CN109139014A - 一种射孔预裂切顶沿空留巷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采矿领域，公开一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，采煤工作面回采前，在预留的巷道中打钻孔；对钻孔进行第一次注浆；回采过程中对超前的1个钻孔进行定向射孔；射孔后对钻孔进行第二次注浆；继续煤炭回采，对预留的巷道顶板加强支护，并在第二次注浆后预设时间内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处；直到煤炭安全回采；矿山来压时，沿着设有钻孔的软弱面切下，预留的巷道完成。本发明的方法：简单易实施；预裂更精准；提前预注浆，提高了切顶的效果；安全性更高；射孔后有支撑材料，预裂的裂缝不会愈合；射孔后注浆，可以提高材料的充填效果，降低漏风等不安全风险；微生物注浆材料有自愈合性，会提高切顶后的密封性。
Description
技术领域
本发明涉及采矿领域，与地质工程领域有一定的交叉，尤其涉及一种射孔预裂切顶沿空留巷方法。
背景技术
我国煤炭开采工艺一般是先掘进2条巷道，形成切眼后进行煤炭回采。然后，留设1个煤柱。煤柱的留设减少了煤炭的回采率。为了提高煤炭回采率，减少资源浪费，常常采用沿空留巷的方法，减少1条巷道的掘进，减少1个煤柱的留设。但常规的沿空留巷方法存在以下问题：
1)沿空留巷采用爆破切顶，所用能量巨大，不容易控制裂隙的发育，会造成切顶效果差，所产生的留巷受压力影响变形无法使用。
2)沿空留巷采用爆破切顶，一次爆破后会造成钻孔无法继续使用，若需要进一步爆破，需要另外打孔，工程量大。
3)沿空留巷采用爆破切顶，爆破过程不容易控制，存在不安全因数，安全系数低。
4)现有沿空留巷切顶的手段，采用冲击波或水压力破岩后无支撑材料，在天然应力场作用下，裂隙可能会紧闭，切顶效果不好。
5)现有的沿空留巷切顶技术，不考虑被切岩层的天然结构面，岩层由于构造作用等原因，天然存在裂隙，不会这些优势结构面提前预注浆，切顶后岩层垮落可能不会沿着人工预裂的裂缝切开，会造成沿空留巷失败概率提高。
6)现有的沿空留巷切顶技术均在切顶完成后再注浆，但由于注浆的岩体应力环境已经解除，因此无法带中高压注浆，低的注浆压力会造成浆液扩散范围低，充填效果不好。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种射孔预裂切顶沿空留巷方法。
本发明采用以下技术方案：
一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，包括下述步骤：
步骤一：采煤工作面回采前，在预留的巷道中间隔预设距离打钻孔；
步骤二：对步骤一中打好的钻孔进行第一次注浆，第一次注浆材料的强度大于钻孔处不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值；
步骤三：对煤炭回采，回采过程中，对超前的1个钻孔进行定向射孔，定向射孔的方向为采空区方向；
步骤四：射孔后对钻孔进行第二次注浆，注浆材料包括黏土、微生物菌液和营养液，第二次注浆材料的强度低于钻孔处不同岩性的岩石单轴抗压强度；
步骤五：继续煤炭回采，对预留的巷道顶板加强支护，并在第二次注浆后预设时间内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处；
步骤六：重复步骤三～步骤五，直到煤炭安全回采；矿山来压时，沿着设有钻孔的软弱面切下，预留的巷道完成。
步骤一中，孔深度为预留巷道高度的1.5～2.5倍，相邻钻孔的间距为5～15米；钻孔的过程中取样并测试钻孔揭露不同岩性的岩石单轴抗压强度。
步骤二中，每个钻孔注浆结束的时间是煤炭开采前28天以上；第一次注入的浆液的28天强度大于步骤一中不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值；注浆完成后，不进行钻孔封孔。
步骤三中，定向射孔时，对超前的1个钻孔内放入射孔枪和射孔沙粒，并通过射孔枪发射沙粒对岩层进行定向射孔；每个钻孔中每2米为1个深度段，每个钻孔在不同深度段至少进行2次射孔，当射孔枪无法放入时，采用钻机扫孔后放入。
步骤四中，第二次注浆材料的3天凝结强度应不大于步骤一中不同岩性岩石单轴抗压强度的最小值的30％。
