CN111810197B - 一种工作面断层构造带的预注浆加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工作面断层构造带的预注浆加固方法，属于煤矿注浆支护技术领域。超前预加固操作如下：当工作面推进至距离断层构造带边缘300‑400m时，在工作面静压条件下，沿工作面推进方向在工作面的上顺槽或下顺槽，向断层构造带区域分别实施帷幕注浆孔、浅孔和深孔的钻孔、下管、封孔和注浆操作；再进行预留孔的钻孔、下管和封孔操作；当工作面推进至距离断层构造带边缘30‑50m时，在工作面动压条件下，对预留孔进行注浆操作。本发明达到了超前工作面预先主动治理断层的目的，安全性更高，同时解决了常规方法的被动性和滞后性施工问题，以及治理断层被迫停采停面的进度问题，真正意义上实现了工作面过断层期间连续化高效回采。

Description

一种工作面断层构造带的预注浆加固方法

技术领域

本发明属于煤矿注浆支护技术领域，具体涉及一种井下断层构造带破碎煤岩体的超前注浆加固工艺方法。

背景技术

断层是煤矿工作面常见的地质构造。断层构造带原岩应力复杂、岩体完整性差，开采过程中工作面临近断层异常带时又会导致断层进一步活化。受断层构造带破碎围岩环境及采动活化影响，极易引发大面积顶板冒落、煤壁片帮和掉顶压架事故，工作面过断层时顶板及煤壁维护极为困难。工作面过断层构造带难度大、效率低，安全、进度、支护、成本四大问题凸显，给矿井的安全、高效开采带来严重的影响。

目前在煤矿开采过程中，工作面遇到断层构造带若采取躲避措施，会造成煤炭资源的大量浪费。因此工作面遇多数断层均要强行通过，采取方法主要是在工作面推进至断层破碎带位置待断层揭露后，在工作面内对顶板及煤壁进行临时的支柱支护和浅孔注射化学浆液加固。上述方法在断层治理过程中存在如下问题：1．支柱支护控顶距离短，无法加固破碎围岩，施工效果和安全性差。2．浅孔化学注浆加固成本高，且注浆距离短、加固范围小，主要针对5~10m浅部围岩，无法实现大范围整体加固断层破碎带的目的。3．上述方法对断层治理来讲均是局部的、滞后的被动方式，无法实现超前预先治理断层。4．上述方法要求在工作面停止工作的情况进行，严重影响了工作面单产，无法保证工作面连续性推进。

发明内容

为解决现有方法在支护效果和注浆工艺的弊端和局限性，实现工作面安全高效过断层回采，基于在工作面推进至断层构造带之前对断层进行定向深孔超前注浆加固的新思路，本发明提供一种工作面断层构造带的预注浆加固方法。

本发明一种工作面断层构造带的预注浆加固方法的技术方案如下：

在煤矿开采过程中，当工作面遇到断层构造带时，超前预加固操作步骤如下：

（1）.当工作面推进至距离断层构造带边缘300-400m时，在工作面静压条件下，在工作面的上顺槽或下顺槽内，对断层构造带区域不同深度的帷幕注浆孔、浅孔和深孔分别实施钻孔、下注浆管、封孔和注浆操作；再进行预留孔的钻孔、下注浆管和封孔操作；所述帷幕注浆孔均布设置为2-3排；所述浅孔、深孔和预留孔设置成1排，且位于相邻的两排帷幕注浆孔之间；

（2）.当工作面推进至距离断层构造带边缘30-50m时，在工作面动压条件下，对预留孔进行注浆；

所述帷幕注浆孔均垂直于上顺槽的工作面侧帮或下顺槽的工作面侧帮；所述浅孔、深孔和预留孔之间相互并排布置，或呈扇形布置。

进一步限定的技术方案如下：

所述帷幕注浆孔、浅孔、深孔的钻孔下管注浆操作由浅至深顺序进行。

所述帷幕注浆孔的孔径为42mm、孔深为2~4m，所述浅孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为10~30m；所述深孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为30~80m，所述预留孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为30~130m。

所述帷幕注浆孔为2~3排水平注浆孔，错位交叉布置，横向单排孔的相邻两孔水平间距5~6m，相邻两排孔之间的垂直距离1~1.5m；注浆时采用气动注浆泵和钢管注射化学浆或无机复合注浆材料，注浆压力3~8MPa。

