CN111608726A - 一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，针对顶板自然垮落所形成的破碎体未完全填充采空区的情况。在采煤作业进行中利用液压支架临时支撑顶板的作用，此时，在采空区顶板未垮落前布设间隔式钢筋笼囊袋支撑并进行注浆；利用浆液初凝时间并结合注浆管道上布设注浆压力计及流量计控制注浆过程；待采空区发生垮落后利用定向钻孔技术对钢筋笼注浆囊袋上部垮落的破碎覆岩进行喷射注浆，形成复合支撑结构稳定地支撑顶板覆岩，有效地防止上部岩层发生垮落沉陷。

Description

一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法

技术领域

本发明涉及一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，涉及煤矿开采技术领域。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭资源消费国，同时也是最大的煤炭生产国，这得益于我国得天独厚的矿物生产条件，在未来可预见的一段时间内，我国仍旧会占据世界煤炭资源消费、生产的主导地位。近年来，煤炭开采深度越来越深，各类问题越发突出，如矸石堆积、地表塌陷等等，大面积的优质煤矿越来越少，同时煤层开采过程中各种事故也频频发生，这不仅影响着我国煤炭产量，也对煤炭生产人员的生命安全也有着严重影响。因此，系统地梳理煤矿采矿新技术、新方法尤为重要，以便为我国煤炭产业的发展提供可靠支持。

“绿色开采”是近年来对煤矿开采提出的新要求，其中洁净绿色减损技术的应用就显得至关重要。洁净绿色减损技术不仅能够创造出一个良好的煤矿开采环境，同时还能够在源头上减少灾害的产生，杜绝煤矿开采沉陷的发生，从而将煤矿开采对地表环境的破坏程度降至最低。在煤矿开采的过程中，会产生大量的地表沉陷，需要消耗大量的人力、财力、物力来处理这些灾害。目前我国煤矿开采深度在不断加深，地表沉陷与采空区垮落的存在不仅让井下工作量大幅度增加，也对环境造成了巨大影响。为解决煤矿开采越来越深、越来越难的问题必须对新技术方法有足够的认识，同时全面掌握现有技术方法的弊端，结合煤矿生产实际情况，有针对性的对开采技术方法进行改进、优化，在条件允许的情况下，尽可能地实现“绿色、减损”开采，这对煤矿产业发展来说至关重要。

现有技术中，对于传统切顶卸压采空区垮落全断面充填方法，在利用采空区垮落碎胀充填方法时，较少有采用破碎矸石结合钢筋笼囊袋进行间隔式注浆的支撑的方法；再者针对传统注浆施工方式，一般采用由地表向下钻孔进行采空区全断面注浆方法，没有针对煤层垮落区自然垮落前与垮落后，研究利用井下定向钻孔结合钢筋笼囊袋间隔式注浆的联合支撑技术，对于覆岩压实作用产生二次沉降问题也没有解决。

基于以上现实需求，提出了一种间隔式覆岩碎胀充填与钢筋笼囊袋注浆减损方法，该方法利用覆岩垮落破碎的碎胀原理与钢筋笼内囊袋注浆膨胀原理，达到支撑覆岩下沉目的，并结合原位间隔式注浆加固与定向钻孔施工工艺，实现“覆岩垮落碎胀注浆充填+间隔式钢筋笼囊袋注浆加固”目标，代替原有切顶卸压全断面注浆充填方法与煤柱支撑方法；该方法一方面，发挥了覆岩垮落碎胀特性，尽可能的利用垮落的覆岩作为填充材料，提升充填效率；另一方面，通过采用井下间隔式注浆加固形式，降低充填注浆施工难度与注浆量，避免地表建设注浆设施，大幅节约施工成本。

发明内容

本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，本发明提出一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，旨在发挥覆岩垮落特性结合钢筋笼注浆囊袋间隔布设，在局部完全充填采空区，利用注浆胶结垮落破碎覆岩与钢筋笼注浆囊袋形成间隔式支撑，即可在煤矿开采时一边向前推进，一边支撑上部顶板；又可以减少充填材料的使用以降低成本。该方法的优点在于充填效率较高、稳定性好、避免压实沉降、减损效果显著。