步骤五中，在第二次注浆后1～3天内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处。
还包括步骤七，对切下后预留的巷道靠近采空区一侧进行表面喷浆，喷浆的成分为水泥、微生物菌液和营养液；所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。
喷浆的成分包括水泥、微生物菌液和营养液，其中，水泥占喷浆总质量的80％～90％，微生物菌液和营养液体积比为1:1～1:3，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1。
第二次注的注浆材料包括黏土、微生物菌液和营养液，微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液；其中，黏土占总质量的50％～90％，微生物菌液与营养液体积比为1:1～1:2，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的射孔预裂切顶沿空留巷方法在采煤工作面回采前，在预留的巷道中等距打钻孔；第一次注浆主要是对留下的巷道的一侧的岩体的完整性进行加固，岩体力学表明岩体的断裂受结构面的控制，当巷道顶板岩性存在天然结构面时(如断层)，采煤可能不会沿着人工切割的结构面断开。因此，这需要注入的浆液强度大于围岩强度，即把天然结构面进行了改造，改造后不在是结构面。在钻孔中进行射孔工作，一方面是为了人工切割结构面，这不同爆破等，能够定向，可以精准切割，且一个钻孔能够多次切割而不会发生钻孔损坏，无法开展后续注浆的工作，或者造成工程量增大。另一个方面，射孔是通过沙粒破岩，其破岩距离增大，可以降低钻孔间距，节省工程量，同时沙粒被射出后留在岩体中，防治应力产生的闭合，提高了切顶的效果。此外，沙粒还有另外一个作用，就是作为后续注入的微生物浆液的一个胶结物，由于裂缝中充填了沙粒，微生物菌液会聚集在沙粒周围，提高了切顶后的胶结强度。在射孔完成，进行了第二次注浆，本次注入的浆液胶结强度低于周围的岩石，即形成了软弱结构面，为预裂切顶提供了路径。浆液中包含微生物浆液和黏土，微生物反应速度可控，且后期有更好的自愈合能力。黏土则有很好的封堵特性，切顶后可以有更好的封堵效果。矿山来压时，沿着设有钻孔的软弱面切下，预留的巷道完成。综上所述，本发明的方法：1)简单易实施；2)预裂更精准；3)提前预注浆，提高了切顶的效果；4)安全性更高；5)射孔后有支撑材料，预裂的裂缝不会愈合；6)射孔后注浆，可以提高材料的充填效果，降低漏风等不安全风险；7)微生物注浆材料有自愈合性，会提高切顶后的密封性。
附图说明
图1是本发明射孔预裂切顶沿空留巷方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的射孔预裂切顶沿空留巷方法，包括下述步骤：
步骤一：采煤工作面回采前，在预留的巷道中等距打钻孔。钻孔深度为预留巷道高度的1.5～2.5倍。相邻钻孔的间距为5～15米。钻孔的过程中取样并测试钻孔揭露不同岩性的岩石单轴抗压强度。
步骤二：对钻孔进行第一次注浆。每个钻孔注浆结束的时间是煤炭开采前28天以上。第一次注浆的材料是水泥、水和外加剂。其中，外加剂占总质量的5％以下，外加剂包括后强剂、泵送剂和防水剂。第一次注入的浆液的28天强度大于步骤一中钻孔揭露的不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值。注浆完成后，不进行钻孔封孔。
步骤三：对煤炭回采，回采过程中，对超前的1个钻孔内放入射孔枪和射孔沙粒，并通过射孔枪发射沙粒对岩层进行定向射孔。射孔的方向为采空区方向。每个钻孔中每2米为1个深度段，每个钻孔在不同深度段至少进行2次射孔。射孔枪无法放入时，采用钻机扫孔后放入。
步骤四：射孔后立刻对钻孔进行第二次注浆。注浆材料中包括黏土、微生物菌液和营养液。所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。其中，黏土占总质量的50％～90％，微生物菌液与营养液体积比为1:1～1:2，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1。第二次注浆材料的3天凝结强度应小于步骤一中钻孔揭露的不同岩性岩石单轴抗压强度的最小值的30％。本次注浆的压力大于2Mpa。
步骤五：继续煤炭回采，对预留的巷道顶板加强支护，并在第二次注浆后1～3天时间范围内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处。