所述浅孔、深孔及预留孔均采用地质钻机钻孔；浅孔、深孔及预留孔的钻孔位置与巷道底板之间的垂直距离为1.5m；采用两个封孔胶囊定位封孔，两封孔胶囊之间的间距为孔深的1/4~1/3；采用高压电动泵注浆，注浆压力范围0~15MPa；注浆材料为无机复合注浆材料。

所述浅孔、深孔和预留孔之间并排布置时，同类型孔的相邻孔间距为8~10m；同类型孔的终孔位置位于断层面上方2~3m，并穿过断层面3~5m。

所述浅孔、深孔和预留孔呈扇形布置时，同类型孔的相邻孔间距为0.8~1.5m；同类型孔的终孔位置位于断层面上方2~3m，并穿过断层面3~5m。

所述注浆管为钢管或PVC实管或PVC花管。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：

1.本发明的浅孔、深孔和预留孔的终孔位置均位于断层面煤层顶板上方2~3m，并穿过断层面3~5m，通过帷幕注浆孔、浅孔、深孔和预留孔的分步钻孔、下管、注浆操作可有效加固断层构造带煤层顶板破碎围岩体，控顶作用和效果明显。

2.本发明的浅孔、深孔和预留孔的长度范围可达20~130m，通过其平行并排或扇形集中布置，注浆加固范围可全面覆盖工作面整个断层异常带，实现了大范围整体治理断层的目的，可解决常规注浆因距离短、加固范围小而只能进行局部注浆的问题。

3．本发明在工作面距离断层构造带300~400m、30~50m时开始静压注浆和动压二次补注浆，在工作面进入断层异常带时围岩已预先加固完毕，达到了超前工作面预先主动治理断层的目的，安全性更高，同时解决了常规方法的被动性和滞后性施工问题以及治理断层被迫停采停面的进度问题，真正意义上实现了工作面过断层期间连续化高效回采。

4．本发明可实现注浆压力范围0~20MPa，注浆加固范围0~150m；拓展了普通注浆工艺（注浆压力0~8MPa，注浆加固范围<10m）的应用范围。

5．本发明对断层的注浆加固治理不受断层落差大小限制，适用范围广。注浆材料选用无机注浆料（单价：3~4千元/吨），和化学注浆材料（单价：2~3万/吨）相比，材料成本降低80%左右。

附图说明

图1为实施例1上顺槽巷道定向孔平行并列布置平面图。

图2为实施例1平行并列式定向注浆四类注浆孔布置断面图。

图3为实例1或2定向孔定位施工方法示意图。

图4为实施例1或2定向孔下管及封孔方式放大示意图。

图5为实例2定向孔钻场内扇形集中布置平面图。

上图中序号：断层构造带1、帷幕注浆孔2、浅孔3、深孔4、预留孔5、钻场6、PVC花管7、排气管8、1吋钢管9、孔胶囊10、注浆口11、1吋PVC实管12。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

以下实施例所用设备、材料及技术参数说明如下：

帷幕注浆用风动注浆泵： 山西万泽锦达矿山机械设备有限公司（型号：2ZBQ-30/3，注浆压力5~8MPa）；

帷幕注浆用化学注浆泵，山西万泽锦达矿山机械设备有限公司（型号：2ZBQS-11/15，注浆压力3~15MPa）。

定向孔（浅孔、中深孔及深孔）用地质钻机：秦皇岛迪峰凿岩设备有限公司（孔径直径为73mm/Φ94 mm/Φ113 mm）；

定向孔（浅孔、中深孔及深孔）用电动注浆泵：镇江宝城注浆设备有限公司（型号：ZBY1.5/32-22，额定注浆压力范围0~25MPa，正常注浆压力5~15MPa，注浆流量0-6m³/h）；

搅拌桶：镇江宝城注浆设备有限公司（型号：JQW-250S型水泥搅拌机，搅拌容量250L，上料高度950mm，耗气量1m³/min，整机重量145kg）。

封孔胶囊：东华欧科矿山支护设备有限责任公司（型号：FKQW-50/2.0）。

无机复合注浆材料：东华欧科矿山支护设备有限责任公司（型号：久米纳矿用无机充填加固材料）。

实施例1

潘二矿11123工作面断层构造带预注浆加固（定向孔顺槽巷道平行并列布置）具体操作步骤如下：

在11123工作面的上顺槽内采用帷幕孔、浅孔、深孔、预留孔相结合的四步递进式注浆方案；先施工帷幕孔并注浆，然后再按钻孔、下管、封孔、注浆的顺序依次进行浅孔、深孔、预留孔的“分步递进式”注浆工序。

