CN111365066A - 一种分阶式充水采空区充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分阶式充水采空区充填方法，首先钻孔至第N阶充水采空区，然后布置充水采空区的充填装置、充填水采空区，待所述第N阶充水采空区的浆液硬化后，取出充填装置，继续沿上述孔钻至第N+1阶充水采空区，之后重复以上充填步骤。本发明采用由上而下分阶式方法依次充填所有阶充水采空区，当充填完毕第N阶充水采空区后，只需沿着第N阶充水采空区的钻孔，将充水采空区的充填装置延伸至第N+1阶充水采空区以重复充填步骤即可。由于采用由上而下分阶式充填、A料浆液和B料浆液在高压气的作用下流动性提高且充填均匀，由此，只需要在地面上钻一个孔即可完成所有阶充水采空区的充填，成本降低。

Description

一种分阶式充水采空区充填方法

技术领域

本发明属于矿山开采技术领域，尤其涉及一种分阶式充水采空区充填方法。

背景技术

地下资源的开采加快经济建设的同时也给人们的生活带来了困扰，由于地下资源开采破坏了原岩的初始应力状态，引起采场周围应力场扰动，造成岩体内部应力场重新分布。伴随工作面资源开采，采场围岩将出现一系列变形破坏现象，如垮落、破断、离层等，同时这种破坏还可能向上传递波及地表，引起地表移动变形，造成了山体滑坡、地表耕地和建筑的破坏。在“脉状”矿体中，由于采用分阶段的开采形式，从而形成了大量的呈“多阶式”的采空区。“多阶式”的采空区的围岩及顶板相对完整，但是有少量沟通裂隙，地表水通过裂隙流入采空区，矿井由于长期关闭而形成充水采空区。根据研究可知，地下水会对采空区的影响往往具有滞后性、累积性及隐蔽性，随着时间的推移，地下水会逐渐侵蚀围岩及顶板造成强度下降、完整度降低，从而引起地表的沉降，对此需对充水采空区进行充填。国内外大多充填研究聚集于充填开采，而对充水、关闭矿井研究较少。充填开采中充填材料主要包括煤矸石、膏体、高水、水泥等充填材料。

然而，上述充填材料均存在一定的缺陷：1）煤矸石充填材料主要利用综合机械化固体充填装备在地下采空区进行充填，对于充水、密闭采空区显然不适用。2）膏体充填材料一般由细骨料、粗骨料、胶结物以及其他添加物混合而成，膏体充填材料在水中会分解沉淀而无法凝结固化。3）水泥因造价昂贵，作为充填材料充填水采空区经济效益不明显，同时在充填过程中由于采空区存在大量的水，不可避免也会出现分层的现象。4)煤矸石、膏体、水泥等充填材料，由于其泵送浓度较大，流动性受到进一步限制，因此充填每一分阶的采空区均需要在地面上钻多个孔才能完整充填采空区。5）现有技术中，高水材料充填无法进行封闭采空区的充填；且高水材料充填时，通常预先抽水后再进行充填，导致充水采空区的地表容易出现突然沉陷，针对地表沉陷或变形要求较高的充水采空区，无法进行充填。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分阶式充水采空区充填方法，以解决现有技术中充填效果差的难题，且适用于地表沉陷或变形要求不高的充水采空区、封闭充水采空区。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分阶式充水采空区充填方法，包括以下步骤：

S1:由地面钻孔至第N阶充水采空区；

S2:布置充水采空区的充填装置：在钻孔内布置套管；所述套管的上段伸出所述钻孔并固定；所述套管内固定一对注浆管和一高压空气管；所述注浆管和套管之间、所述高压空气管和套管之间均设置预留间隙；所述套管、注浆管和高压气管均伸入所述第N阶充水采空区内；所述套管伸入所述第N阶充水采空区的长度小于所述注浆管、高压气管伸入所述第N阶充水采空区的长度；