步骤六：重复步骤三～步骤五，直到煤炭安全回采。由于第二次注浆材料为较低强度材料，矿山来压时，沿着软弱面(即设有钻孔的面)切下，预留的巷道完成。
步骤七：对切下后预留的巷道靠近采空区一侧进行表面喷浆，喷浆的成分为水泥、微生物菌液和营养液。所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。水泥占喷浆总质量的80％～90％，微生物菌液和营养液体积比为1:1～1:3，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1；制备喷浆时，将喷浆的各组分按照含量要求混合均匀即可。
步骤八：完成沿空留巷，为下一个采煤工作面节省了1个巷道的掘进，减少了煤柱，提高了煤炭回采率。
本发明种射孔预裂切顶沿空留巷方法的运行原理如下：
本发明第一次注浆主要是对留下的巷道的一侧的岩体的完整性进行加固，岩体力学表明岩体的断裂受结构面的控制，当巷道顶板岩性存在天然结构面时(如断层)，采煤可能不会沿着人工切割的结构面断开。因此，这需要注入的浆液强度大于围岩，即把天然结构面进行了改造，改造后不在是结构面。
在钻孔中进行射孔工作，一方面是为了人工切割结构面，这不同爆破等，射孔能够定向进行，能够精准切割，且一个钻孔能多次切割而不会发生钻孔损坏，无法开展后续注浆的工作，或者造成工程量增大。另一个方面，射孔是通过沙粒破岩，其破岩距离增大，能够降低钻孔间距，节省工程量，同时沙粒被射出后留在岩体中，防治应力产生的闭合，提高了切顶的效果。此外，沙粒还有另外一个作用，就是作为后续注入的微生物浆液的一个胶结物，由于裂缝中充填了沙粒，微生物菌液会聚集在沙粒周围，提高了切顶后的胶结强度。
在射孔完成，进行了第二次注浆，本次注入的浆液在3天时间内胶结强度远低于周围的岩石，即形成了软弱结构面，为预裂切顶提供了路径。此外，本次注浆为非低压注浆，浆液能够扩散更远，充填效果也有提高。浆液为微生物浆液和黏土，微生物反应速度可控，且后期有更好的自愈合能力。黏土则有很好的封堵特性，切顶后可以有更好的封堵效果。
切顶后形成的巷道，可能还存在部分的新裂隙，一方面靠浆液自修复，另一方面需要进行补充喷涂。由于矿山压力不稳定性，所喷浆液应有自愈合能力，因此选用水泥混合微生物菌液，而该微生物菌液和营养液也是与第二次注浆相配合。
应用实例：
某煤矿要开采4号煤层，为了提高煤炭回采率，采用沿空留巷技术，但采用原始的沿空留巷技术常有切顶效果不好、切顶后巷道封堵效果差等问题，产生了大量的安全问题，甚至发生了2次采空区漏风自燃的倾向。为了提高沿空留巷效率，减少安全隐患，对4号煤4103工作面回采时采用了以下步骤沿空留巷，减少了与4104工作面之间的煤柱留设：
步骤一：4103采煤工作面回采前，在预留的巷道中间隔一定距离打钻孔，共计实施32个钻孔。预留巷道高度为2米，钻孔深度为预留巷道高度为3～5米。钻孔的过程中取样并测试钻孔揭露不同岩性的岩石单轴抗压强度，钻孔共揭露2个岩性为粉砂岩和中砂岩，中砂岩单轴抗压强度在38.3Mpa～41.8Mpa，粉砂岩单轴抗压强度在14.6Mpa～33.2Mpa。相邻钻孔的间距为5～15米。
步骤二：对钻孔进行第一次注浆。每个钻孔注浆结束的时间是煤炭开采前28天以上。第一次注浆的材料是水泥、水和外加剂。其中，外加剂占总质量的5％以下，包括后强剂、泵送剂、防水剂。第一次注入的浆液的28天强度大于步骤一中不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值，达到42.5Mpa。注浆完成后，不进行钻孔封孔。
步骤三：煤炭回采，对超前的1个钻孔内放入射孔枪和射孔沙粒，并通过射孔枪发射沙粒对岩层进行定向射孔。射孔的方向为采空区方向。每个钻孔2米为1个深度段，钻孔有2～3个深度段，每个钻孔在不同深度段至少进行2次射孔。有3个钻孔射孔枪无法放入时，采用钻机扫孔后可以放入。
步骤四：射孔后立刻对钻孔进行第二次注浆。注浆材料为黏土、微生物菌液和营养液。所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。其中，黏土占总质量的50％以上。第二次注浆材料的3天凝结强度应小于步骤一中不同岩性岩石单轴抗压强度的最小值的30％，为2.8Mpa。本次注浆的压力大于2Mpa。
