CN111734482A - 一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，适用于薄及中厚煤层开采后顶板自然垮落，破碎体未完全填充的采空区。首先，采用井下斜向上定向钻孔至垮落带上部，随后设置PVC套管与注浆管；使用球面喷嘴对垮落的破碎覆岩进行局部喷射注浆，并根据注浆流量计与压力计分别控制注浆量和注浆压力，以实现控制碎石胶结体形态和大小的目标；随后在矸石胶结体上部放置囊袋并进行注浆充填，使其接触顶板并通过注浆压力计与流量计实现对囊袋膨胀体积的精准、实时监测，确保囊袋注浆与胶结的矸石破碎体形成有效支撑。

Description

一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法

技术领域

本发明涉及一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，涉及煤矿开采技术领域。

背景技术

在我国能源结构中，煤炭始终占有重要的地位，大量的煤炭开采也带来了诸多问题，随着开采活动的进行，开采区地表形态和生态环境受到了严重的影响。根据我国环保部门相关资料显示，煤炭开采引起地表沉陷问题已经难以忽视，大量的煤炭开采区域发生沉陷，并且严重影响当地生态环境；例如，我国鄂尔多斯盆地等生态脆弱区域，干旱少雨，水资源匮乏，煤炭资源大面积开采导致的生态环境问题十分突出。根据实际开采情况的调查研究，煤炭开采对采场覆岩造成扰动，使覆岩应力状态发生改变，采空区垮落引起上覆岩层产生形变，随后传递至地表发生沉降、塌陷和开裂等现象；原有地质条件的改变与地下水流场原有状态受到采煤活动的干扰，使地表水系水量减少甚至干涸，并伴随地下水位下降最终使地表生态环境破坏，环境抵抗力较低的生物群落退化甚至消失，诸如此类问题严重制约着当地煤炭资源开采的可持续发展态势。

目前而言，留设保护煤柱开采和充填开采成为该区域最为常见的减损方法。但留设煤柱开采方法一方面造成资源浪费、减少矿井服务年限；另一方面，影响生产布局和煤炭的高效回采。而全断面注浆充填开采的成本投入太高，经济效益性差，不宜于大面积煤矿企业的推广与实施。因此，探究科学、合理的绿色减损开采技术成为西部煤炭资源开采必须破解的技术难题。

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对破碎矸石进行间隔式注浆的支撑的方法；同时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，较少有针对煤层垮落区自然垮落后，研究利用井下定向钻孔间隔式囊袋注浆支撑技术，减少覆岩压实作用产生二次沉降的方法。

发明内容

本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，提供一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，利用覆岩垮落的碎胀原理与囊袋注浆可控膨胀原理，达到支撑顶板下沉目的，结合原位间隔式注浆加固施工工艺，实现“覆岩垮落碎胀胶结充填+定向钻孔间隔式囊袋注浆加固”的目标，代替原有全断面注浆充填方法；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，结合注浆胶结减少破碎矸石由于覆岩压实作用产生的压实沉降，提升充填效率；另一方面，通过采用井下囊袋间隔式注浆加固形式，不仅可减少整体注浆量，并且可降低注浆充填注浆施工难度，避免地表建设注浆设施，大幅节约施工成本。

本发明采用的技术方案如下：

本发明公开了一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，针对薄及中厚煤层开采后顶板自然垮落，破碎体未完全填充采空区情况；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，据此确定出覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑体间距L，计算上覆岩层应力确定所需要的胶结矸石垛状体强度，所述胶结矸石垛状体强度根据上覆围岩的周期来压(可测量)，获得上覆岩层向下的压力，利用结构力学公式(根据实际情况选取，例如悬臂梁或简支梁计算)相应公式计算每个支撑体分担点压力；根据注浆量选择合适型号的球面状注浆喷嘴，所述球面状注浆喷嘴采用增压喷射技术；

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，并根据囊袋极限膨胀体积得到；所述水泥浆改性配比、凝结时间、水泥浆强度通过模拟注浆试验验证后确定，所属囊袋极限膨胀体积根据最后垮落的碎胀体截面积结合剩余充填高度选取；

