CN110307034B - 采空区的条带式注浆充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区的条带式注浆充填方法，包括以下步骤：步骤1：以待建建筑群为受护对象，按照边界角划定采空区的治理范围；步骤2：在治理范围内，沿煤层走向或者沿煤层倾向间隔布置多条注浆充填带，注浆充填带呈条带型；步骤3：通过注浆设备在注浆充填带的位置进行注浆，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。本发明的非规则采空区的注浆充填方法有效地解决了现有技术中非规则采空区的注浆填充方法存在治理成本高、无法消除煤柱失稳地表突然性沉陷的隐患、难以保证减沉效果的问题。

Description

采空区的条带式注浆充填方法

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，具体而言，涉及一种采空区的条带式注浆充填方法。

背景技术

现有技术中，我国煤矿规模化开采有百余年历史。随着采煤技术的不断发展，同时受煤层赋存地质条件的影响，我国采煤方法经历了房柱法、条带法、短壁法、长壁法等多个发展阶段，采用的顶板管理方法有垮落法、充填法等。不同规模不同条件的矿井采用不同的采煤方法，煤层赋存地质条件较好的大型矿井通常采用长壁式采煤方法；地质条件不稳定的矿井通常采用短壁式、房柱式采煤方法，形成不规则的采空区和不规则的残留煤柱。

非规则采空区是指各开采工作面或开采区块的形状不规则，尺寸不一致，分布较零散；与此共存的残留煤柱，其形状、大小和分布也呈现不规则特性，不规则残留煤柱易于发生垮塌和连锁失稳，因而存在严重的安全隐患，治理难度大，非正规采空区多为非充分开采，采空区、治理费用高。

有关资料表明，不规则开采的采空区内部多呈未完全充填状态和半充填状态。充填物为垮落的岩块、煤块以及其它一些松散物，其中具有一些大小不等的空洞，特别是小窑、小煤矿和古窑采空区，采煤方式多为巷采或刀柱式采煤，采深采厚比一般在20～30左右，多数采空区留有相当于矿层厚度的40％～60％高的空洞，这些空洞一般是经过一定的时间(有些在几十年或者甚至上百年)后，在受到各种内外因素(如地应力、地下水、地面建(构)筑物荷载等)的作用下，有可能发生煤柱失稳，从而使顶板和地表发生突然变形或垮落，很难预测其发生的具体时间和具体位置及变形大小。

如大同矿区上覆岩层中有强度高且厚的砂岩，开采后顶板下沉缓慢，但当采空区面积达到几万、十几万平方米时，便发生大面积垮落沉陷，对地表危害很大。美国有30个州出现了废弃采空区地面沉降问题，地下开采量最大的宾夕法尼亚等五个州沉陷问题最为突出。通过对匹兹堡煤层下沉的研究指出报废煤矿的下沉可能在开采完以后许多年才发生，一半以上的下沉是在采后50年或更长的时间内发生，地表下沉发生时间无疑受岩层和煤柱破坏速度及其它因素的影响。

可见地下矿产的不规则开采，特别是小窑，留设的煤柱涉及长期稳定性问题，地表存在安全隐患，可能会引起煤柱突发性损害，地表形成突发性垮塌沉陷，危及地表建(构)筑物的安全，严重时可能会有人身安全。因此，在大规模非规则采空区上方建设大规模建筑群时，必须采取一定的措施消除煤柱突发性倒塌和地表突发性沉陷的隐患。

现有技术采用注浆充填方法包括以下几种方法：

(1)全部注浆法：全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用坑道内通过车辆运送废石的干式充填法和注浆充填的湿式充填法等，灌浆材料主要有粉煤灰、水泥砂浆等。现有技术多为采用全部注浆充填采空区的方法，注浆充填量大，采空区治理成本高。因此，不适宜大规模建筑区下方、大范围采空区的治理。

(2)点式注浆法：点式局部注浆成柱，支撑采空区覆岩，如注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱等局部，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落；或者直接采用桩基法，局部支撑地面建(构)筑物。对于非规则采空区，治理的主要目标是消除采空区范围残留煤柱可能连锁失稳带来的安全隐患。但是全部注浆充填法，注浆范围大，难于精准加固煤柱，达不到消除隐患的目标。而且采用局部充填采空区往往只能进行点状充填，主要适应于规则采空区的治理，适宜于较小规模的建(构)筑物区正下方采空区治理，如住宅小区、厂房、高压线塔等。对于深部、大范围的采空区的治理，采用点式注浆难以形成结构性支撑，点注强度不足，不能消除煤柱失稳地表突然性沉陷的隐患。

