CN101832137B

CN101832137B - 一种煤层顶板支撑柱的预埋方法

Info

Publication number: CN101832137B
Application number: CN 200910307130
Authority: CN
Inventors: 鞠喜林; 刘丽梅; 潘霞
Original assignee: ENN Coal Gasification Mining Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: CN101832137A

Abstract

本发明提出一种煤层顶板支撑柱的预埋方法，包括根据煤层顶板物性参数估算预埋支撑柱的距离，再从地面向煤层钻进竖直钻孔至煤层底板，采用扩孔技术将煤层段的钻孔扩大，向煤层段钻孔内注满特种水泥、石英砂、废弃耐火材料等制成的混凝材料，候凝后形成耐高温、耐高压的煤层顶板支撑柱，在多个煤层顶板支撑柱的作用下，即使支撑柱附近的煤炭都被气化掉以后，煤层顶板也不会冒落，就可以避免因煤层顶板冒落导致的进水、漏气等影响煤炭地下气化正常进行的问题。

Description

一种煤层顶板支撑柱的预埋方法

技术领域

本发明涉及煤层巷道、采空区或岩溶塌陷区的支护和环境恢复治理等领域，特别涉及在地下煤层或巷道中设置用于防止煤层顶板变形冒落的支撑柱的方法。

背景技术

在煤炭开采过程中，随着采出煤炭量的增大，煤层采空区也在不断的增大，煤层顶板冒落的可能性也随之增加。当采空区扩大到一定程度时，上方煤层将产生冒落，当冒落范围及规模较大时，有可能引起煤层顶板的过量移动、开裂破坏及地表沉陷，使上含水层的水或地表水侵入采空区内，影响正常工作的开展。预防顶板冒落的方法，在矿井式人工开采中通常有预留煤柱、锚杆支护、井下充填等手段；而在煤炭地下气化中，通常因为人、机械设备无法进入燃空区，无法控制燃空区的大小，也就无法防止煤层顶板冒落。

上世纪八、九十年代有专利US4243101、US5287926公开通过向燃空区充填泥砂、煤灰、矿渣等废弃物避免燃空区过大引起煤层顶板冒落，此法针对倾斜干燥煤层相对效果比较好，而对于水平煤层或含水煤层，会因为填料覆盖在煤层上造成部分燃烧面被熄灭，或充填引入的大量水降低了地下气化炉的温度，使得气化效率也随之降低。另外，对燃空区实施充填，地面设备复杂、填料需求量特别大，成本相对比较高。

发明内容

本发明涉及在地下煤层或巷道中设置用于防止煤层顶板变形冒落的支撑柱的方法。针对煤炭开采，特别是煤炭地下气化过程中为防止煤层顶板变形冒落进行的煤层预处理，还可用于煤层巷道、采空区或岩溶塌陷区的支护和环境恢复治理等领域。

针对现有技术的缺陷，本发明公开在尚未气化的煤层布置耐高温、高压的支撑柱，支撑柱在周围煤层燃烧气化之后起到支撑煤层顶板的作用。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

通过对煤层顶板岩石的应力测试分析，计算预测出燃空区在多大范围下煤层顶板即将冒落，依此来规划支撑柱的位置，包括根据煤层顶板的物性参数估算支撑柱之间的有效间距，以及预埋支撑柱的分布规划。支撑柱的间距L计算公式如下：

L = αh \sqrt{\frac{{2 R}_{t}}{q}}

式中：L-支撑柱间距，m；

α-为调整系数；

h-老顶(位于直接顶之上或直接位于煤层之上难垮落的岩层)的厚度，m；

Rt-老顶的抗拉强度，N/m²；

q-老顶所承受的单位面积上的载荷，N/m²。

若老顶以上为多层岩层组成时，则应考虑此多层对老顶的影响，此时q值可按下式确定：

q_{n} = \frac{E_{1} h_{1}^{3} (r_{1} h_{1} + r_{2} h_{2} + . . . + r_{n} h_{n})}{E_{1} h_{1}^{3} + E_{2} h_{2}^{3} + . . . + E_{n} h_{n}^{3}}