第二步：根据实验室测定的顶板岩石的最优碎胀系数，进行浆液注浆量、注浆压力、初凝时间的最优化设计，按照实际工程所需的浆液扩散半径、扩散速度及实验室预实验测试水泥浆性能，选择适当的速凝剂或早强剂等水泥改性剂对水泥浆的性能进行合理的施工配合比设计，所述浆液扩散半径需要测试水泥浆的流动性，在单位时间内碎胀体中的空隙能多大程度被水泥浆充填，碎胀体界面能够形成多大的渗透圆形或其他图形；

所述最优胀系数需要通过室内试验测试确定，通过破碎注浆试验，测定抗压注浆体强度与碎胀系数的关系确定最大抗压强度所对应的注浆量和最优碎胀系数；所述注浆压力与初凝时间是要通过模拟注浆试验确定，测试其不同养护龄期的强度发展，确定注浆时间和所选水泥浆配比；

第三步：注浆作业采用井下工作面定向钻孔方式进行，由采煤工作面斜向上钻孔至冒落带上方预定注浆位置，钻孔完成后设置PVC套管，随后利用钻杆将连接注浆管道的球面状喷头推送至预定注浆位置；注浆管道布设注浆压力计与注浆流量计，通过控制注浆压力与注浆流量结合浆液初凝时间，对注浆过程中以及注浆完成后的注浆效果进行控制；

第四步：当采煤工作面液压支架向煤方向推进时，采空区直接自然垮落并充填采空区上部空间；当垮落破碎覆岩部分充填采空区并趋于稳定时对垮落破碎的矸石开始注浆胶结，利用球状喷嘴多孔喷淋技术对浆液进行局部扩散式喷射；浆液由垮落覆岩破碎体上部球面状喷嘴喷出在重力作用下沿堆积矸石缝隙由上到下扩散胶结成垛桩体；按照所设计的浆液初凝时间、注浆压力、注浆量结合注浆压力计与注浆流量计对注浆进行精确控制，满足预定的注浆要求时停止注浆；

第五步：等待垮落矸石胶结成稳定支撑体并达到预定强度后，利用钻杆将连接注浆管的注浆囊袋推送至已胶结的垛桩体上部，随后对囊袋进行注浆，通过注浆压力计与注浆流量计对囊袋注浆过程进行控制，注浆过程分为两个步骤：(1)随着浆液重力及液体张力将囊袋底部进行扩张，使囊袋下部接触面积达到预定尺寸并凝结成可使囊袋自行直立的稳定底座；(2)此时，继续注浆直至囊袋与上部岩层接触，当囊袋注浆达到预定注浆效果时停止注浆；

第六步：全部注浆作业完成后，通过PVC套管推送窥视镜观察注浆效果；

所述冒落带高度为：:h＝m/((k-1)cosα),式中，h为冒落带高度；m为底部未开采煤层厚度；k为垮落矸石的碎胀系数；α为底部未开采煤层倾角。

所述极限跨距L＝2h√(R_T/3q)，式中，q—老顶岩层梁所承受的载荷；R_T—该处岩层的抗拉强度极限；h—老顶岩层厚度。

本发明的技术效果如下：

目前，防止煤矿上部地层塌陷导致地面生态系统破坏的方法主要以留煤柱和充填开采为主。然而，这两种方式都各有弊端：第一种：留煤柱方案，其具体实践方式为：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层，虽然具有开采与支护同时进行的优势，但留煤柱开采方式会导致局部矿压集中，存在一定的失稳风险，当煤柱上覆岩层失稳将会产生非常严重的事故。另外，在卸压区域的煤柱会影响卸压区顶板卸压效果，从而影响被保护层的卸压效果；而且，这种方式将造成大量煤炭资源损失，缩短矿井生产年限。

第二种：充填开采方案，对于“三下”采煤的环境，利用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，在控制地表沉陷的方面具有一定的优势，但无论是采用煤矸石充填法、胶结充填法、粉煤灰部分代替水泥充填法、混凝土充填法等，都过度依赖充填材料，但现今充填材料单位成本都相当高，且传统的矸石充填法由于覆岩破碎体压实后仍然会产生部分沉降，未能达到预期减损效果。因此，该技术高昂的投入成本与充填效果不佳不利于企业的经济效益，也难以大面积的推广应用。以上问题严重制约煤炭绿色开采的可持续发展，本发明提出了针对性的解决方案。