S3:充填充水采空区：向所述注浆管内分别泵送高水充填材料的A料浆液及B料浆液，同时注入高压气至所述高压空气管；

S4:重复步骤S3，判断所述第N阶充水采空区是否充分充填，若是，则进行步骤S5；

S5:取出充填装置：取出所述套管、注浆管和高压空气管，待所述第N阶充水采空区内的浆液硬化后，执行步骤S6；

S6：沿步骤S1中的孔向下钻孔至第N+1阶充水采空区；

S7：执行步骤S2，直至所有阶充水采空区充填完毕。

优选地，在步骤S2中，所述套管的末端距离第N阶充水采空区顶部的距离为10 cm~50cm；所述注浆管的末端距离第N阶充水采空区底部的距离为10 cm ~50cm。

优选地，在步骤S2中，所述注浆管和高压空气管的输出端固定一高压混合器。

优选地，步骤S3中，同一阶充水采空区，采用由下至上的方式进行充填；同一阶充水采空区根据垂直高度划分S个充填段，不同充填段，A料浆液和B料浆液的配比不同。

优选地，不同充填工作面的充填材料的凝结时间控制如下：

每阶充水采空区的充填总时间控制如下：

每阶钻孔及布置充填装置的总时间为t₁,每阶中充填段注入高压空气及充填材料的时间为t₂，每阶中充填段提升注浆管的时间为t₃，每阶提升注浆管的时间t₄；每阶充水采空区的充填总时间为T；

其中，每阶充水采空区的充填总时间：T= t₁+（S-1）*t₂+（S-1）*t₃+t₄。

优选地，同一阶充水采空区不同充填段的凝结时间T_n控制如下：

第n个充填段的充填材料的凝结时间：T_n=（S-n）t₂+（S-n）t₃+t₄。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1）采用由上而下分阶式方法依次充填所有阶充水采空区，当充填完毕第N阶充水采空区后，只需沿着第N阶充水采空区的钻孔，将充填装置延伸至第N+1阶充水采空区以重复充填步骤即可。由此，只需要在地面上钻一个孔即可完成所有阶充水采空区的充填。

此外，对同一阶充水采空区充填时，将高水充填材料的A料浆液和B料浆液同时注入该阶充水采空区时，高压空气管通入高压气，A料浆液和B料浆液在高压气的作用下与充水采空区的水充分搅拌混合。在流动的过程中，A料浆液和B料浆液结合充水采空区中的水反应产生水化产物，以实现对充水采空区的硬化充填。因此，A料浆液和B料浆液在高压气的作用下流动性提高且充填均匀。由于A料浆液和B料浆液在高压气的作用下流动性提高且充填均匀，只需要在地面上钻一个孔，即可完成所有阶充水采空区的充填，成本降低。而现有技术中，由于充填料流动性较差采用多孔注浆，且在采空区多孔之间容易形成未充填的空洞，为后期地表利用留下了安全隐患。

2）对于同一阶充水采空区而言，由于A料浆液和B料浆液的流动性好，本方法所需要的A料和B料的量较少，性价比高，可降低成本。

3）本发明中，在注入注浆管之前，A料浆液和B料浆液中均只有少量的水；注入注浆管之前，A料浆液和B料浆液可以充分利用各阶充水采空区内的水进行稀释。而现有技术中，充填材料在地表外进行充分溶解后直接注入充水采空区，因此无法充分利用充水采空区内的水。

4）现有技术中采用预先抽水后再进行充填的方案改变了封闭采空区的围岩状态，造成地表的突然塌陷，为钻孔注浆带来安全隐患。而本发明不仅无需预先抽水，而且可以在地表直接施工，节约了成本且维持了采空区围岩的原始状态，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的分阶式充水采空区充填方法的流程图；

图2为图1中充填装置的结构图；

图3为图1中第一阶充水采空区的充填示意图；

图4为图1中第二阶充水采空区的充填示意图。

其中，1-套管，2-注浆管，3-高压空气管，4-高压混合器，5-第一阶充水采空区，6-第二阶充水采空区，7-第三阶充水采空区，8-充填体。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的分阶式充水采空区充填方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1~4所示，以充填阶数为三阶（即第N、N+1、N+2阶，N取值为1）的充水采空区为例，一种分阶式充水采空区充填方法，包括步骤S1~ S7，具体如下：

