CN111365003B - 一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法 - Google Patents

一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法；针对因采空区大幅垮塌引起离层及导水裂隙带明显发育的情况。采用钻杆开展井下定向钻孔至离层空间内，利用窥视镜对离层空间形貌进行观测，通过大直径钻杆将带有注浆管的囊袋及双控导流阀通过大钻杆推至离层空间，待囊袋及双控导流阀到达预定位置后将大直径钻杆提出。囊袋布设间距按照离层体积大小和水泥浆扩散半径计算获得；采用双控导流注浆，先行对囊袋开展注浆充填，实现间隔式囊袋充填支撑离层上覆岩层，利用水泥浆性能确保导水裂隙带封堵效果，配合注浆管路布设的注浆流量计及注浆压力计，实现对注浆量与注浆流量的精准、实时监测最终实现离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵。

Description

一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法。
背景技术
煤炭作为我国现阶段核心能源地位短期不会发生改变，但随着我国煤炭产量逐年提高，带来了诸多开采损害问题，对于地表生态及地下水环境产生显著影响。特别是针对鄂尔多斯盆地生态脆弱区而言，干旱少雨，水资源匮乏，生态环境脆弱，大规模开采煤炭资源与生态环境保护的矛盾十分突出。前期煤炭开采大量实践表明：煤炭开采会改变地下应力场的分布状态，引起煤层上覆和下伏岩层产生形变，地表发生沉降、塌陷和开裂，使原有地质条件发生变化，地下水流场受到影响，维系地表生态系统的地下水出现渗漏或水位下降，导致生态系统退化，诸上问题严重制约着当地煤炭资源开采的可持续发展。因此，探索一套适用于煤矿巷道井下综合减损技术方法，是现阶段生态脆弱区绿色、高效采煤的重要现实需求。
按照生态文明建设环境保护优先、自然恢复为主的总体要求，在煤矿开采时应尽量减少和控制采动对生态环境的损害，目前，防止煤矿上部地层塌陷导致地面沉陷；
地表向下钻孔注浆方案；其具体实践方式为：由地表建设专门注浆站向下钻孔至注浆岩层进行注浆。该技术总体成熟、可靠，但因建设注浆设施需要对地表环境进行改造，对陕北相对脆弱的地表生态环境会产生一定程度破坏；且若遇到地表环境复杂情况无法建设注浆设施时，注浆施工将极为困难且经济效益不佳。此外，该方法的总体经济成本偏高，特别是采用离层空间全域充填方式，加之现阶段的注浆材料造价抬升，最终造成的注浆成本普遍偏高。
目前而言，对于离层内注浆方法，现阶段多采用地面向下钻孔进入离层进行全离层注浆，未见采用井下定向钻孔对离层进行先行间隔囊袋注浆支撑、后导水裂隙带注浆封堵的联合减损方法报道。
发明内容
本发明主要：针对因采空区大幅垮塌引起离层及导水裂隙带明显发育的情况。首先，采用钻杆开展井下定向钻孔至离层空间内，利用窥视镜对离层空间形貌进行观测，通过大直径钻杆将带有注浆管的囊袋及双控导流阀通过大钻杆推至离层空间，待囊袋及双控导流阀到达预定位置后将大直径钻杆提出。其中，囊袋布设间距按照离层体积大小和水泥浆扩散半径计算获得；而后，采用“双控导流注浆”技术，先行对囊袋开展注浆充填，实现间隔式囊袋充填支撑离层上覆岩层，待囊袋完成预定注浆量并形成有效支撑后，切换注浆通道，选择添加速凝剂控制初凝时间的水泥浆对离层下部导水裂隙带进行有效封堵，把控水泥浆初凝时间确保注浆凝结效果。同时，配合注浆管路布设的注浆流量计及注浆压力计，实现对注浆量与注浆流量的精准、实时监测最终实现离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵。
本发明基于如下步骤进行实现：
一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，包括以下步骤：
第一步、采用钻杆开展井下定向钻孔作业方式并基于钻孔内窥镜观测手段，确定离层空间分布、导水裂隙带高度，进而确定注浆囊袋所需注浆量及注浆压力；
第二步、参考煤矿井下注浆材料性能测试相关标准，开展室内试验研究，获得浆液材料及合适配合比，并依据室内试验确定浆液扩散半径、扩散速度，并选择合适的速凝剂、早强剂，确定合适的配合比及实现初凝时间的精确把控；