对于顶板自然垮落后破碎体未完全填充采空区的情况，有效利用了顶板破碎体作为支撑材料，结合矸石胶结体与间隔式注浆囊袋充填形成牢固的支撑体，不同于传统全断面注浆和其他填充方法，减少了注浆量和其他填充材料的运输和使用，并且提高了经济效益。

本发明采用井下注浆施工方式，既降低了注浆充填的施工难度又减少了对地表环境的影响，符合绿色开采的方针。其优点在于：一方面，矸石胶结与囊袋注浆联合支撑体可及时、有效地支撑上部覆岩，不会出现二次垮落的情况。有效控制了地表及上覆岩层的沉降，保证了采空区上覆岩层的稳定性，减少采煤过程中可能出现的事故。另一方面，在垮落区域内，间隔式注浆加固方法，最大限度的利用顶板垮落的破碎体，降低了采空区支撑体充填材料用量与总注浆量，进而减少了支撑作业所需的经济成本，同时无煤柱开采方式也提高了煤炭资源回收率。

附图说明

图1是覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法示意图；

图2是垮落体注浆示意图；

图3是囊袋注浆示意图；

图4是联合支撑支撑体系示意图；

图5是球状喷嘴喷淋示意图；

图6是覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑技术路线图。

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，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，据此确定出覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑体间距L(可根据相关规范建议取合适的安全系数1.25确保施工安全)；所述胶结矸石垛状体强度根据上覆围岩的周期来压(可测量)，获得上覆岩层向下的压力，利用结构力学公式(根据实际情况选取，例如悬臂梁或简支梁计算)相应公式计算每个支撑体分担点压力；根据注浆量选择合适型号的球面状注浆喷嘴，所述球面状注浆喷嘴采用增压喷射技术；

第二步，根据实验室测定的顶板岩石的最优碎胀系数，进行浆液注浆量、注浆压力、初凝时间的最优化设计，按照实际工程所需的浆液扩散半径、扩散速度及实验室预实验测试水泥浆性能，选择适当的速凝剂或早强剂等水泥改性剂对水泥浆的性能进行合理的施工配合比设计，所述浆液扩散半径需要测试水泥浆的流动性，在单位时间内碎胀体中的空隙能多大程度被水泥浆充填，碎胀体界面能够形成多大的渗透圆形或其他图形；

第三步，注浆作业采用井下工作面定向钻孔方式进行，由采煤工作面斜向上钻孔至冒落带上方预定注浆位置，钻孔完成后设置PVC套管，随后利用钻杆将连接注浆管道的球面状喷头推送至预定注浆位置；注浆管道布设注浆压力计与注浆流量计，通过控制注浆压力与注浆流量结合浆液初凝时间，对注浆过程中以及注浆完成后的注浆效果进行控制，具体管路监测仪表可根据注浆需求进行添加；

第四步，采煤工作面液压支架向煤方向推进时，采空区直接自然垮落并充填采空区上部空间；当垮落破碎覆岩部分充填采空区并趋于稳定时对垮落破碎的矸石开始注浆胶结，利用球状喷嘴多孔喷淋技术对浆液进行局部扩散式喷射；浆液由垮落覆岩破碎体上部球面状喷嘴喷出在重力作用下沿堆积矸石缝隙由上到下扩散胶结成垛桩体；按照所设计的浆液初凝时间、注浆压力、注浆量结合注浆压力计与注浆流量计对注浆进行精确控制，满足预定的注浆要求时停止注浆；停止注浆的时间按照以下条件判断：(1)若注浆初凝时间已达到预计初凝条件时；(2)若注浆量已达到垛桩体设计极限注浆量时，随后回收注浆管与注浆喷嘴进行下一步注浆作业；