(3)覆岩离层注浆充填技术：是从地面钻孔，向采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝注浆，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全。该方法的效果取决于离层空间的大小和注浆的有效性，因此该方法主要适应于岩层岩性差别较大，开采影响岩层不能同步移动，离层空间大且保留时间较长，可以及时注浆充填。这种条件要求较为苛刻，很多矿井难于做到。与在采动过程中进行离层注浆充填相比，在采空区覆岩中进行离层注浆的空间更小，充填减沉效果难以保证。对于非规则采空区，需要治理的空间主要存在于采空区内部，而不是覆岩离层中，因此覆岩离层注浆技术不适应于非规则采空区。

综上所述，现有技术中对于非规则采空区的注浆填充方法，存在治理成本高、无法消除煤柱失稳地表突然性沉陷的隐患、难以保证减沉效果。

发明内容

本发明实施例中提供一种采空区的条带式注浆充填方法，以解决现有技术中对于非规则采空区的注浆填充方法，存在治理成本高、无法消除煤柱失稳地表突然性沉陷的隐患、难以保证减沉效果的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种采空区的条带式注浆充填方法，包括以下步骤：步骤1：以待建建筑群为受护对象，按照边界角划定采空区的治理范围；步骤2：在治理范围内，沿煤层走向或者沿煤层倾向间隔布置多条注浆充填带，所述注浆充填带呈条带型；步骤3：通过注浆设备在注浆充填带的位置进行注浆，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。

进一步地，所述步骤1中，采空区的治理范围根据以下公式获得：

其中：d_z为沿煤层走向建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q1为沿煤层倾向下山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q2为沿煤层倾向上山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；h_j为基岩厚度；δ₀为沿煤层走向边界角，β₀为沿煤层倾向下山边界角、γ₀为沿煤层倾向上山边界角；h_s为松散层厚度；

为松散层移动角。

进一步地，所述步骤2中还包括以下步骤：依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带的宽度a，公式如下：a＝0.028k_aMH，其中，k_a为修正系数，M为充填区平均采厚，H为采深。

进一步地，所述步骤2中还包括以下步骤：依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带之间的间距b，公式如下：

其中H为采深。

进一步地，k_a的数值根据充填区平均采厚M确定：当M≤1.3时，则k_a的数值为4；当1.3＜M≤3.5时，则k_a的数值为3；当3.5＜M≤8.0时，则k_a的数值为2；当M＞8.0时，则k_a的数值为1；其中，M的数量单位是米。

进一步地，所述步骤3包括以下步骤：在所述注浆充填带的充填区域布置帷幕注浆孔和内部注浆孔；注浆设备通过所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔向采空区的注浆充填带进行注浆。

进一步地，由所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔交替进行注浆，在注浆过程中先由所述帷幕注浆孔开始注浆，等待浆体基本凝固后，再从内部注浆孔进行注浆。

进一步地，所述帷幕注浆孔布设在所述充填区域的两侧，所述帷幕注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径为5-10m，沿注浆充填带走向孔间距为10-20m，距所述充填区域边界的距离为5-10m。

进一步地，所述内部注浆孔布设在所述充填区域的中部位置，所述内部注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径15-20m，相邻两个所述内部注浆孔之间的孔间距为30-40m，距所述帷幕注浆孔的注浆带的距离为20-25m。

针对多煤层开采的大规模非规则采空区上方建设大规模建筑群，通过沿煤层走向或者倾向间隔布置多条注浆充填带，间隔布置并与剩余的煤柱组成的条带式的柱充带结构，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。多条注浆充填带可以连接各煤柱，扩大煤柱的有效承载面积；不仅如此，注浆充填带还能够侧向加固煤柱，增加煤柱的整体性和强度；而且通过注浆充填带隔离开煤柱的临空环境，有效的减弱了煤柱的风氧化性，保证的煤柱的长期稳定性。这种结构相比现有技术来说，不会全部注浆，进而实现了较低的成本的效果，而且形成的注浆充填带与煤柱的配合可以有效地消除煤柱突发性失稳和地表突发性沉陷的隐患，减缓地表残余移动变形。