步骤S1:由地面钻孔至第N阶充水采空区；即由地面钻孔至第一阶充水采空区5（第N阶）。

步骤S2:布置充水采空区的充填装置。

首先，布置充水采空区的充填装置：在钻孔内布置套管1，一对注浆管2和一高压空气管3均通过焊接固定在套管1的内壁上；即布置套管1时，将套管1放入钻孔内，使得套管1的上段伸出所述钻孔，套管1的上段并固定在地面上即可。其中，套管1上段的固定方式、注浆管2和高压空气管3的固定方式均为现有技术，在此不再赘述。其中，套管1、注浆管2和高压气管的位置及其相互之间的位置关系需满足：

1）套管1、注浆管2和高压气管均伸入第N阶充水采空区内的中心位置；

2）套管1伸入第N阶充水采空区的长度小于注浆管2、高压气管伸入第N充水采空区的长度；套管1的末端距离第N阶充水采空区顶部的距离为10 cm ~50cm；注浆管2的末端距离第N阶充水采空区底部的距离为10 cm ~50cm；

3）注浆管2和套管1之间、高压空气管3和套管1之间均设置预留间隙；预留间隙的作用是：由于充填浆液充填入分阶式充水采空区，充水采空区中外溢的水则通过套管1中的预留间隙排出地面；

4）注浆管2和高压空气管3的输出端固定一高压混合器4。该高压混合器4可以为一接头，接头上开设出浆液孔；接头与注浆管2、高压空气管3均螺纹连接。

该充填装置的结构设计，可保证在充填过程中，充水采空区内多余的水，实时经上述预留间隙，排出至地面，保证充填过程的顺利进行。

本发明无需在充填前预先抽水，节约了成本，而且可以在地表直接施工，维持了充水采空区围岩的原始状态，提高了施工的安全性。具体的，如采用预先抽水后再进行充填，则改变了封闭采空区的围岩状态，造成地表的突然塌陷，为钻孔注浆带来安全隐患。

步骤S3:充填充水采空区，即第一阶充水采空区5（即第N阶）。

向注浆管内泵送高水充填材料的组分料浆液，即一个注浆管2中泵送A料浆液，另一个注浆管2内泵送B料浆液，A料浆液和B料浆液在高压气的作用下与充水采空区的水充分搅拌混合。在流动的过程中，A料浆液和B料浆液结合充水采空区中的水反应产生水化产物矾石（3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O），其水分子容积率高达81.6%，水化产物钙矾石结合采空区内的水中，进一步形成充填体8，以实现对充水采空区的硬化充填。

在充填过程中，随着A料浆液和B料浆液的不断充填，排出的水量逐渐增加，当排出的水量（充填的A料浆液和B料浆液混合后的体积）达到预先设计的排水量V_排时，即达到止注控制点。具体的，A料浆液和B料浆液用料量为1:1，在A料浆液和B料浆液中均加水及添加剂后分别进行泵送；添加剂的量在不同的阶段根据凝结时间确定。A料浆液和B料浆液泵送浓度均为P₁，P₁满足泵送要求即可。

第一阶充水采空区充填结束后，高水充填材料（充填的A料浆液和B料浆液混合后的溶液）的最终浓度为P₂，P₂具体可根据采空区的地质条件、围岩、顶板强度尤其是对地表的控制要求在室内试验测得；V_排为充填浓度达到P₂时，充填入采空区的A料浆液和B料浆液混合后的总体积。P₂的值越小，高水充填材料固结硬化后强度就越小，P₂的值越大，高水充填材料固结硬化后强度就越大。

此外，同一阶充水采空区，采用由下至上的方式进行充填，同一阶充水采空区根据垂直高度划分S个充填段，不同充填段，A料浆液和B料浆液的配比不同。各个充填段的充填材料中，适当加入缓凝剂、速凝剂等添加剂，以改变A料浆液和B料浆液的配比，使先泵送的充填料的凝结时间延长、后泵送的充填料凝结时间缩短。同一阶充水采空区中，不同充填段的A料浆液和B料浆液的配比不一样，其配比取决于该充填段所允许的凝结时间T_n，即通过设置凝结时间T_n，来设置A料浆液和B料浆液的配比，以实现同一阶充水采空区内的所有充填段同时凝结，凝结效果好。