第五步，等待垮落矸石胶结成稳定支撑体并达到预定强度后，利用钻杆将连接注浆管的注浆囊袋推送至已胶结的垛桩体上部，随后对囊袋进行注浆，通过注浆压力计与注浆流量计对囊袋注浆过程进行控制，注浆过程分为两个步骤：(1)随着浆液重力及液体张力将囊袋底部进行扩张，使囊袋下部接触面积达到预定尺寸并凝结成可使囊袋自行直立的稳定底座；(2)此时，继续注浆直至囊袋与上部岩层接触；当囊袋注浆达到预定注浆效果时停止注浆，停止注浆建议按照以下条件判断：(1)若注浆压力急剧增高且维持高位不变，可判定囊袋已与上部岩层接触时；(2)若囊袋注浆量已达到囊袋设计极限容纳量且与上部岩层接触面积达到设计要求时，随后断开注浆管并封堵注浆囊袋注浆口；

第六步，全部注浆作业完成后，通过PVC套管推送窥视镜观察注浆效果；参考观测效果并结合地表沉降实时测量数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损手段进行补强处理。

本实施例中，第一步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，并根据囊袋极限膨胀体积得到；所述水泥浆改性配比、凝结时间、水泥浆强度通过模拟注浆试验验证后确定，所属囊袋极限膨胀体积根据最后垮落的碎胀体截面积结合剩余充填高度选取；

本实施例中，第二步所述最优胀系数需要通过室内试验测试确定，通过破碎注浆试验，测定抗压注浆体强度与碎胀系数的关系确定最大抗压强度所对应的注浆量和最优碎胀系数；所述注浆压力与初凝时间是要通过模拟注浆试验确定，测试其不同养护龄期的强度发展，确定注浆时间和所选水泥浆配比；

本实施例中，所述冒落带高度为：:h＝m/((k-1)cosα),式中，h为冒落带高度；m为底部未开采煤层厚度；k为垮落矸石的碎胀系数；α为底部未开采煤层倾角；

本实施例中，所述极限跨距L＝2h√(R_T/3q)，式中，q—老顶岩层梁所承受的载荷；R_T—该处岩层的抗拉强度极限；h—老顶岩层厚度。

本实施例与现有技术相比具有以下优点：

(1)产能提高，本实施例提出的利用覆岩垮落胶结与间隔式囊袋注浆联合支撑减损方法，在采煤工作进行中利用顶板垮落的破碎覆岩作为支撑材料，无需在巷道内外运支撑材料，节省施工时间；

(2)节约成本，本实施例提出的利用覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，利用顶板垮落碎石作为支撑结构的支撑材料，避免了对外运支撑材料的依赖；以间隔式布设注浆胶结覆岩破碎体成本较低，无需全断面注浆减少了注浆量，大幅度降低支撑材料成本；

(3)施工便利，本实施例所应用的覆岩垮落胶结与间隔式囊袋注浆联合支撑减损方法，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，避免了新技术培训流程；

(4)绿色环保，本实施例提出的覆岩垮落胶结与间隔式囊袋注浆联合支撑减损方法，采用井下钻孔注浆技术，避免了地表施工对地表环境的破坏，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；

(5)安全可靠，本实施例提出的减损方法可有效控制顶板垮落后后破碎覆岩被压实后产生的二次沉降，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。

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 (10)

1.一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，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，据此确定出覆岩垮落胶结与囊袋注浆联合支撑体间距L，计算上覆岩层应力确定所需要的胶结矸石垛状体强度，所述胶结矸石垛状体强度根据上覆围岩的周期来压(可测量)，获得上覆岩层向下的压力，利用结构力学公式(根据实际情况选取，例如悬臂梁或简支梁计算)相应公式计算每个支撑体分担点压力；根据注浆量选择合适型号的球面状注浆喷嘴，所述球面状注浆喷嘴采用增压喷射技术；

第二步：根据实验室测定的顶板岩石的最优碎胀系数，进行浆液注浆量、注浆压力、初凝时间的最优化设计，按照实际工程所需的浆液扩散半径、扩散速度及实验室预实验测试水泥浆性能，选择适当的速凝剂或早强剂等水泥改性剂对水泥浆的性能进行合理的施工配合比设计，所述浆液扩散半径需要测试水泥浆的流动性，在单位时间内碎胀体中的空隙能多大程度被水泥浆充填，碎胀体界面能够形成多大的渗透圆形或其他图形；

