CN108756883A - 一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及系统，本发明利用搅拌‑注浆设备和注浆封孔器装置将化学膨胀浆液注入顶板孔内，孔内装有密封膜袋，起到注浆时浆液不向孔周围裂隙流失的作用，借助浆液的体积膨胀反应原理，将设计好的巷道顶板临空钻孔压裂，起到破坏坚硬顶板整体性的作用。本发明可解决煤矿坚硬顶板悬顶、末采段顶板压力以及坚硬煤体放顶问题。本发明具有井下操作工程量小、劳动强度低、压裂效果好等特点。

Description

一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及系统

技术领域

本发明主要涉及煤矿井下工程技术领域，尤其涉及工作面两顺槽端头、切眼工作面及末采段回撤巷道上方坚硬顶板压裂等工程领域，具体涉及一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及系统。

背景技术

关于坚硬顶板的卸压方法，国内常见的方法主要有采后两巷断顶法、小孔径浅孔放顶法、采前深孔预裂爆破、CO₂爆破至裂、高压水压裂以及注水软化至裂等方法，但目前的这些方法要么存在施工量以及难度大的问题，要么在施工过程中，有些方法需要用到炸药进行爆破，爆破产生的噪声大，同时还会产生粉尘及有害气体，造成井下的污染较大，若采用爆破的手段，井下产生的热量也比较高，影响采煤的安全。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述不足，提供一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法及系统，以解决煤矿井下工作面端头悬顶灾害、末采段坚硬顶板垮落问题，具有工程量小、劳动强度低、无噪声、无污染、发热量小、成本低以及作业相对安全的特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，包括以下步骤：

步骤一，在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，每间隔预设距，向实体煤帮上方布置一组孔，每组孔包括顶板压裂孔和临空孔；

步骤二，向顶板压裂孔内设置密封膜袋；

步骤三，在设置有密封膜袋的顶板压裂孔的孔口位置安装注浆封孔器；

步骤四，在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，依次向每组顶板压裂孔内注浆，注浆时，从顶板压裂孔中的注浆封孔器向顶板压裂孔内注浆，直至所有顶板压裂孔内充满浆液；浆液在顶板压裂孔内进行反应，并发生膨胀，使顶板压裂；

在浆液反应过程中，通过临空孔对顶板压裂孔内的压裂效果持续监测。

步骤一中，每组孔中，顶板压裂孔和临空孔为一组向煤体上方顶板侧倾斜的上下平行孔，倾斜角20°～45°；相邻两组顶板压裂孔之间的距离为15m～20m，顶板压裂孔和临空孔的孔口间距为50cm～70cm，孔径为60mm～95mm，孔深为20m～40m。

顶板压裂孔的孔深比临空孔的孔深小2～3m。

步骤一中，采煤工作面超前段为两顺槽超前段。

在两顺槽超前段布置孔时，从超前工作面20m开始布置孔，一次设计长度为100m～200m。

密封膜袋的材质为PE，直径为10cm～12cm。

注浆的浆液为注浆材料和水按照质量比为(2.5～3.8):1的比例混合均匀配制而成，浆液的配置时间和注入时间之和不大于10分钟。

注浆压力不小于10MPa，流量不低于80L/min。

一种煤矿坚硬顶板注浆压裂系统，包括搅拌-注浆设备、注浆封孔装置以及密封膜袋推送杆，搅拌-注浆设备包括依次相连的搅拌机、注浆机以及出浆管，注浆封孔装置包括注浆封孔器，注浆封孔器上连接有进浆杆和打压泵，进浆杆与出浆管连接。

密封膜袋推送杆包括若干节能够插接连接的圆管，每节圆管的长度为2.0m～4.0m，外径为20mm～40mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂方法先在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，每间隔预设距，向实体煤帮上方布置一组孔，每组孔包括顶板压裂孔和临空孔，再向顶板压裂孔内设置密封膜袋，再在设置有密封膜袋的顶板压裂孔的孔口位置安装注浆封孔器，再在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，依次向每组顶板压裂孔内注浆，注浆时，从顶板压裂孔中的注浆封孔器向顶板压裂孔内注浆，直至所有顶板压裂孔内充满浆液；注入的浆液在顶板压裂孔内进行反应，在反应过程中，注浆封孔器将顶板压裂孔的孔口封堵死，由于浆液反应并发生膨胀，因此在顶板压裂孔内形成高压，使得顶板被压裂，本发明的这种压裂方法通过浆液反应固化产生的膨胀力将顶板压裂，起到破坏坚硬顶板整体性的作用，压裂过程比较平稳，噪音小，并且不会产生灰尘以及有毒气体等，并且不会产生大量的热量，不会引燃井下的煤矿，因此也更加的安全，在施工时进行的注浆操作，相对于现有的手段来说，注浆操作相对简便易行，施工量较小。综上，本发明的压裂方法相比于现有技术具有绿色无污染，成本较低，安全问题可控，井下方便作业的特点。本发明的方法能够解决煤矿坚硬顶板悬顶、末采段顶板压力以及坚硬煤体放顶问题。