当q_n+1＜q_n时，则以q_n作为载荷q的值。式中：E_n、h_n、r_n分别为第n层岩层的弹性模量、岩层厚度和岩层容重。

本发明可根据地下气化盘区的大小、形状选择合适的支撑柱布置方案。通常线形分布支撑柱群适用于条状气化区域，气化后会留下狭长形的空间，所分布的支撑柱能够维持煤层顶板不冒落；而面形分布的支撑柱群适用于大面积方块盘区气化区域，支撑柱能够维持长、宽跨度都很大的燃空区的顶板不冒落。

从地表向煤层钻进竖直孔，至煤层底板。利用扩孔钻具对煤层段钻孔进行扩孔至目标大小。

所述的煤层以上的钻孔直径通常为150mm～500mm；而煤层段的钻孔经扩孔后直径可达300mm～1000mm。

用石英砂、废弃的耐火材料、陶瓷碎料、铝浮渣废料等作为骨料与特种水泥在地面混合，其目的在于候凝固结后能够形成耐高温、高压的实体。混凝材料在地面搅拌均匀，通过一根竖直钢管注满地下煤层钻孔区域，候凝，在煤储层内形成一个直径较大的支撑柱。

所述的混凝材料，凝结后具有耐高温500℃～1800℃、耐高压1.0Mpa～6.0Mpa，混凝材料通常是由特种水泥与石英砂、废弃的耐火材料、陶瓷碎料或铝浮渣废料等的一种或多种组成，但不局限于以上几种。

所述的支撑柱，形状可以是圆柱形的、倒置圆台形的、或内穿孔的圆柱或圆台形的，但不局限于以上几种。

内穿孔的圆柱或圆台形支撑柱可以通过上部竖直孔和内穿孔将空气输送到煤层中，其实现途径是在支撑柱候凝好之后，经过造斜或小曲率定向钻从支撑柱顶部钻进、侧面钻出；或在注混凝材料时预留钻孔。

内穿孔的实现途径优选造斜或小曲率定向钻，在煤层太薄的情况下(比如煤层厚度≤2.0m)，造斜和小曲率定向钻做不出预期的内穿孔，就需要在注混凝材料时预留钻孔。

所述的煤层段钻孔，可以是裸孔，但为了避免注入的混凝材料沿煤层裂隙流串堵塞煤层裂隙，或者煤层的含水影响混凝材料凝结效果，可以在注入钢管的末端通过丝扣固定一柔性塑形袋，优选不透水的塑形袋，长度略大于煤层厚度，直径略大于煤层段钻孔的直径，鼓起后的形状与煤层段的钻孔形状相似。可以是编织袋、帆布袋、塑料袋等，塑形袋顶部固定于钢管的末端，注入混凝材料之前，鼓风让塑形袋鼓起，袋子四周最好与钻孔内壁紧贴，注满混凝材料之后，转动钢管使之与塑形袋脱落，袋子内的混凝材料经过凝结形成支撑柱。

支撑柱埋好以后，上部钻孔可封死也可再利用，上部钻孔的再利用，经常通过下入套管固井，与支撑柱的内穿孔连通，保持钻孔从地面深入到煤层，在支撑柱周围煤炭被气化掉以后，该钻孔可以用作进气孔。

当煤炭地下气化区域扩展到支撑柱附近时，该支撑柱不会因为高温作用而粉化，也不会因为其周围煤层燃尽后承重加大而坍塌，起到对煤层顶板的支撑作用。在多个煤层顶板支撑柱的作用下，即使支撑柱附近的煤炭都被气化掉以后，煤层顶板也不会冒落，就可以避免因煤层顶板冒落导致的进水、漏气等影响煤炭地下气化正常进行的问题。