本发明采用的技术方案如下：

本发明公开了一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，针对煤层顶板自然垮落后破碎体未完全填充采空区情况，(1)提出利用覆岩顶板极限垮落步距确定支撑体间隔距离，确保钢筋笼囊袋注浆形成稳定的承托支撑体，并结合顶板垮落覆岩形成联合支撑体，达到防止了采空区顶板继续垮落下沉的减损目标；(2)确定合适的钢筋笼囊袋与垮落覆岩注浆充填时间，确保钢筋笼囊袋与垮落的覆岩胶结成稳固的整体，在覆岩二次垮落前形成有效支撑体系；(3)对于不同高度的采空区，选取合适的钢筋笼囊袋尺寸，注浆后占据一定的采空区体积，结合定向钻孔注浆技术对使破碎覆岩进行局部扩散式喷射注浆，使胶结的破碎覆岩与钢筋笼囊袋胶结形成具有支撑上部覆岩的作用的支撑体。利用间隔式布设方式可在煤层段重复延展布设实现稳定上部覆岩及减小岩层沉陷的目标。

包括以下步骤：

第一步：通过地质雷达、钻孔等测得的地球物理探测数据用以确定冒落带高度与发育状况，并根据覆岩极限垮落步距，结合一定的安全储备条件，设计垛桩体间隔距离L；通过模拟注浆试验测定最优碎胀系数与钢筋笼囊袋设计尺寸换算所需水泥浆总注浆量；

所述垛桩体间隔距离L＝αL1，式中L1-直接顶初次垮落步距，α-安全系数；所述最优碎胀系数就是破碎后的碎胀体压缩量较小且抗压强度最好的破碎块体所对应的碎胀系数；

所述钢筋笼囊袋尺寸由开采每层的厚度、直接顶厚度及碎胀系数所确定，直接顶破碎后的堆积体积会增大(根据其岩石的碎胀系数可以确定堆积体的体积)，但是不足以填充满直接顶和煤层这个空间，而差的这部分空间就是钢筋笼囊袋的尺寸；煤层开采厚度越厚，相应的钢筋笼囊袋尺寸也越大；所需水泥浆总注浆量参考水泥浆性能测试国家标准通过前期实验室试验得出所需水泥改性剂配比、凝结时间、水泥浆强度，并根据钢筋笼囊袋极限膨胀体积得到。

第二步：在巷道顶板斜向上对冒落带上部岩层进行定向钻孔，钻孔至冒落带上部预定注浆位置，预留PVC套管，利用液压支架短时间支撑效果，顶板处于“悬臂梁”状态；布设钢筋笼注浆囊袋并连接底板注浆管道，随后对囊袋内部进行注浆，待囊袋完全充满钢筋笼内部时停止注浆并进行囊袋注浆口封堵；

停止注浆依据以下标准判断：(1)当注浆压力急剧升高并维持高位不变时，其囊袋已完全充满钢筋笼内部；(2)注浆量已达到囊袋极限膨胀尺寸所需注浆量时。

第三步：随采煤作业进行，待注浆囊袋形成一定强度时，推进液压支架向推进至顶板自然垮落，由于钢筋笼囊袋占据一定的采空区空间，使自然垮落的顶板破碎覆岩可完全充填采空区断面；待顶板破碎覆岩垮落趋于稳定时，利用钻杆将连接注浆管的球状喷嘴推送至预定注浆位置。

第四步：通过球面喷嘴对垮落的破碎覆岩进行注浆，注浆过程利用注浆流量计及压力计结合浆液初凝时间对注浆效果进行控制，注浆过程中当浆液充满至囊袋钢筋笼周围碎石空隙时停止注浆；

停止注浆按照以下标准判断：(1)若注浆压力增高且浆液初凝时间满足初凝要求时，判定覆岩破碎体已完全接触上部岩层；(2)若注浆量达到碎石胶结所需极限注浆量时，此时钢筋笼囊袋与垮落覆岩破碎体形成复合支撑体；由于内部钢筋笼的作用类似于混凝土柱的配筋，因此其复合支撑体强度可显著提高。