附图说明

图1是本发明第一实施例的非规则采空区沿煤层走向治理范围的示意图；

图2是本发明第一实施例的非规则采空区的沿煤层走向的注浆充填带的平面示意图；

图3是图2中B-B’处剖面的示意图；

图4是本发明第一实施例的非规则采空区的沿煤层走向的注浆充填带的注浆孔分布与注浆顺序示意图；

图5是本发明第二实施例的非规则采空区沿煤层倾向治理范围的示意图；

图6是本发明第二实施例的非规则采空区的沿倾向的注浆充填带的平面示意图；

图7是图6中D-D处剖面的示意图；

图8是本发明第二实施例的非规则采空区的沿倾向的注浆充填带的注浆孔分布与注浆顺序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1至图4所示，根据本发明的第一实施例，提供了一种非规则采空区的条带式注浆充填方法(即采空区的条带式注浆充填方法)，包括以下步骤：

步骤1：以待建建筑群为受护对象，按照边界角划定采空区的治理范围。

步骤2：在治理范围内，沿煤层走向间隔布置多条注浆充填带，所述注浆充填带呈条带型；所述注浆充填带条带型形状都是以待建建筑群为参考点分布的。

步骤3：通过注浆设备在注浆充填带的位置进行注浆，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。

针对多煤层开采的大规模非规则采空区上方建设大规模建筑群，通过沿煤层走向间隔布置多条注浆充填带，间隔布置并与剩余的煤柱组成的条带式的柱充带结构，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。多条注浆充填带可以连接各煤柱，扩大煤柱的有效承载面积；不仅如此，注浆充填带还能够侧向加固煤柱，增加煤柱的整体性和强度；而且通过注浆充填带隔离开煤柱的临空环境，有效的减弱了煤柱的风氧化性，保证的煤柱的长期稳定性。这种结构相比现有技术来说，不会全部注浆，进而实现了较低的成本的效果，而且形成的注浆充填带与煤柱的配合可以有效地消除煤柱突发性失稳和地表突发性沉陷的隐患，减缓地表残余移动变形。

进一步优选地，所述步骤1中，采空区的治理范围根据以下公式获得：

其中：d_z为沿煤层走向建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q1为沿煤层倾向下山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q2为沿煤层倾向上山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；h_j为基岩厚度；δ₀为沿煤层走向边界角，β₀为沿煤层倾向下山边界角、γ₀为沿煤层倾向上山边界角；h_s为松散层厚度；

为松散层移动角。

设计合理的条带式的柱充带结构的宽度和间距，能够在保证柱充带强度的前提下，减少充填量、降低充填采空区治理成本，消除煤柱突发性失稳和地表突发性沉陷的隐患，这是非规则采空区条带式注浆加固的关键。参照条带开采理论，本发明中条带式的注浆充填带的宽度为条带开采中留宽a，注浆充填带之间的间距为采宽b。

进一步优选地，所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带的宽度a，公式如下：

a＝0.028k_aMH，其中，k_a为修正系数，M为充填区平均采厚，H为采深。

所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带之间的间距b，公式如下：

其中H为采深。

其中，k_a的数值根据充填区平均采厚M确定：

当M≤1.3时，则k_a的数值为4；

当1.3＜M≤3.5时，则k_a的数值为3；

当3.5＜M≤8.0时，则k_a的数值为2；

当M＞8.0时，则k_a的数值为1；

其中，M的数量单位是米。

要求a不应太小，应使最后形成的条带式注浆充填带有足够的强度和稳定性。参考Wilson煤柱稳定性理论，并考虑充填体区别于原煤柱的滞后支撑特性，引入修正系数ka。采空区，a＝0.028kaMH，其中ka为修正系数，ka取值可参考表1，M为充填区平均采厚，H为采深。当采空区遇断层时，注浆充填带的宽度可按0.1H(上盘)、0.2H(下盘)计算。

表1：宽度修正系数表

煤层类别	煤厚(m)	修正系数k<sub>a</sub>
			薄煤层	M≤1.3	4
中厚煤层	1.3＜M≤3.5	3
			厚煤层	3.5＜M≤8.0	2
特厚煤层	M＞8.0	1