第三步：注浆作业采用井下工作面定向钻孔方式进行，由采煤工作面斜向上钻孔至冒落带上方预定注浆位置，钻孔完成后设置PVC套管，随后利用钻杆将连接注浆管道的球面状喷头推送至预定注浆位置；

第四步：当采煤工作面液压支架向煤方向推进时，采空区直接自然垮落并充填采空区上部空间；当垮落破碎覆岩部分充填采空区并趋于稳定时对垮落破碎的矸石开始注浆胶结；通过注浆压力计与注浆流量计对浆液初凝时间、注浆压力、注浆量进行精确控制，满足预定的注浆要求时停止注浆；

第五步：等待垮落矸石胶结成稳定支撑体并达到预定强度后，利用钻杆将连接注浆管的注浆囊袋推送至已胶结的垛桩体上部，随后对囊袋进行注浆，通过注浆压力计与注浆流量计对囊袋注浆过程进行控制；

第六步：全部注浆作业完成后，通过PVC套管推送窥视镜观察注浆效果。

2.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第一步中，所述冒落带高度为：:h＝m/((k-1)cosα),式中，h为冒落带高度；m为底部未开采煤层厚度；k为垮落矸石的碎胀系数；α为底部未开采煤层倾角。

3.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第一步中，所述极限跨距L＝2h√(R_T/3q)，式中，q—老顶岩层梁所承受的载荷；R_T—该处岩层的抗拉强度极限；h—老顶岩层厚度。

4.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，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，并根据囊袋极限膨胀体积得到；所述水泥浆改性配比、凝结时间、水泥浆强度通过模拟注浆试验验证后确定，所属囊袋极限膨胀体积根据最后垮落的碎胀体截面积结合剩余充填高度选取。

5.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第二步中，所述最优碎胀系数需要通过室内试验测试确定，通过破碎注浆试验，测定抗压注浆体强度与碎胀系数的关系确定最大抗压强度所对应的注浆量和最优碎胀系数；所述注浆压力与初凝时间是要通过模拟注浆试验确定，测试其不同养护龄期的强度发展，确定注浆时间和所选水泥浆配比。

6.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第三步中，注浆管道布设注浆压力计与注浆流量计，通过控制注浆压力与注浆流量结合浆液初凝时间，对注浆过程中以及注浆完成后的注浆效果进行控制；具体管路监测仪表可根据注浆需求进行添加。

7.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第四步中，利用球状喷嘴多孔喷淋技术对浆液进行局部扩散式喷射，浆液由垮落覆岩破碎体上部球面状喷嘴喷出在重力作用下沿堆积矸石缝隙由上到下扩散胶结成垛桩体。

8.根据权利要求7所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，所述停止注浆的时间应按照以下条件进行判断：(1)若注浆初凝时间已达到预计初凝条件时，(2)若注浆量已达到垛桩体设计极限注浆量时，随后回收注浆管与注浆喷嘴进行下一步注浆作业；所述预计的初凝条件一般指形状不再发生变化，具有一定的早期强度(根据实际围岩压力确定早期强度)若能达到部分支撑强度就认为达到了预计初凝条件；所述垛庄体的设计需要根据围岩压力和模拟实验确定，极限设计参数根据实际情况确定；所述注浆压力计用于检测注浆喷头的喷射压力，达到极限注浆量时，压力计值会突然增大。

9.根据权利要求1所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，第五步中，注浆过程分为两个步骤：(1)随着浆液重力及液体张力将囊袋底部进行扩张，使囊袋下部接触面积达到预定尺寸并凝结成可使囊袋自行直立的稳定底座；(2)此时，继续注浆直至囊袋与上部岩层接触，当囊袋注浆达到预定注浆效果时停止注浆。

10.根据权利要求9所述的一种利用矸石胶结与囊袋注浆联合支撑减损方法，其特征在于，所述停止注浆的时间应按照以下条件进行判断：(1)若注浆压力急剧增高且维持高位不变，可判定囊袋已与上部岩层接触时；(2)若囊袋注浆量已达到囊袋设计极限容纳量且与上部岩层接触面积达到设计要求时，随后断开注浆管并封堵注浆囊袋注浆口。

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