所述浆液预计初凝条件是指形成的加固体形状不再发生变化，具有一定的早期强度，若能达到部分支撑强度就认为达到了预计初凝条件；所述极限注浆量是根据岩石碎胀前后的的体积差以及放置钢筋笼囊袋的尺寸可以大致确定所需注浆的最大值。

第五步：在形成一定强度后，液压支架推进至下一个间隔布设距离重复以上步骤；密切关注间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋联合支撑体注浆减损效果，参考裂隙带及地表沉降实时监测数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损技术进行补强处理。

本发明的技术效果如下：

目前，传统采空区处理方法大多采用切顶卸压无煤柱碎胀垮落充填方法：

(1)现有技术中切顶卸压碎胀充填方法实现直接顶岩层切断联通冒落需要布置密集间距爆破钻孔，井下钻孔施工作业工程量庞大，所需炸药用量巨大，且利用炸药预裂爆破存在很大安全风险；并且，此方法一般并不进行注浆加固，无法完全充填而且留有一定的沉降空间。另外，碎胀的破碎覆岩由于压实作用会产生进一步的沉降，使充填效果不佳。

(2)对于传统留煤柱开采方法，虽然可在煤矿开采时一边向前推进，一边预留设煤柱来支撑上部岩顶，达到边开采边支护的目的，但是留设煤柱时只有正确地选用岩层移动参数，才能合理地留设保护煤柱。这种方式具有潜在的安全问题，一方面，留设的煤柱尺寸无法达到预定强度要求将导致煤柱失稳，产生十分严重的事故。另一方面，留设的煤柱尺寸过大将会造成大量的煤炭资源浪费以及采煤工作复杂化，影响生产效率不利于提高回采率。

(3)对于传统的外运材料充填方法，一般采用胶结材料拌和骨料全断面充填的方式进行作业。全部充填开采方法需要在采空区全断面内进行充填，导致充填材料需求量大，充填材料成本较高，充填效率无法匹配高产高效综采工作面开采速度。全断面充填开采仅适用于沉陷要求较高的建筑物以及生产效率要求不高的工作面。因此，经济效益不佳，不利于大面积实施。

以上问题严重制约煤炭绿色开采的可持续发展。针对上述问题，本发明提出一种能够提高充填效率和降低生产成本的井下充填方法，对井下进行间隔式充填也成为必然趋势。该方法的优点具体如下：

(1)产能提高。本发明提出的间隔式布设矸石充填与囊袋注浆联合支撑减损方法，在采煤工作进行中即可进行顶板支撑，无需等待顶板垮落或外运支撑材料，节省施工时间，减少由于支撑作业而影响采煤作业的进行，实现采煤和支撑连续进行。

(2)节约成本。本发明提出的利用破碎矸石充填与囊袋间隔式注浆减损方法，利用矸石作为支撑结构的支撑材料，以间隔式布设泵送水泥浆胶结料与矸石破碎体作为支撑材料，整体材料成本较低，且水泥浆便于向巷道内运输施工便利，减少由于运输煤矸石和大量砌筑材料而产生的开采时间的浪费与占用坑道内矿车降低煤炭输送效率，避免煤炭作为支撑体降低开采产量，煤炭采收率高。

(3)绿色环保。本发明提出间隔式布设矸石充填与囊袋注浆联合支撑减损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，减少企业对于达到环保要求治理污染所花费的经济成本，充分体现我国绿色、环保、可持续发展的政策方针。

(4)安全可靠，本发明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，减少由于充填材料压实影响充填效果产生沉降，使开采区作业时上覆岩层处于稳定状态，并减小覆岩应力地面塌陷巷道坍塌等地质灾害发生的可能性。

附图说明

图1是一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法示意图；

图2是钢筋笼囊袋注浆示意图；

图3是钢筋笼囊袋施工示意图；

图4是垮落覆岩注浆施工示意图；

图5覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆效果示意图；

图6是覆岩碎胀垮落钢筋笼囊袋注浆减损实施路线图。

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(包括任何附加权利要求、摘要)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。