结合图2至图3所示，图中示出的a1、a2、a3、a4、a5、a6是每个注浆充填带的宽度，图中示出的b1、b2、b3、b4、b5是两个注浆充填带之间的间距。

进一步优选地，所述步骤3包括以下步骤：

在所述注浆充填带的充填区域布置帷幕注浆孔和内部注浆孔；

注浆设备通过所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔向采空区的注浆充填带进行注浆。

在待注浆的充填区域内，布置帷幕注浆孔，先外围后中心实施钻孔注浆，充填采空区。构建煤柱+充填体的带状支撑结构，从而消减采空区突发连锁失稳风险，减缓采空区残余移动变形。

进一步地，参见图4，由所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔交替进行注浆，在注浆过程中先由所述帷幕注浆孔开始注浆，等待浆体一段距离基本凝固后，再从内部注浆孔进行注浆。图4中的数字编号1-35为交替进行注浆的顺序，当然也不限制于单一的顺序，图4只是示出了其中一种情况。

进一步优选地，所述帷幕注浆孔布设在所述充填区域的两侧，所述帷幕注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径为5-10m，沿带走向孔间距为10-20m，距所述充填区域边界的距离为5-10m。从帷幕注浆孔注入的制浆材料主要为水泥、黏土、粉煤灰、速凝剂。确保浆体浓度高，流动性差，凝固速度快。

所述内部注浆孔布设在所述充填区域的中部位置，所述内部注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径15-20m，相邻两个所述内部注浆孔之间的孔间距为30-40m，距所述帷幕注浆孔的注浆带的距离为20-25m。从内部注浆孔注入的制浆材料主要为水泥、沙子、粉煤灰，浓度小。确保浆体浓度低，流动性好。

参见图5至图8所示，根据本发明的第二实施例，提供了一种采空区的注浆充填方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以待建建筑群为受护对象，按照边界角划定采空区的治理范围。

步骤2：在治理范围内，沿煤层倾向间隔布置多条注浆充填带，所述注浆充填带呈条带型；所述注浆充填带条带型形状都是以待建建筑群为参考点分布的。

步骤3：通过注浆设备在注浆充填带的位置进行注浆，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。

针对多煤层开采的大规模非规则采空区上方建设大规模建筑群，通过沿煤层倾向间隔布置多条注浆充填带，间隔布置并与剩余的煤柱组成的条带式的柱充带结构，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑。多条注浆充填带可以连接各煤柱，扩大煤柱的有效承载面积；不仅如此，注浆充填带还能够侧向加固煤柱，增加煤柱的整体性和强度；而且通过注浆充填带隔离开煤柱的临空环境，有效的减弱了煤柱的风氧化性，保证的煤柱的长期稳定性。这种结构相比现有技术来说，不会全部注浆，进而实现了较低的成本的效果，而且形成的注浆充填带与煤柱的配合可以有效地消除煤柱突发性失稳和地表突发性沉陷的隐患，减缓地表残余移动变形。

进一步优选地，所述步骤1中，采空区的治理范围根据以下公式获得：

其中：d_z为沿煤层走向建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q1为沿煤层倾向下山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q2为沿煤层倾向上山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；h_j为基岩厚度；δ₀为沿煤层走向边界角，β₀为沿煤层倾向下山边界角、γ₀为沿煤层倾向上山边界角；h_s为松散层厚度；

为松散层移动角。

设计合理的条带式的柱充带结构的宽度和间距，能够在保证柱充带强度的前提下，减少充填量、降低充填采空区治理成本，消除煤柱突发性失稳和地表突发性沉陷的隐患，这是非规则采空区条带式注浆加固的关键。参照条带开采理论，本发明中条带式的注浆充填带的宽度为条带开采中留宽a，注浆充填带之间的间距为采宽b。