（1）帷幕注浆

参见图1，当11123工作面距离断层构造带1边缘300~400m时，在长150m、宽70m范围内的断层构造带1的上顺槽工作面帮部，与工作面推进方向一致从右向左施工两排平行的帷幕注浆孔2，错位交叉布置，第二排中的每一个孔对应位于第一排中相邻两孔之间的中部，横向单排孔的相邻两孔水平间距6m，上下相邻两排孔垂直距离1m，参见图2。先施工底部一排帷幕注浆孔2（距巷道顶板2.0m，），注浆后再施工上部一排帷幕注浆孔2（距顶板1.0m）。帷幕注浆孔2的钻孔直径42mm、孔深4m。采用4分钢管注射无机复合注浆材料，注浆压力5~8MPa。

（2）浅孔注浆

参见图1，帷幕注浆结束后，在长150m、宽70m范围内的断层构造带1的上顺槽工作面侧帮部，在二排帷幕注浆孔2之间钻打一排浅孔3，见图2，浅孔3的深度为30m，相邻浅孔3之间的间距为9m，浅孔3的直径为Φ94 mm，钻孔方向垂直于上顺槽轴线，开孔高度距巷道底板1.5m，设计倾角-7度。钻孔清孔后下注浆管，如图4所示，由孔口至孔底按1吋钢管9、1吋PVC实管12和1吋PVC花管7套接形成注浆管，其中注浆管形成的注浆口11距注浆孔的口部约200mm；同时并排设置一排气管8；两管外轴向套接有两个封孔胶囊10，两封孔胶囊间距（即封孔长度）为10m。采用电动注浆泵注射无机复合注浆材料，注浆压力5~15MPa，配备搅拌罐两个。

（3）深孔注浆

参见图1，上述浅孔注浆结束后，在长150m、宽70m范围内的断层构造带1的上顺槽工作面侧帮部，在二排帷幕注浆孔2之间钻打一排深孔4，与浅孔3在同一排上，见图2，深孔4的深度为80m，相邻深孔4之间的间距为9m，与相邻浅孔3之间的间距为3m，深孔4的直径为Φ94 mm，钻孔方向垂直巷道轴线，开孔高度距巷道底板1.5m，设计倾角-9度；钻孔的定位施工方法参见图3。钻孔清孔后下注浆管，下管及封孔方式与上述浅孔相同，两封孔胶囊间距（即封孔长度）为20m，参见图4。采用电动注浆泵注射无机复合注浆材料，注浆压力5~15MPa，配备搅拌罐两个。

（4）预留孔注浆

参见图1，上述深孔施工完毕注浆结束后，在长150m、宽70m范围内的断层构造带1的上顺槽帮部，在二排帷幕注浆孔2之间钻打一排预留孔5，与浅孔3在同一排上，见图2，预留孔5的深度为120m，相邻预留孔5之间的间距为9m，与相邻深孔4之间的间距为3m，预留孔5的孔径为Φ94 mm，钻孔方向垂直巷道轴线，开孔高度距巷道底板1.5m，设计倾角-10度，钻孔的定位施工方法参见图3。钻孔清孔后下注浆管，下管及封孔方式与上述浅孔及深孔相同，两封孔胶囊间距（即封孔长度）为25m，参见图4。当工作面距离断层构造带边缘30~50m时，采用电动注浆泵沿工作面推进方向依次对预留孔5注射无机复合注浆材料，注浆压力5~15MPa，配备搅拌罐两个。

实施例2

张集矿1613（3）工作面断层构造带预注浆加固（定向孔钻场扇形集中布置）具体操作步骤如下：

参见图5，在钻场6内通过逐一调整钻孔的角度和长度完成扇形定向孔集中布置，逐一完成帷幕孔、浅孔、深孔、预留孔的钻孔、下管、封孔和分步递进式注浆。

（1）帷幕注浆

参见图5，在断层构造带1（长240m，宽150m）范围内上、下顺槽的钻场6及周边35-50m范围，依次施工两排水平帷幕注浆孔2，错位交叉布置，第二排中的每一个孔对应位于第一排中相邻两孔之间的中部，横向单排孔的相邻两孔水平间距6m，上下相邻两排孔垂直距离1m，断面布置方式参见图2。先施工底部一排钻孔（距巷道顶板2m，两孔间距6m），注浆后再施工上部一排钻孔（距巷道顶板1.0m）。钻孔直径42mm，孔深4m。采用4分钢管注射化学材料，注浆压力5~8MPa。