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

本实施例中，具体实施措施包括：确定垛桩体间距→顶板定向钻孔→底板挖槽→放置钢筋笼及囊袋并注浆→顶板垮落后矸石浇注。

本实施例中，如图1-6所示，具体实施步骤为：

第一步：通过地质雷达、钻孔等测得的地球物理探测数据用以确定冒落带高度与发育状况，并根据覆岩极限垮落步距，结合一定的安全储备条件，设计垛桩体间隔距离L(参考国家规范取安全系数为1.25)；通过模拟注浆试验测定最优碎胀系数与钢筋笼囊袋设计尺寸换算所需水泥浆总注浆量；

所述垛桩体间隔距离L＝αL1，式中L1-直接顶初次垮落步距，α-安全系数；所述最优碎胀系数就是破碎后的碎胀体压缩量较小且抗压强度最好的破碎块体所对应的碎胀系数；

所述钢筋笼囊袋尺寸由开采每层的厚度、直接顶厚度及碎胀系数所确定，直接顶破碎后的堆积体积会增大(根据其岩石的碎胀系数可以确定堆积体的体积)，但是不足以填充满直接顶和煤层这个空间，而差的这部分空间就是钢筋笼囊袋的尺寸；煤层开采厚度越厚，相应的钢筋笼囊袋尺寸也越大；所需水泥浆总注浆量参考水泥浆性能测试国家标准通过前期实验室试验得出所需水泥改性剂配比、凝结时间、水泥浆强度，并根据钢筋笼囊袋极限膨胀体积得到。

第二步：在巷道顶板斜向上对冒落带上部岩层进行定向钻孔，钻孔至冒落带上部预定注浆位置，预留PVC套管，利用液压支架短时间支撑效果，顶板处于“悬臂梁”状态；布设钢筋笼注浆囊袋并连接底板注浆管道，随后对囊袋内部进行注浆，待囊袋完全充满钢筋笼内部时停止注浆并进行囊袋注浆口封堵；

停止注浆依据以下标准判断：(1)当注浆压力急剧升高并维持高位不变时，其囊袋已完全充满钢筋笼内部；(2)注浆量已达到囊袋极限膨胀尺寸所需注浆量时。

第三步：随采煤作业进行，待注浆囊袋形成一定强度时，推进液压支架向推进至顶板自然垮落，由于钢筋笼囊袋占据一定的采空区空间，使自然垮落的顶板破碎覆岩可完全充填采空区断面；待顶板破碎覆岩垮落趋于稳定时，利用钻杆将连接注浆管的球状喷嘴推送至预定注浆位置。

第四步：通过球面喷嘴对垮落的破碎覆岩进行注浆，注浆过程利用注浆流量计及压力计结合浆液初凝时间对注浆效果进行控制，注浆过程中当浆液充满至囊袋钢筋笼周围碎石空隙时停止注浆；

停止注浆按照以下标准判断：(1)若注浆压力增高且浆液初凝时间满足初凝要求时，判定覆岩破碎体已完全接触上部岩层；(2)若注浆量达到碎石胶结所需极限注浆量时，此时钢筋笼囊袋与垮落覆岩破碎体形成复合支撑体；由于内部钢筋笼的作用类似于混凝土柱的配筋，因此其复合支撑体强度可显著提高。

所述浆液预计初凝条件是指形成的加固体形状不再发生变化，具有一定的早期强度，若能达到部分支撑强度就认为达到了预计初凝条件；所述极限注浆量是根据岩石碎胀前后的的体积差以及放置钢筋笼囊袋的尺寸可以大致确定所需注浆的最大值。

第五步：在形成一定强度后，液压支架推进至下一个间隔布设距离重复以上步骤；密切关注间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋联合支撑体注浆减损效果，参考裂隙带及地表沉降实时监测数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损技术进行补强处理。

本实施例中，采煤作业过程中，随着采煤工作面向前推进，顶板岩石并不是立即垮落，而是成为悬臂梁状态的结构，当顶板悬臂的长度达到一定其极限垮落步距时，顶板才会垮落，于是在其未垮落之前放置钢筋笼，钢筋笼内放置囊袋并用底板注浆管道注浆使其凝结，随后顶板岩石垮落，落在钢筋笼上方及四周，此时利用上部顶板注浆管道对垮落的矸石进行胶结。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：通过地质雷达、钻孔等测得的地球物理探测数据用以确定冒落带高度与发育状况，并根据覆岩极限垮落步距，结合一定的安全储备条件，设计垛桩体间隔距离L；通过模拟注浆试验测定最优碎胀系数与钢筋笼囊袋设计尺寸换算所需水泥浆总注浆量；