本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂系统通过密封膜袋推送杆能够向顶板压裂孔内设置密封膜袋，使用时通过密封膜袋推送杆将密封膜袋顶入顶板压裂孔内；在注浆前，将注浆封孔装置的注浆封孔器设置在密封膜袋的顶板压裂孔的孔口位置，然后在通过搅拌-注浆设备以及进浆杆从注浆封孔器向顶板压裂孔内注浆，当注浆完成后，将进浆杆从注浆封孔器上拆除，将注浆封孔器留在顶板压裂孔进行封堵，以保证顶板能够被压裂；通过本发明的系统能够保证本发明煤矿坚硬顶板注浆压裂方法的顺利进行，保证了也列效果。

附图说明

图1为本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂方法施工流程图。

图2为本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂方法现场施工巷道剖面示意图。

图中，1-顶板压裂孔、2-搅拌-注浆设备、3-出浆管、4-进浆杆、5-注浆封孔器、6-打压泵、7-密封膜袋、8-防爆电子秤、9-临空孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图2，本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂系统，包括搅拌-注浆设备2、注浆封孔装置、移动平板车以及密封膜袋推送杆，搅拌-注浆设备2包括依次相连的搅拌机、注浆机以及出浆管3，搅拌机和注浆机均设置在移动平板车上，便于移动，注浆封孔装置包括注浆封孔器5，注浆封孔器5上连接有进浆杆4和打压泵6，进浆杆4与出浆管3连接。

优选的，本发明的搅拌机、注浆机以及出浆管3分别为气动搅拌机、气动注浆机和出浆高压胶管，气动搅拌机的单孔搅拌容量范围在81.5L～172.5L；所述气动注浆机注浆压力不小于10MPa，流量不低于80L/min；密封膜袋推送杆包括能够依次连接的UPVC圆管，每节圆管的长度为1.5m～4.0m，管径为20mm～40mm，相邻两节圆管之间直接插接。

注浆封孔器5在顶板压裂孔内封孔长度为0.5m～1.5m，封孔直径60mm～95mm，注浆封孔器5中心的进浆口直径25mm～28mm，注浆封孔器5由手动打压泵6实施打压，使注浆封孔器5中的橡胶囊膨胀进行封孔；进浆杆4与注浆封孔器5连接，进浆杆4由多节杆连接而成，进浆杆4的单节长度为1.5m～3.0m，内径为25mm～28mm。

见图1，结合图2，本发明的煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，利用上述注浆系统进行，包括以下步骤：

步骤一：人员、设备、材料提前检查准备齐整，在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，向实体煤帮上方布置一排顶板压裂孔1，在顶板压裂孔1下下方对应布置一排临空孔9，一般从超前工作面20m采用液压钻机完成顶板压裂孔1和临空孔9的打孔工作。

在布置顶板压裂孔1和临空孔9时，在工作面两顺槽超前段从超前工作面20m开始布置，两顺槽超前段的一次设计长度在100m～200m，顶板压裂孔1的钻孔设计为沿着巷道轴向每间隔15m～20m设计一组向煤体上方顶板侧倾斜的上下平行孔，上孔为顶板压裂孔1，下孔为临空孔9，顶板压裂孔1和临空孔9的倾斜角20°～45°，且孔口的位置均位于实体煤煤帮腰线上方，顶板压裂孔1和临空孔9的孔口间距为50cm～70cm，孔径为60mm～95mm，孔深为20m～40m。上平行孔作为压裂孔，顶板压裂孔1的孔深要小于临空孔9的孔深2m～3m。

操作人员量保证2～3人，搅拌-注浆设备2、辅助工具及注浆原材料提前用移动平板车运输至井下预定位置，接好拌合浆液所需的水管。

步骤二：准备好密封膜袋推送杆和密封膜袋7，开展密封膜袋的孔内推送安放工作，其中密封膜袋7起到注浆时浆液不向孔周围裂隙流失的作用；

密封膜袋7采用防水防潮套管袋，为PE材质，直径为10cm～12cm，密封膜袋7通过密封膜袋推送杆将其顶入顶板压裂孔1内并直至孔底。

步骤三：开展注浆封孔装置的安装及封孔工作：

注浆封孔装置包括注浆封孔器5、进浆杆4及手动打压泵6，进浆杆4及手动打压泵6均与注浆封孔器5连接；注浆封孔器5由手动打压泵6实施打压封孔；进浆杆4连接注浆封孔器5，进浆杆4即起到辅助推送注浆封孔器5的作用，又起到进浆作用。浆液由注浆泵进入出浆管3再流入进浆杆4，再流入注浆封孔器5内，再流入顶板压裂孔1内的密封膜袋7。