其中，每阶充水采空区的充填总时间控制如下：

每阶钻孔及布置充填装置的总时间为t₁,每阶中充填段注入高压空气及充填材料（A料浆液、B料浆液）的时间为t₂，每阶中充填段提升注浆管的时间为t₃，每阶提升注浆管的时间t₄；每阶充水采空区的充填总时间为T；

每阶充水采空区的充填总时间：T= t₁+（S-1）*t₂+（S-1）*t₃+t₄。

其中，t₁和 t₄均根据现场施工时间或实施条件确定。

同一阶充水采空区不同充填段的凝结时间T_n控制为：第n个充填段的充填材料的凝结时间：T_n= （S-n）t₂+（S-n）t₃+t₄。

步骤S4:重复步骤S3，判断第N阶充水采空区是否充分充填，若是，则进行步骤S5。其中，观察排出的水量V_排是否达到止注控制点，若是，则表示充水采空区充分充填完毕。

步骤S5:取出套管1、注浆管2和高压空气管3：待第N阶充水采空区内的浆液硬化后，取出套管1、注浆管2和高压空气管3，执行步骤S6。

步骤S6：沿步骤S1中的钻孔向下钻孔至第N+1阶充水采空区，即开始进行第三阶充水采空区6的钻孔工序。

步骤S7：执行步骤S2，直至所有阶充水采空区充填完毕，即第二阶充水采空区6（即第N+1阶）充填完成后，继续充填第三阶充水采空区7（即第N+2阶）。即所有阶的充水采空区充填时，只需按照第一阶充水采空区5（即第N阶）的钻孔进行延伸，无需打多个钻孔进行充填，即只需要在地面上钻一个孔即可完成所有阶充水采空区的充填，成本降低。因此，避免了现有技术中采空区的多各钻孔之间形成未充填的空洞，为后期地表利用留下安全隐患。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:由地面钻孔至第N阶充水采空区；

S2:布置充水采空区的充填装置：在钻孔内布置套管；所述套管的上段伸出所述钻孔并固定；所述套管内固定一对注浆管和一高压空气管；所述注浆管和套管之间、所述高压空气管和套管之间均设置预留间隙；所述套管、注浆管和高压气管均伸入所述第N阶充水采空区内；所述套管伸入所述第N阶充水采空区的长度小于所述注浆管、高压气管伸入所述第N阶充水采空区的长度；

S3:充填充水采空区：向所述注浆管内分别泵送高水充填材料的A料浆液及B料浆液，同时注入高压气至所述高压空气管；

S4:重复步骤S3，判断所述第N阶充水采空区是否充分充填，若是，则进行步骤S5；

S5:取出充填装置：取出所述套管、注浆管和高压空气管，待所述第N阶充水采空区内的浆液硬化后，执行步骤S6；

S6：沿步骤S1中的孔向下钻孔至第N+1阶充水采空区；

S7：执行步骤S2，直至所有阶充水采空区充填完毕。

2.根据权利要求1所述的分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，在步骤S2中，所述套管的末端距离第N阶充水采空区顶部的距离为10~50cm；所述注浆管的末端距离第N阶充水采空区底部的距离为10~50cm。

3.根据权利要求1所述的分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，在步骤S2中，所述注浆管和高压空气管的输出端固定一高压混合器。

4.根据权利要求1所述的分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，步骤S3中，同一阶充水采空区，采用由下至上的方式进行充填；同一阶充水采空区根据垂直高度划分S个充填段，不同充填段，所述A料浆液和所述B料浆液的配比不同。

5.根据权利要求4所述的分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，每阶充水采空区的充填总时间控制如下：

每阶钻孔及布置充填装置的总时间为t₁，每阶中充填段注入高压空气及充填材料的时间为t₂，每阶中充填段提升注浆管的时间为t₃，每阶提升注浆管的时间t₄；每阶充水采空区的充填总时间为T；

其中，每阶充水采空区的充填总时间：T= t₁+（S-1）*t₂+（S-1）*t₃+t₄。

6.根据权利要求5所述的分阶式充水采空区充填方法，其特征在于，同一阶充水采空区不同充填段的凝结时间T_n控制如下：

第n个充填段的充填材料的凝结时间：T_n=（S-n）t₂+（S-n）t₃+t₄。

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