第二步：在巷道顶板斜向上对冒落带上部岩层进行定向钻孔，钻孔至冒落带上部预定注浆位置，预留PVC套管，利用液压支架短时间支撑效果，使未垮落的顶板处于“悬臂梁”状态；布设钢筋笼注浆囊袋并连接底板注浆管道，随后对囊袋内部进行注浆，待囊袋完全充满钢筋笼内部时停止注浆并进行囊袋注浆口封堵；

第三步：随采煤作业进行液压支架向前推进，顶板自然垮落，垮落的碎石堆在已具有一定强度的囊袋上方及四周，由于钢筋笼囊袋占据一定的采空区空间，使自然垮落的顶板破碎覆岩可完全充填采空区断面；待顶板破碎覆岩垮落趋于稳定时，利用钻杆将连接注浆管的球状喷嘴推送至预定注浆位置；

第四步：通过球面喷嘴对垮落的破碎覆岩进行注浆，注浆过程利用注浆流量计及压力计结合浆液初凝时间对注浆效果进行控制，注浆过程中当浆液充满至囊袋钢筋笼周围碎石空隙时停止注浆；

第五步：在形成一定强度后，液压支架推进至下一个间隔布设距离重复以上步骤；密切关注间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋联合支撑体注浆减损效果，参考裂隙带及地表沉降实时监测数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损技术进行补强处理。

2.根据权利要求1所述的一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，其特征在于，第一步中，所述垛桩体间隔距离L＝αL1，式中L1-直接顶初次垮落步距，α-安全系数。

3.根据权利要求1所述的一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，其特征在于，第一步中，所述最优碎胀系数就是破碎后的碎胀体压缩量较小且抗压强度最好的破碎块体所对应的碎胀系数。

4.根据权利要求1所述的一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，其特征在于，第一步中，所述钢筋笼囊袋尺寸是在煤层开采后会变成采空区，直接顶破堆积在采空区，并且直接顶高度可以确定，直接顶破碎后的堆积体积会增大(根据其岩石的碎胀系数可以确定堆积体的体积)，但是不足以填充满直接顶和煤层这个空间，而差的这部分空间就是钢筋笼囊袋的尺寸；煤层开采厚度越厚，相应的钢筋笼囊袋尺寸也越大。

5.根据权利要求1所述的一种间隔式覆岩碎胀充填钢筋笼囊袋注浆减损方法，其特征在于，第一步中，所需水泥浆总注浆量参考水泥浆性能测试国家标准通过前期实验室试验得出所需水泥改性剂配比、凝结时间、水泥浆强度，并根据钢筋笼囊袋极限膨胀体积得到。

6.根据权利要求1所述的一种间隔式布设矸石充填与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第二步中，停止注浆依据以下标准判断：(1)当注浆压力急剧升高并维持高位不变时，其囊袋已完全充满钢筋笼内部；(2)注浆量已达到囊袋极限膨胀尺寸所需注浆量时。

7.根据权利要求1所述的一种间隔式布设矸石充填与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第四步中，停止注浆按照以下标准判断：(1)若注浆压力增高且浆液初凝时间满足初凝要求时，判定覆岩破碎体已完全接触上部岩层；(2)若注浆量达到碎石胶结所需极限注浆量时，此时钢筋笼囊袋与垮落覆岩破碎体形成复合支撑体；由于内部钢筋笼的作用类似于混凝土柱的配筋，因此其复合支撑体强度可显著提高。

8.根据权利要求7所述的一种间隔式布设矸石充填与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，所述浆液预计初凝条件是指形成的加固体形状不再发生变化，具有一定的早期强度，若能达到部分支撑强度就认为达到了预计初凝条件；所述极限注浆量是根据岩石碎胀前后的的体积差以及放置钢筋笼囊袋的尺寸可以大致确定所需注浆的最大值。

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