第三步、由巷道使用大直径钻杆将囊袋及双控导流阀推送至离层空间，沿钻孔布设注浆管道及PVC套管，其中，巷道工作面附近注浆管道上布设注浆流量计、注浆压力计和双控导流阀；
第四步、打开双控导流阀上部阀门，对间隔式囊袋进行内部注浆充填，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量及注浆压力监测仪表；
第五步、待囊袋注浆完成后，打开双控导流阀下部阀门，对导水裂隙带进行注浆封堵，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量计及注浆压力监测仪表；
第六步、注浆完成后，对导水裂隙带封堵效果进行地球物理探测，判定导水裂隙带内部浆液入渗效果，若发现存在明显注浆量不足问题，可考虑二次加压补强注浆。
作为优选的，第一步中，依据室内试验确定浆液配比，确保其流动性、初凝时间及浆液凝固强度可达到预定要求；而导水裂隙带的注浆量依据其发育高度、浆液正常流动及初凝时间综合确定。
作为优选的，第三步中，囊袋布设间距依照浆液扩散半径确定。
作为优选的，所述最终形成的囊袋之间的间隔距离由浆液扩散半径确定，囊袋之间的间隔距离为2倍浆液扩散半径。
作为优选的，第四步中，其停止注浆的判别标准采用满足以下条件之一原则：(1)若囊袋内部压力急剧增高，可判定囊袋已与离层上部岩层已完全接触时；(2)若囊袋注浆量已达到囊袋膨胀预期设计尺寸极限容纳量后，且与离层空间上部岩层接触面积达到设计要求时；
作为优选的，在第五步中，其停止注浆的判别标准推荐采用以下条件： (1)若注浆压力增高并维持高位不变时；(2)若注浆量已达到或超过导水裂隙带发育高度等量换算所需极限量时；可判定导水裂隙带已达到较为理想的封堵效果，此时停止注浆作业。
作为优选的，第六步中，密切关注离层囊袋注浆减沉效果，必要条件时可配合其他减损技术进行加强处理。
作为优选的，所述双控导流阀包括第一出浆口、第二出浆口、浆液入口、活塞组件、活塞腔、第一液压管和第二液压管；所述第一出浆口和第二出浆口分别设置在双控导流阀的侧面和底面位置，所述第一出浆口与囊袋连接，所述第二出浆口直接与外界连接，所述浆液入口设置在第一出浆口的对立面上，所述活塞腔设置在双控导流阀中，所述第一出浆口、第二出浆口和浆液入口分别与活塞腔的下端部贯通连接。
作为优选的，所述活塞组件设置在活塞腔中，所述第一液压管和第二液压管分别与活塞腔的上端部贯通，所述活塞组件设置在活塞腔中，所述活塞组件包括活塞盖、活塞杆、阀瓣和下塞块；所述活塞杆设置在下塞块的顶部位置，所述活塞杆与活塞杆固定连接，活塞杆和活塞盖设置在活塞腔的上端部，所述第一液压管和第二液压管平行设置，且高度设置不同，所述活塞盖设置在第一液压管和第二液压管出液口端的位置。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1)本发明本专利所应用为离层囊袋支撑方法，使用PVC套管和注浆囊袋作为施工器械，在采矿作业中应用非常便利，无需增加额外的大型施工机械和复杂器械加工。
2)本发明提出的离层囊袋注浆与导水裂隙带联合减沉方法，避免了地表施工对地表环境的破坏，离层囊袋有效支撑了离层上覆岩层的下沉，导水裂隙带注浆封堵解决了地下水流失的风险，降低地下水污染的风险，减少对环境的影响。
3)本发明的减损方法可有效控制覆岩不均匀沉降，有效减少覆岩失稳所带来的潜在风险，使开采区作业时上覆岩层处于稳定状态，并避免地面塌陷、巷道坍塌等地质灾害的发生。
附图说明
图1为本发明减损方法在矿道中注浆成型后的示意图；
图2为本发明减损方法中双控导流阀的结构示意图；
图3为本发明整体的流程示意图。
图中标记：1、囊袋；2、第一出浆口；3、第二出浆口；4、浆液入口； 5、活塞组件；6、活塞腔；7、第一液压管；8、第二液压管；51、活塞盖；52、活塞杆；53、阀瓣；54、下塞块。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
参阅图1～3，针对因采空区大幅垮塌引起离层及导水裂隙带明显发育的情况，提供一种离层内囊袋1注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，具体包括以下步骤：
第一步、采用钻杆开展井下定向钻孔作业方式并基于钻孔内窥镜观测手段及经验判断，确定离层空间分布、导水裂隙带高度，进而确定注浆囊袋1所需注浆量及注浆压力，并依据室内试验确定浆液配比，确保其流动性、初凝时间及浆液凝固强度可达到预定要求；而导水裂隙带的注浆量依据其发育高度、浆液正常流动及初凝时间综合确定。
