侧F21隔水断层边界1，终点建立在帷幕3西端五含剥蚀边界2以外。

(2)研究区实测资料煤层开采在基岩段裂缝角α为75°，松散层段裂缝角β为42°，基岩厚度H₁为15m，松散层厚度H₂为4m，再根据图2和步骤二影响带宽度计算公式：

Z＝H₁tanα+H₂tanβ

计算Z＝60m，保护带范围x一般取30～40m，最终确定帷幕安全距离Z′为90～100m，即帷幕线距开采煤层露头距离应大于100m。由此确定帷幕范围为：8煤露头外向北≮100m，太原组灰岩露头线以内向南≮40m处。最终确定帷幕平面形状为倒“L”型布设，分两端建造，预计帷幕总长度约3.19Km，具体见图3。

(3)帷幕在剖面上要完全覆盖过水通道，顶、底必须搭建在稳定的相对隔水层中，因此建造落底式帷幕。根据步骤三帷幕高度计算公式：

并结合研究区资料，五含底部存在5m左右的风氧化带，考虑到风氧化带、断层等特殊地段的绕流问题，帷幕需进入顶部隔水层5～10m，即a取10m，进入底部隔水层不小于15m，b取15m；五含厚度h1处于45m～65m不等，因此确定帷幕高度约为60～80m，具体见图4。

(4)根据研究地区地质资料得到所建帷幕承受的最大水头p＝4MPa，且帷幕渗透比降一般取0.15MPa/m，水头修正系数θ取1.2，帷幕侧向压力系数§取0.8。借助步骤四中帷幕有效宽度计算公式：

计算得出帷幕有效宽度L为40m。

(5)根据工程地质条件及实际要求，五含疏降安全水头差为-400m，即ΔH＝400m,帷幕剩余过水量Q＝350m³/h，再根据帷幕预计过水面积A＝525000m²，代入渗透系数计算公式：

K＝QL/AΔH

得到K＝0.0016m/d。

(6)在此次治理工程之前进行帷幕工程试验，依据试验帷幕上的压水试验结果，确定试验帷幕渗透系数K′＝0.0008m/d，通过对比可以看出，试验帷幕的渗透系数指标K′是要小于帷幕设计的渗透系数指标K的，表明此次帷幕治理工程的参数选取合理，并切实可行，可以达到帷幕截流85％的效果。

以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (3)

1.一种复杂含水层条件下帷幕的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、确定拟建帷幕位置；

步骤二、确定帷幕实建位置及长度；

1)确定帷幕墙内所保护开采资源的发育形态；

2)根据公式

Z＝H₁tanα+H₂tanβ

式中：Z——开采影响带宽度，m；

H₁——基岩厚度，m；

H₂——松散层厚度，m；

α——资源开采在基岩段裂缝角，°；

β——松散层段裂缝角，°；

计算得出影响带宽度Z，再增加一定保护带范围x，得到帷幕安全距离Z′＝Z+x，即帷幕线距开采资源露头距离应大于Z′；

3)确定最终帷幕位置及长度；

步骤三、确定帷幕高度h

1)选定帷幕建造类型，包括落底式和悬挂式；

2)根据公式确定帷幕设计高度；

式中：h——帷幕设计高度，m；

h₁——目的含水层厚度，m；

h₂——帷幕进入目的含水层的厚度，m；

a——帷幕需进入顶部隔水层距离，m；

b——帷幕需进入底部隔水层距离，m；

步骤四、确定帷幕有效宽度L，计算公式为：

式中：L——帷幕有效宽度，m；

——水头修正系数，取1.1～1.3；

P——帷幕承受的最大水头，m；

T_s——帷幕所能允许的渗透比降；

§——帷幕侧向压力系数，取0.7～0.9；

还包括：

步骤五、确定帷幕截流指标渗透系数K，计算公式为：

K＝QL/AΔH

式中：L——帷幕有效宽度，m；

ΔH——帷幕所承受的水头差，m；

K——渗透系数，m/d；

Q——帷幕剩余过水量，m³/h；A

——帷幕过水面积，m²；

步骤六：确定实际工程帷幕渗透系数K′

1)进行帷幕建造工程试验；

2)依据试验帷幕上的压水试验确定试验帷幕的渗透系数，公式为：

式中：K_n——每个钻孔的帷幕渗透系数，n为钻孔编号；

K′——试验帷幕整体渗透系数，m/d；

μ——压水流量，L/min；

L——压水段长，m；

S——试验压水时水头差，m；

r——钻孔半径，m；

3)如果K′≤K，则帷幕试验工程所建帷幕满足截流要求；反之，需重新调整帷幕设计参数使之满足要求。

2.根据权利要求1所述复杂含水层条件下帷幕的确定方法，其特征在于，步骤一中确定帷幕位置，具体包括：

所建帷幕层位顶底界应为稳定的相对隔水层，帷幕建成后避免顶底绕流；

帷幕起止点应延至稳定隔水边界上一定安全范围，或两端搭界重叠，帷幕建成后避免侧向绕流；

帷幕连续建造充分搭界，帷幕建成后实现全线阻截各类侧向补给、径流通道，提高截流率；

帷幕沿线规避大型断层构造，建造在相对稳定的地层中，防止断层绕流及断层影响帷幕稳定性。

3.根据权利要求2所述复杂含水层条件下帷幕的确定方法，其特征在于，所述步骤二中，保护带范围x取值30～40m。

Images