CN1013605B

CN1013605B - 减缓采煤区地表下沉的方法及其实施设备

Info

Publication number: CN1013605B
Application number: CN 87105090
Authority: CN
Inventors: 齐东洪; 范学理; 杜维欣; 陈炤; 李波; 张朋福; 洪家明; 赵德深
Original assignee: FUXIN MINING COLLEGE; FUSHUN MINE ADMINISTRATION
Current assignee: FUXIN MINING COLLEGE; FUSHUN MINE ADMINISTRATION
Priority date: 1987-09-26
Filing date: 1987-09-26
Publication date: 1991-08-21
Also published as: CN1032378A

Abstract

本发明是一种减缓采煤后地表下沉的方法及其实施设备，其方法是在采空区的对应地表向煤层上覆岩层的离层传递带打钻，然后固孔，最后向离层传递带的空隙中高压充填泥浆，以达到减缓下沉的目的，在充填时需在井口建立注浆站。

Description

本发明涉及煤矿的“三下”（即建筑物下、铁路下、水体下）开采技术领域，主要适用于各种开采方法，地下采煤后，对上覆岩层内离层传递带进行密实充填，以减缓地表下沉。

地下采煤，破坏了地层原有压力的平衡，由于岩石的自身重力，引起采场围岩的活动，特别是煤层上覆岩层的活动。这种活动逐渐向上发展直到地表。从被开采煤层的顶板起，自下而上地出现了弯曲破裂带（冒落破裂带）、离层传递带、缓慢沉降带，导致地表下沉，影响地面建筑物与设施的安全。目前国内外为解决采煤区地表沉降问题都采用了一些方法，但都不尽理想，其办法有：1.采煤时留置安全保护煤柱，或采用“条带法”开采，以作支撑，此方法的滞留煤量多，降低了回采率;2.采煤后即时用水力、风力对采空区进行充填，此方法充填密实度差，只能解决薄煤层的开采问题，对厚煤层乃致特厚煤层开采问题无法解决。3.大面积协调开采、分次开采法是使采区地表均匀下沉并要始终保持地面水平，对煤层赋存条件要求严格，技术上、管理上难度大，无法普遍推广。最终只有对采煤区地表的建筑物进行加固、维修或搬迁，造成重大经济损失。

本发明的目的是研制一种在采空区的对应地表，对煤层上覆岩层进行密实充填、减缓地表下沉的方法及其实施设备。

本发明方法的要点是：在采煤区的对应地表，向煤层上覆岩层的离层传递带中打钻孔，然后用泵将充填材料从钻孔压入离层传递带的空隙中，实现高压密实充填，减缓与阻截离层传递带以上岩层的继续下沉。

钻孔的位置在采区地表的预计最大下沉点和预计最小水平移动点之间的范围内，并根据该范围内地表建筑物和设施具体情况确定。若受地面建筑的限制，钻孔可适当向上山方向移置。最大下沉点和最小水平移动点，按每个矿区的地表变形规律、根据有关参数，通过计算和图解方法求得。如果是水平煤层其最大下沉点和最大水平移动点就在采空区的中心位置，如果是倾斜煤层，则要根据煤层倾角、下山影响角、上山影响角、最大下沉角等参数，求出最大下沉点和最小水平移动点。

两个相邻钻孔的距离可为250-350m。钻孔的深度H应小于或等于煤层的上覆岩层厚度H。减去矿区采煤后形成的导水裂隙带的最大高度h₁和安全隔离带岩层厚度h₂，即H≤H₀-h₁-h₂。钻孔深度需达到离层传递带中，但又不能接触弯曲破裂带，安全隔离带属于离层传递带的一部分，是与弯曲破裂带靠近的那一部分。安全隔离带的厚度要根据岩层的结构和性质确定，可取50-150m。