第二步、参考煤矿井下注浆材料性能测试相关标准，开展室内试验研究，获得浆液材料及合适配合比，并依据室内试验确定浆液扩散半径、扩散速度，并选择合适的速凝剂、早强剂，确定合适的配合比及实现初凝时间的精确把控。
第三步、首先，由巷道使用大直径钻杆将囊袋1及双控导流阀推送至至离层空间，其中，囊袋1布设间距为2倍浆液扩散半径；而后，沿钻孔布设注浆管道及PVC套管，其中，巷道工作面附近注浆管道上布设注浆流量计、注浆压力计和双控导流阀，实现注浆流量及压力的精准、实时监测的目的。
第四步、打开双控导流阀上部阀门见图2，对间隔式囊袋1进行内部注浆充填，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量及注浆压力监测仪表，其停止注浆的判别标准采用满足以下条件之一原则：(1)若囊袋1内部压力急剧增高，可判定囊袋1已与离层上部岩层已完全接触时；(2)若囊袋1注浆量已达到囊袋1膨胀预期设计尺寸极限容纳量后，且与离层上部岩层接触面积达到设计要求时；
第五步、待囊袋1注浆完成后，打开双控导流阀下部阀门，对导水裂隙带进行注浆封堵，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量计及注浆压力监测仪表，其停止注浆的判别标准推荐采用以下条件：(1)若注浆压力增高并维持高位不变时；(2)若注浆量已达到或超过导水裂隙带发育高度等量换算所需极限量时；可判定导水裂隙带已达到较为理想的封堵效果，此时停止注浆作业；
如图2所示，所述双控导流阀包括第一出浆口2、第二出浆口3、浆液入口4、活塞组件5、活塞腔6、第一液压管7和第二液压管8；所述第一出浆口 2和第二出浆口3分别设置在双控导流阀的侧面和底面位置，所述第一出浆口 2与囊袋1连接，所述第二出浆口3直接与外界连接，所述浆液入口4设置在第一出浆口2的对立面上，所述活塞腔6设置在双控导流阀中，所述第一出浆口2、第二出浆口3和浆液入口4分别与活塞腔6的下端部贯通连接；
所述活塞组件5设置在活塞腔6中，所述第一液压管7和第二液压管8分别与活塞腔6的上端部贯通，所述活塞组件5设置在活塞腔6中，所述活塞组件5包括活塞盖51、活塞杆52、阀瓣53和下塞块54；所述活塞杆52设置在下塞块54的顶部位置，所述活塞杆52与活塞杆52固定连接，活塞杆52和活塞盖51设置在活塞腔6的上端部；
所述第一液压管7和第二液压管8平行设置，且高度设置不同，所述活塞盖51设置在第一液压管7和第二液压管8出液口端的位置，通过对第一液压管7和第二液压管8中通入液体，带动活塞盖51进行上下移动，从而带动下塞块54进行移动，所述阀瓣53设置在下塞块54中，阀瓣53上设置有贯通的孔径，当下塞块54向下移动时，阀瓣53与第一出浆口2贯通，下塞块54的下端部封闭第二出浆口3，对囊袋1进行注浆，当下塞块54向上移动时，阀瓣 53与第一出浆口2错位，下塞块54的下端部对第一出浆口2进行封闭，第二出浆口3自动开始，对导水裂隙带进行注浆。最终完成整体的注浆作业。
第六步、注浆完成后，对导水裂隙带封堵效果进行地球物理探测，判定导水裂隙带内部浆液入渗效果，若发现存在明显注浆量不足问题，可考虑二次加压补强注浆。同时，密切关注离层囊袋1注浆减沉效果，必要条件时可配合其他减损技术进行加强处理。
所述最终形成的囊袋1之间的间隔距离为2倍浆液扩散半径。
本实施例中，所述裂隙带注浆时机应当在离层内囊袋1注浆完成后即可开始裂隙带注浆，此时注浆管道内浆液尚未发生凝固，可切换注浆通道进行下部裂隙带注浆。
关于对于第五步中关于对裂隙带的停止注浆情况一作出解释：由于裂隙带注浆所使用的浆液中添加了速凝剂，可在浆液流动一定时间后凝固，从而防止浆液漫溢至其他空间。当达到预定凝固时间，此时浆液在裂隙内凝固，裂隙内浆液不再流动，浆液可能灌注进离层空间(一般离层空间较小时可能会灌满) 内将离层内部灌满导致注浆压力升高(离层灌满一般会提高成本经济效益不佳，但同时可提高减沉效果)。则应当停止注浆。