（2）上顺槽、下顺槽钻场集中布孔超前预注浆

参见图5，当工作面距离断层构造带1边缘300-400m时，在断层构造带（长240m，宽150m）范围内下顺槽钻场内按孔3→孔4的顺序由浅至深扇形方式集中布孔5个，上顺槽钻场内按孔3→孔4的顺序由浅至深扇形方式集中布孔6个。按钻孔、下注浆管、封孔和注浆的顺序逐一进行。钻孔开孔位置均距底板1.5m，相邻钻孔间距1m。钻孔清孔后下注浆管，如图4所示，由孔口至孔底按1吋钢管9与1吋PVC实管12再与1吋PVC花管7套接形成注浆管，其中注浆管形成的注浆口11距注浆孔的口部约200mm；同时并排设置一排气管11，两管外轴向套接有两个封孔胶囊10，封孔长度为孔深的1/3。采用电动注浆泵注射无机复合注浆材料进行静压一次注浆，注浆压力5~15MPa，配备搅拌罐两个。

上述静压一次注浆结束后，在断层构造带1（长240m，宽150m）内下顺槽钻场由浅至深增补预留注浆孔（5）3个，上顺槽钻场内增补预留注浆孔（5）3个，按上述方法完成钻孔、下注浆管和封孔。当工作面距离断层构造带1边缘30~50m时，沿工作面推进方向，采用电动注浆泵向预留注浆孔内注射无机复合注浆材料进行动压二次补注浆，注浆压力5~15MPa。

本发明方法在淮南矿业（集团）煤业分公司谢桥矿2111（3）工作面、朱集东矿1122（3）工作面、潘二矿12223工作面和11123工作面、张集矿1613（3）和1612A工作面断层治理过程中进行了实践验证。采用本发明预注浆加固方法对工作面断层构造带煤岩体固结效果明显，工作面回采期间无片帮、顶板无冒落，推进度可提高1~2倍，经济效益提高50%，实现了工作面不停面过断层的高效安全回采。

以上实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种工作面断层构造带的预注浆加固方法，在煤矿开采过程中，当工作面遇到断层构造带时，其特征在于超前预加固操作步骤如下：

（1）.当工作面推进至距离断层构造带边缘300-400m时，在工作面静压条件下，在工作面的上顺槽或下顺槽内，对断层构造带区域不同深度的帷幕注浆孔、浅孔和深孔分别实施钻孔、下注浆管、封孔和注浆操作；再进行预留孔的钻孔、下注浆管和封孔操作；所述帷幕注浆孔均布设置为2-3排；所述浅孔、深孔和预留孔设置成1排，且位于相邻的两排帷幕注浆孔之间；

所述帷幕注浆孔、浅孔、深孔的钻孔下管注浆操作由浅至深顺序进行；

所述帷幕注浆孔为2~3排水平注浆孔，错位交叉布置，横向单排孔的相邻两孔水平间距5~6m，相邻两排孔之间的垂直距离1~1.5m；注浆时采用气动注浆泵和钢管注射化学浆或无机复合注浆材料，注浆压力3~8MPa；

所述浅孔、深孔及预留孔均采用地质钻机钻孔；浅孔、深孔及预留孔的钻孔位置与巷道底板之间的垂直距离为1.5m；采用两个封孔胶囊定位封孔，两封孔胶囊之间的间距为孔深的1/4~1/3；采用高压电动泵注浆，注浆压力范围0~15MPa；注浆材料为无机复合注浆材料；

（2）.当工作面推进至距离断层构造带边缘30-50m时，在工作面动压条件下，对预留孔进行注浆；

所述帷幕注浆孔均垂直于上顺槽的工作面侧帮或下顺槽的工作面侧帮；所述浅孔、深孔和预留孔之间相互并排布置，或呈扇形布置；

所述浅孔、深孔和预留孔之间并排布置时，同类型孔的相邻孔间距为8~10m；同类型孔的终孔位置位于断层面上方2~3m，并穿过断层面3~5m；

所述浅孔、深孔和预留孔呈扇形布置时，同类型孔的相邻孔间距为0.8~1.5m；同类型孔的终孔位置位于断层面上方2~3m，并穿过断层面3~5m；

所述帷幕注浆孔的孔径为42mm、孔深为2~4m，所述浅孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为10~30m；所述深孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为30~80m，所述预留孔的孔径为73mm或94mm或113mm、孔深为30~130m。

2.根据权利要求1所述的一种工作面断层构造带的预注浆加固方法，其特征在于：所述注浆管为钢管或PVC实管或PVC花管。

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