在用钻机打孔时，每50米测一次钻孔斜度，每隔适当距离，取岩芯一次，以便掌握上覆岩层的资料，钻孔达到预定深度时，取出钻具进行电测，测得钻孔不同深度的直径和温度。钻孔直径可为160-170mm。根据上述资料进行固井设计，固井的方法是：先在钻孔内放入套管，为保证固井水泥环的厚度，套管直径要比钻孔直径小30-50mm为保证套管竖直并居于钻孔中央，在套管周围置有扶正器，为便于水泥浆流动，套管下端比钻孔底部要高出一段。然后在套管的上端安装固井井头装置（胶塞预先置于井头装置内），打开注水泥浆阀门，将500＃水泥制成比重为1.3-1.5的水泥浆注入套管内，注浆量由套管外面的环形空间容积Q决定，Q＝KHπ（R²-r²），式中，H为钻孔深度，R为钻孔的平均半径，r为套管半径，K为余富系数。由于注入水泥浆量要多于环形空间需要量，即K取为1.1-1.2。当达到规定注入量时，关闭注入水泥浆阀门，打开注泥浆阀门，使具有60-70kg/cm²压力的泥浆注入套管内，驱使套管内的胶塞下移，将套管内的水泥浆，由管下端压入管外的环形空间，待水泥浆溢出后，关闭注泥浆阀门，保持压力养生48小时左右，然后打开阀门放压，拆除井头装置，重新下钻具，清除钻孔底部胶塞和水泥等一些杂物后。在套管内按置注浆管，注浆管与套管直径之比为1∶1.5-2.5。注浆管下端要比套管长出5-20m，在注浆管下端约有5m左右长度的管壁上，沿轴线方向均匀地设有排出浆孔，相邻两孔距离可为500mm，孔径为8-10mm，管的下端为斜口，有利于充填材料的排泄，避免堵塞。在井（钻孔）口装有井口装置，在该装置上装有注浆管路系统和循环管路系统，这两个系统分别由阀门E、F，阀门C、D和管路组成。循环管路系统是在注浆管阻塞时改变浆液流向，是防止和解决堵管问题的方便措施。

为实施本发明方法在井口设置固定式或移动式注浆站。

固定式注浆站包括储灰场、皮带机储水箱、泥浆池，搅拌机，搅拌器、泥浆泵、井口装置等，移动式注浆站，为多辆汽车组合，泥浆泵、搅拌机、泥浆箱、搅拌器、水箱等均在汽车上，可一站注多孔，充填材料可选用粒度在1mm以下的粉煤灰或粘土等，特别是利用火力发电厂的粉煤灰，既合理地处理了废渣，又找到了廉价量大的充填材料，一举两得。体现了“以废治沉”。

本发明方法的优点：不在矿井井下做工作而是在地面上采取措施对煤层上覆岩层离层带进行密实充填，操作方法简单易行，效果好，不受井下的空间、时间条件限制，不与生产干扰，安全可靠，井下开采，井上充填，开采充填两个误，可同步进行。不需复杂的技术装备和高超的操作水平，易于掌握，造价低，设施可重复使用，利用率高，经济效益高，本发明方法与“条带式”开采法比较，在达到相同地表变形值时，回采率可提高30%，生产效率可提高50%。与“大面积协调分次开采”法相比，在地面达到相同变形值时，巷道掘进率可降低一倍，巷道维修率可降低2-3倍，生产效率可提高50%以上。本发明方法虽需在地面打钻孔、建注浆站，但与建筑物损坏动迁、土地沉陷赔偿、复填造田等因素相比较经济效益是显著的。

图1是采煤区的上覆岩层断面活动示意图;

图2是采煤区地表移动变形示意图。

图中，H₀为上覆岩层总厚度，M为煤层厚度，a为缓慢沉降带的厚度，b为离层传递带的厚度，c为弯曲破裂带的厚度，L为采空区长度δ为走向影响角，α为煤层倾角，β为下山影响角，γ为上山影响角，θ为最大下沉角，P为予计最大下沉点，S为予计最小水平变形点，W（x）为地表下沉预计曲线，W_max为地表预计最大下沉值，u（x）为地表预计水平移动曲线，h₁为采煤后形成的导水裂隙带最大高度，h₂为安全隔离岩层厚度。

图3是固井示意图;

图4是钻孔结构示意图。图中有：井头装置1，压力表2，胶塞6，扶正器3，套管4，固井水泥浆阀门A，压力泥浆阀门B，固井水泥环5，注浆管7注浆管下部筛孔8，注浆管路系统9，循环管路系统10注浆管下端斜口11。

图5为固定式井口注浆站示意图。

图中有贮料场12，皮带机13，搅拌机14，贮水箱15，搅拌器16，泥浆池17，泥浆泵18，水井19，潜水泵20，充填井口装置21。

图6为采煤后井下充填方法，上覆岩层活动状况。

图7为采煤后，离层带泥浆充填方法，上覆岩层活动状况。

上述发明方法结合抚顺矿区地表变形规律及有关参数制定了实施方案，经抚顺矿区一年多实施，证明理论符合实际，效果明显，经济效益大。

图4是抚顺矿区实施本发明的钻孔结构示意图;打钻用国产钻机钻孔深度达离层传递带内时，为330m，钻孔直径165mm，套管用直径为127mm的钢管，长325m。注浆管直径73mm。在管下端5m的长度上有几排筛孔，每相邻两孔距500mm，孔径10mm，在井（钻孔）口建立固定注浆站，皮带机6Kw，搅拌器电动机6Kw，泥浆泵为80Kw和135Kw。