进一步优选地，所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带的宽度a，公式如下：

a＝0.028k_aMH，其中，k_a为修正系数，M为充填区平均采厚，H为采深。

所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带之间的间距b，公式如下：

其中H为采深。

其中，k_a的数值根据充填区平均采厚M确定：

当M≤1.3时，则k_a的数值为4；

当1.3＜M≤3.5时，则k_a的数值为3；

当3.5＜M≤8.0时，则k_a的数值为2；

当M＞8.0时，则k_a的数值为1；

其中，M的数量单位是米。

结合图6至图7所示，图中示出的a1至a5是每个注浆充填带的宽度，图中示出的b1至b5是两个注浆充填带之间的间距。

进一步优选地，所述步骤3包括以下步骤：

在所述注浆充填带的充填区域布置帷幕注浆孔和内部注浆孔；

注浆设备通过所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔向采空区的注浆充填带进行注浆。

在待注浆的充填区域内，布置帷幕注浆孔，先外围后中心实施钻孔注浆，充填采空区。构建煤柱+充填体的带状支撑结构，从而消减采空区突发连锁失稳风险，减缓采空区残余移动变形。

进一步地，参见图8，由所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔交替进行注浆，在注浆过程中先由所述帷幕注浆孔开始注浆，等待浆体基本凝固后，再从内部注浆孔进行注浆。图8中的数字编号1-28为交替进行注浆的顺序，当然也不限制于单一的顺序，图8只是示出了其中一种情况。

进一步优选地，所述帷幕注浆孔布设在所述充填区域的两侧，所述帷幕注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径为5-10m，沿注浆充填带走向孔间距为10-20m，距所述充填区域边界的距离为5-10m。从帷幕注浆孔注入的制浆材料主要为水泥、黏土、粉煤灰、速凝剂。确保浆体浓度高，流动性差，凝固速度快。

所述内部注浆孔布设在所述充填区域的中部位置，所述内部注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径15-20m，相邻两个所述内部注浆孔之间的孔间距为30-40m，距所述帷幕注浆孔的注浆带的距离为20-25m。从内部注浆孔注入的制浆材料主要为水泥、沙子、粉煤灰，浓度小。确保浆体浓度低，流动性好。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采空区的条带式注浆充填方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以待建建筑群为受护对象，按照边界角划定采空区的治理范围；

步骤2：在治理范围内，沿煤层走向或者沿煤层倾向间隔布置多条注浆充填带，所述注浆充填带呈条带型；

步骤3：通过注浆设备在注浆充填带的位置进行注浆，注浆形成的充填体与采空区内的煤柱共同形成结构性支撑；

所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带的宽度a，公式如下：

a＝0.028k_aMH，其中，k_a为修正系数，M为充填区平均采厚，H为采深；

k_a的数值根据充填区平均采厚M确定：

当M≤1.3时，则k_a的数值为4；

当1.3＜M≤3.5时，则k_a的数值为3；

当3.5＜M≤8.0时，则k_a的数值为2；

当M＞8.0时，则k_a的数值为1；

其中，M的数量单位是米。

2.根据权利要求1所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，所述步骤1中，采空区的治理范围根据以下公式获得：

其中：d_z为沿煤层走向建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q1为沿煤层倾向下山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；d_q2为沿煤层倾向上山建筑群外边界到采空区治理边界的水平距离；h_j为基岩厚度；δ₀为沿煤层走向边界角，β₀为沿煤层倾向下山边界角、γ₀为沿煤层倾向上山边界角；h_s为松散层厚度；

为松散层移动角。

3.根据权利要求1所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，所述步骤2中还包括以下步骤：

依据治理区的地质采矿条件，确定所述注浆充填带之间的间距b，公式如下：

其中H为采深。

4.根据权利要求1所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

在所述注浆充填带的充填区域布置帷幕注浆孔和内部注浆孔；

注浆设备通过所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔向采空区的注浆充填带进行注浆。

5.根据权利要求4所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，由所述帷幕注浆孔和所述内部注浆孔交替进行注浆，在注浆过程中先由所述帷幕注浆孔开始注浆，等待浆体基本凝固后，再从内部注浆孔进行注浆。

6.根据权利要求4所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，所述帷幕注浆孔布设在所述充填区域的两侧，所述帷幕注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径为5-10m，沿注浆充填带走向孔间距为10-20m，距所述充填区域边界的距离为5-10m。

7.根据权利要求4所述的条带式注浆充填方法，其特征在于，所述内部注浆孔布设在所述充填区域的中部位置，所述内部注浆孔的孔径为110mm，注浆扩散半径15-20m，相邻两个所述内部注浆孔之间的孔间距为30-40m，距所述帷幕注浆孔的注浆带的距离为20-25m。

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