附图说明

图1为支撑柱线形分布俯视图。

图2为支撑柱面形分布俯视图。

图3为地层中钻孔分布纵向剖视图。

图4-a为单个圆柱式支撑柱俯视图及其纵向剖视图。

图4-b为单个倒置圆台式支撑柱俯视图及其纵向剖视图。

图4-c为单个内穿孔倒置圆台式支撑柱俯视图及其纵向剖视图。

其中，图3为摘要附图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

一种煤层顶板支撑柱的预埋方法，具体实施如下：

1、根据乌兰察布煤层顶板物性参数及支撑柱间距计算公式，估算顶板支撑柱的间距L为25米，根据地下气化盘区的大小、形状选择合适的支撑柱布置方案。图1的线形分布支撑柱群适用于条状气化区域，气化后会留下狭长形的空间，所分布的支撑柱能够维持煤层顶板不冒落；而图2的面形分布的支撑柱群适用于大面积方块盘区气化区域，支撑柱能够维持长、宽跨度都很大的燃空区的顶板不冒落，图1、2支撑柱均采用25米的间距。

2、在选好的位置进行垂直钻孔施工，钻孔直径为150mm，钻进到煤层底板处，在煤层内采用扩孔钻头来回扫孔，将煤层段的孔径扫至1000mm，即形成圆柱式钻孔(见图4-a)，也可以通过扫孔，形成上宽下窄的倒置圆台式钻孔(见图4-b)。

3、在地面将耐高温、耐高压混凝土调配好、搅拌均匀，通过一根钢管将混凝土注入煤层扩好的钻孔中，至混凝土充满整个煤层段钻孔，候凝成型。为了避免混凝土沿煤层裂隙流失，或在煤层中遇水凝结后强度失效，可以在注入钢管的末端固定一不透水塑形袋(鼓起后体积略大于煤层段的钻孔体积，高度略大于煤层厚度)，在注入混凝土前，鼓风将塑形袋撑起，使塑形袋壁与钻孔壁紧贴，注满混凝材料，转动钢管使之与塑形袋脱落，候凝成支撑柱。

4、支撑柱埋好以后，上部钻孔可封死也可再利用。在不计划利用上部竖直钻孔的情况下，可以继续注入混凝土将上部钻孔封死。上部钻孔也可再利用：在混凝土凝固结实后，采用造斜或小曲率定向钻沿上部小直径钻孔继续钻进，或在注混凝材料时预留钻孔，形成内穿孔倒置圆台式支撑柱(见图4-c)，然后下入套管进行固井，与支撑柱的内穿孔连通，保持钻孔从地面深入到煤层，如此形成的钻孔具有利用价值。在注混凝材料时预留钻孔的通常做法是：在塑形袋的袋口至腰部设置一肠状通道，内置轻质玻璃钢管或装满耐压塑料泡沫，在注入混凝材料时保持肠状通道不变形，一经高温高压后，肠状通道能通气。

Claims

1.一种煤层顶板支撑柱的预埋方法，包括从地面向煤层钻孔至煤层底板，采用扩孔技术将煤层段的钻孔扩大，向煤层段钻孔内注入混凝材料形成煤层顶板支撑柱，

其中，所述支撑柱形状为内穿孔的圆柱或圆台形，

并且，所述内穿孔是在支撑柱候凝好之后，经过造斜或小曲率定向钻从支撑柱顶部钻进、侧面钻出形成，或是在注混凝材料时预留钻孔形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，煤层以上的钻孔直径在150mm～500mm；煤层段的钻孔经扩孔后直径为300mm～1000mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混凝材料由特种水泥与石英砂、废弃的耐火材料、陶瓷碎料或铝浮渣废料的一种或多种组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在煤层厚度≤2.0m时，在注混凝材料时预留钻孔。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，煤层段钻孔为裸孔或内衬塑形袋的钻孔。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，内衬塑形袋为编织袋、帆布袋或塑料袋。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，内衬塑形袋鼓起后的形状与煤层段的钻孔形状相似，长度略大于煤层厚度，直径略大于煤层段钻孔的直径。

8.根据权利要求1～7所述的任意一种方法，其特征在于，条状气化煤层区域采用线形分布支撑柱群，煤层大面积方块盘区气化区域采用面形分布的支撑柱群。