注浆过程是：先打开注浆管路系统〔9〕的阀门E，将充填物料（粉煤灰）及水按一定比例送进搅拌机〔14〕进行均匀搅拌，拌好的浆液落入泥浆池〔17〕，比重大于或等于1.2。为防沉淀，泥浆池〔17〕内设有搅拌器〔16〕，每隔一定时间搅拌一次，池〔17〕内泥浆由泥浆泵〔18〕用30-50kg/cm²压力经注浆管路系统〔9〕、阀门E进入离层传递带的空隙中，若注浆管〔7〕阻塞，就打开循环管路系统〔10〕的阀门C，打开注浆管路系统〔9〕的阀门F，关闭阀门E，泥浆泵〔18〕将泥浆从阀门F压入套管〔4〕，由孔底经注浆管〔7〕、阀门C返回到泥浆池〔17〕，即处理注浆管〔7〕的阻塞问题。

经过抚顺矿区一年来每天连续注浆，注浆压力由最初的80kg/cm²降到50kg/cm²，最后稳定到35kg/cm²左右，现已注浆20000m³，其中电厂粉煤灰7000m³、水13000m³。上述密实充填实验，经地表每月观测数据累计统计表明，地表最大下沉量比预计减少50-60%，最大下沉速度比预计减缓70-80%，在地下采煤范围25700m²，煤层厚度27m的情况下，采出煤炭100余万吨，用上述方法充填后，地面建筑物无损坏，安全无恙。

Claims

1、一种减缓地表下沉的方法，在采煤区的地表向上覆岩层传递带中打钻孔，然后将填充料从钻孔压入离层传递带的空隙中，其特征是钻孔的深度H应小于或等于煤层的上覆岩层厚度H。减去矿井采煤后形成的导水裂隙带的最大高度h₁和安全隔离带岩层厚度h₂，即H≤H₉-h₁-h₂，安全隔离带的厚度要根据岩层的结构和性质确定，可取50-150m。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征是钻孔的位置在采区地表的预计最大下沉点和预计最小水平移动点之间的范围内，若受地面建筑物限制，钻孔可适当向上山方向移置。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征是两个相邻钻孔之间的距离可为250-350m。

4、按照权利要求1所述的方法，其特征是钻孔的直径可为160-170mm，套管（4）的直径要比钻孔直径小30-50mm。

5、按照权利要求1、4所述的方法，其特征是固钻孔时，先在钻孔内装入套管、（4），套管（4）周围置有扶正器（3），套管（4）下端比钻孔底部高出一段，然后在套管（4）的上端安装固井井头装置（1），（胶塞（6）予先置于井头装置内），打开注入泥浆阀门A，将水泥浆灌入套管（4）内，当达到规定注入量时，关闭注入水泥浆阀门A，打开注入泥浆阀门B，具有60-70kg/cm²压力的泥浆驱使套管（4）内的胶塞（6）下移，将套管（4）内的水泥浆由管（4）下端压入管外的环形空间，待水泥浆溢出地面后，关闭阀门B，保持压力养生48小时左右，再打开阀门放压，拆除井头装置（1），重新下钻具清除钻孔底的胶塞（6）、水泥等杂物。

6、按照权利要求4所述的方法，其特征是在套管（4）内插入注浆管（7），注浆管（7）比套管（4）长5-20mm，注浆管（7）与套管（4）直径之比为1∶1.5-2.5。

7、按照权利要求6所述的方法，其特征是在注浆管（7）下端约有5m左右长度的管壁上，沿轴线方向均匀的设有排浆孔（8），相邻两孔（8）距离可为500mm，直径为8-10mm。

8、一种实施减缓采煤区地表下沉方法的井口注浆站，该站设施有储料场（12）、皮带机（13）、搅拌机（14）、贮水箱（15）、搅拌器（16）、泥浆池（17）、泥浆泵（18）、潜水泵（20）、井口装置（21），其特征是井口装置（21）上装有注浆管路系统（9），循环管路系统（10），注浆时，先打开注浆管路系统（9）的阀门E，将充填物料（粉煤灰）及水按一定比例送进搅拌机（14）进行均匀搅拌，拌好的浆液落入泥浆池（17），为防止沉淀，泥浆池（17）内设有搅拌器（16），每隔一定时间搅拌一次，池（17）内泥浆由泥浆泵（18）用30-50kg/cm²压力，经注浆管路系统（9）的阀门E进入离层传递带空隙中;注浆管（7）阻塞时，就打开循环管路系统（10）的阀门C，打开注浆管路系统（9）的阀门F，关闭阀门E，泥浆泵（18）将泥浆从阀门F压入套管（4），由孔底经注浆管（7）、阀门C返回到泥浆池（17）。