关于对于第五步中关于对裂隙带的停止注浆情况二作出解释：一般裂隙带内注浆，按照裂隙带发育高度和探测结果并结合工程经验，确定裂隙带内裂隙体积，裂隙带注浆量按照所计算的裂隙空间体积乘以一定的系数进行确定。浆液内添加速凝剂和改性剂(参照实验室测定结果)控制裂隙内注浆的流动状况和凝固时间。注浆量超过预估注浆量且达到预定凝固时间时，浆液基本充满并在裂隙内凝固，此时应当停止注浆。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、采用钻杆开展井下定向钻孔作业方式并基于钻孔内窥镜观测手段，确定离层空间分布、导水裂隙带高度，进而确定注浆囊袋所需注浆量及注浆压力；
第二步、参考煤矿井下注浆材料性能测试相关标准，开展室内试验研究，获得浆液材料及合适配合比，并依据室内试验确定浆液扩散半径、扩散速度，并选择合适的速凝剂、早强剂，确定合适的配合比及实现初凝时间的精确把控；
第三步、由巷道使用大直径钻杆将囊袋及双控导流阀推送至离层空间，沿钻孔布设注浆管道及PVC套管，其中，巷道工作面附近注浆管道上布设注浆流量计、注浆压力计和双控导流阀；
第四步、打开双控导流阀上部阀门，对间隔式囊袋进行内部注浆充填，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量及注浆压力监测仪表；
第五步、待囊袋注浆完成后，打开双控导流阀下部阀门，对导水裂隙带进行注浆封堵，注浆过程中，密切监测注浆管道上布设的注浆流量计及注浆压力监测仪表；
第六步、注浆完成后，对导水裂隙带封堵效果进行地球物理探测，判定导水裂隙带内部浆液入渗效果，若发现存在明显注浆量不足问题，采用二次加压补强注浆。
2.根据权利要求1所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：第一步中，依据室内试验确定浆液配比，确保其流动性、初凝时间及浆液凝固强度可达到预定要求；而导水裂隙带的注浆量依据其发育高度、浆液正常流动及初凝时间综合确定。
3.根据权利要求1或2所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：第三步中，囊袋之间的间隔距离由浆液扩散半径确定。
4.根据权利要求3所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：最终形成的所述囊袋之间的间隔距离为2倍浆液扩散半径。
5.根据权利要求3所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：第四步中，其停止注浆的判别标准采用满足以下条件之一原则：(1)若囊袋内部压力急剧增高，可判定囊袋已与离层上部岩层已完全接触时；(2)若囊袋注浆量已达到囊袋膨胀预期设计尺寸极限容纳量后，且与离层空间上部岩层接触面积达到设计要求时。
6.根据权利要求3所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：在第五步中，其停止注浆的判别标准推荐采用以下条件：(1)若注浆压力增高并维持高位不变时；(2)若注浆量已达到或超过导水裂隙带发育高度等量换算所需极限量时；可判定导水裂隙带已达到较为理想的封堵效果，此时停止注浆作业。
7.根据权利要求3所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：第六步中，密切关注离层囊袋注浆减沉效果，必要时配合其他减损技术进行加强处理。
8.根据权利要求3所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：所述双控导流阀包括第一出浆口、第二出浆口、浆液入口、活塞组件、活塞腔、第一液压管和第二液压管；所述第一出浆口和第二出浆口分别设置在双控导流阀的侧面和底面位置，所述第一出浆口与囊袋连接，所述第二出浆口直接与外界连接，所述浆液入口设置在第一出浆口的对立面上，所述活塞腔设置在双控导流阀中，所述第一出浆口、第二出浆口和浆液入口分别与活塞腔的下端部贯通连接。
9.根据权利要求8所述的一种离层内囊袋注浆与导水裂隙带封堵的联合减沉方法，其特征在于：所述活塞组件设置在活塞腔中，所述第一液压管和第二液压管分别与活塞腔的上端部贯通，所述活塞组件设置在活塞腔中，所述活塞组件包括活塞盖、活塞杆、阀瓣和下塞块；所述活塞杆设置在下塞块的顶部位置，所述活塞杆与活塞杆固定连接，活塞杆和活塞盖设置在活塞腔的上端部，所述第一液压管和第二液压管平行设置，且高度设置不同，所述活塞盖设置在第一液压管和第二液压管出液口端的位置。
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