步骤五：继续煤炭回采，对预留的巷道顶板加强支护，并在第二次注浆后1～3天时间范围内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处。
步骤六：重复步骤三～步骤五，直到煤炭安全回采。由于第二次注浆材料为低强度材料，矿山来压时，沿着软弱面切下，预留的巷道完成。
步骤七：对切下后预留的巷道靠近采空区一侧进行表面喷浆，喷浆的成分为水泥、微生物菌液和营养液。所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。
步骤八：完成沿空留巷，为下4104采煤工作面节省了1个巷道的掘进，减少了煤柱20m，提高了煤炭回采率，多采出1.3万吨煤炭。
Claims (9)
1.一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：采煤工作面回采前，在预留的巷道中间隔预设距离打钻孔；
步骤二：对步骤一中打好的钻孔进行第一次注浆，第一次注浆材料的强度大于钻孔处不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值；
步骤三：对煤炭回采，回采过程中，对超前的1个钻孔进行定向射孔，定向射孔的方向为采空区方向；
步骤四：射孔后对钻孔进行第二次注浆，注浆材料包括黏土、微生物菌液和营养液，第二次注浆材料的强度低于钻孔处不同岩性的岩石单轴抗压强度；
步骤五：继续煤炭回采，对预留的巷道顶板加强支护，并在第二次注浆后预设时间内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处；
步骤六：重复步骤三～步骤五，直到煤炭安全回采；矿山来压时，沿着设有钻孔的软弱面切下，预留的巷道完成。
2.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，步骤一中，孔深度为预留巷道高度的1.5～2.5倍，相邻钻孔的间距为5～15米；钻孔的过程中取样并测试钻孔揭露不同岩性的岩石单轴抗压强度。
3.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，步骤二中，每个钻孔注浆结束的时间是煤炭开采前28天以上；第一次注入的浆液的28天强度大于钻孔处不同岩性岩石单轴抗压强度的最大值。
4.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，步骤三中，定向射孔时，对超前的1个钻孔内放入射孔枪和射孔沙粒，并通过射孔枪发射沙粒对岩层进行定向射孔；每个钻孔中每2米为1个深度段，每个钻孔在不同深度段至少进行2次射孔，当射孔枪无法放入时，采用钻机扫孔后放入。
5.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，步骤四中，第二次注浆材料的3天凝结强度应不大于步骤一中不同岩性岩石单轴抗压强度的最小值的30％。
6.根据权利要求5所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，步骤五中，在第二次注浆后1～3天内，煤炭回采到第二次注浆钻孔处。
7.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，还包括步骤七，对切下后预留的巷道靠近采空区一侧进行表面喷浆，喷浆的成分为水泥、微生物菌液和营养液；所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。
8.根据权利要求7所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，喷浆的成分包括水泥、微生物菌液和营养液，其中，水泥占喷浆总质量的80％～90％，微生物菌液和营养液体积比为1:1～1:3，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1。
9.根据权利要求1所述的一种射孔预裂切顶沿空留巷方法，其特征在于，第二次注的注浆材料包括黏土、微生物菌液和营养液，微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液；其中，黏土占总质量的50％～90％，微生物菌液与营养液体积比为1:1～1:2，营养液中尿素和CaCl2固体质量比为1:0.8～1:1。
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