步骤四：将搅拌-注浆一体设备2、注浆材料和防爆电子秤8等在井下准备到位，开展注浆材料的称量以及搅拌-注浆工作；

采用防爆电子秤8称量注浆材料和水，防爆电子秤8的量程在100kg～250kg；注浆材料和水按照质量比为(2.5～3.8):1的比例配比称量，注浆材料和水的搅拌以及注浆的时间需在10分钟内完成。采用气动搅拌机和气动注浆机完成搅拌和注浆工作。注浆压力不小于10MPa，流量不低于80L/min。

步骤五：注浆完毕后，首先将出浆管3与进浆杆4拆除，然后在气动搅拌机中加入水，冲洗1～2次气动搅拌桶和出浆管内的残余浆液。冲洗完成后，再进行下一个顶板压裂孔1注浆工作，直至所有顶板压裂孔内充满浆液；

浆液在顶板压裂孔1内进行反应，并发生膨胀，使顶板压裂；

在浆液反应过程中，通过临空孔9对顶板压裂孔内1的压裂效果持续监测。

优选的，前一个顶板压裂孔1从注浆完毕到孔内化学浆液开始反应的时间一般在1小时-12小时，并且该时间可通过控制浆液的组成进行调节。通过临空孔9对顶板压裂孔内1的压裂效果持续监测时，可在临空孔9内安设钻孔应力计进行持续性膨胀压力观测，以及深入钻孔窥视仪对临空孔9进行孔内持续性破裂观测。

优选的，注浆完毕后，注浆封孔器5在孔内浆液没有完全反应结束前不能撤离，必须留在孔内，待孔内浆液反应结束后，再撤去。

本发明具有以下有益效果：

(1)为煤矿坚硬顶板衍生灾害治理的绿色技术，安全问题可控，井下方便作业。

(2)通过本发明，可解决工作面两顺槽端头、切眼工作面及末采段回撤巷道上方坚硬顶板压裂等问题。

(3)本发明相比密集式强制放顶法，井下操作劳动强度低、顶板岩层压裂效果好等特点，实际应用前景广泛。

本发明可应用于：坚硬煤岩体构筑物破除、钢筋凝土构筑物的拆迁、矿井煤仓、硐室等工程刷制方面、用于矿井掘进面、公路隧道等静态破碎施工的工程、用于切顶卸压沿空留巷、工作面端头悬顶放顶工程、用于包括高瓦斯矿井、水害矿井及冲击地压矿井内的所有煤矿地质条件。具有井下操作工程量小、劳动强度低、压裂效果好等特点。

Claims (10)

1.一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，每间隔预设距，向实体煤帮上方布置一组孔，每组孔包括顶板压裂孔(1)和临空孔(9)；

步骤二，向顶板压裂孔(1)内设置密封膜袋(7)；

步骤三，在设置有密封膜袋(7)的顶板压裂孔(1)的孔口位置安装注浆封孔器(5)；

步骤四，在采煤工作面超前段，沿着巷道轴向，依次向每组顶板压裂孔(1)内注浆，注浆时，从顶板压裂孔(1)中的注浆封孔器(5)向顶板压裂孔(1)内注浆，直至所有顶板压裂孔(1)内充满浆液；浆液在顶板压裂孔(1)内进行反应，并发生膨胀，使顶板压裂；

在浆液反应过程中，通过临空孔(9)对顶板压裂孔(1)内的压裂效果持续监测。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，步骤一中，每组孔中，顶板压裂孔(1)和临空孔(9)为一组向煤体上方顶板侧倾斜的上下平行孔，倾斜角20°～45°；相邻两组顶板压裂孔(1)之间的距离为15m～20m，顶板压裂孔(1)和临空孔(9)的孔口间距为50cm～70cm，孔径为60mm～95mm，孔深为20m～40m。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，顶板压裂孔(1)的孔深比临空孔(9)的孔深小2m～3m。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，步骤一中，采煤工作面超前段为两顺槽超前段。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，在两顺槽超前段布置孔时，从超前工作面20m开始布置孔，一次设计长度为100m～200m。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，密封膜袋(7)的材质为PE，直径为10cm～12cm。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，注浆的浆液为注浆材料和水按照质量比为(2.5～3.8):1的比例混合均匀配制而成，浆液的配置时间和注入时间之和不大于10分钟。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂方法，其特征在于，注浆压力不小于10MPa，流量不低于80L/min。

9.一种煤矿坚硬顶板注浆压裂系统，其特征在于，所述系统用于在实施权利要求1-8任意一项所述的煤矿坚硬顶板注浆压裂方法时设置密封膜袋(7)以及向顶板压裂孔(1)内注浆，包括搅拌-注浆设备(2)、注浆封孔装置以及密封膜袋推送杆，搅拌-注浆设备(2)包括依次相连的搅拌机、注浆机以及出浆管(3)，注浆封孔装置包括注浆封孔器(5)，注浆封孔器(5)上连接有进浆杆(4)和打压泵(6)，进浆杆(4)与出浆管(3)连接。

10.根据权利要求9所述的一种煤矿坚硬顶板注浆压裂系统，其特征在于，密封膜袋推送杆包括若干节能够插接连接的圆管，每节圆管的长度为2.0m～4.0m，外径20mm～40mm。