CN113530545A - 孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，根据孤岛工作面及两侧采空区的开采条件，将孤岛工作面沿走向划分多组注浆区域和煤柱。当工作面回采时，在首组注浆区域通过地面施工的若干个钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至首组注浆区域回采结束，然后留设煤柱，孤岛工作面进行跳采，对次组注浆区域进行回采并实施注浆充填，依次循环，直至孤岛工作面开采结束。该方法解决了孤岛工作面覆岩隔离注浆充填效果差难题，能够有效控制地表下沉并保护地面建筑物。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程绿色开采领域，具体涉及一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法。
背景技术
建(构)筑物压煤一直是困扰我国煤矿开采的重大技术难题，压煤总量近百亿吨，东部矿区甚至超过总储量的50％，是矿区资源开发与和谐人居环境之间的尖锐矛盾。井工开采煤炭会造成地表塌陷，导致水土流失，造成经济损失和环境破坏。开采建筑物下压煤对于解放煤炭资源、缓解资源开发与人居之间的矛盾、保护环境有着重大的意义。近年来，采动覆岩隔离注浆充填技术(专利ZL201210164929.9)在建(构)筑物下采煤中得到了广泛应用，该方法涉及从地表向煤层方向垂直施工多组钻孔，利用钻孔向采动离层空间高压注浆，从而控制上覆岩层变形、减少地表沉陷。该方法能够有效的控制地表下沉和保护地面建构筑物的前提是提前对工作面的开采参数或者采区工作面的布置进行设计，工作面间需要留设隔离煤柱。但现实中往往遇到采区内大部分工作面已回采，形成孤岛工作面的情形，孤岛工作面两侧均为采空区，此时地面已出现下沉，部分地面建筑物已出现了变形甚至损坏，如果仍按照传统的技术进行注浆充填开采，势必导致地面下沉剧烈增加，地面的建构筑物将出现严重破坏，无法达到预期效果。因此，针对孤岛工作面的情形，有必要形成与之相应的覆岩隔离注浆充填开采方法，以便保护地面建筑物。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，技术构思为：将孤岛工作面沿走向划分多组注浆区域和煤柱，在孤岛工作面所有注浆区域回采时，通过地面施工的钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施注浆充填煤基固废浆液；具体包括如下步骤：
a.确定煤层埋深H大于孤岛工作面宽度W；
b.根据孤岛工作面及两侧采空区的开采尺寸确定注浆区域走向长度a：
若孤岛工作面宽度W与两侧采空区的宽度X、Y之和＞煤层埋深H，则注浆区域的走向长度a＝W；
若孤岛工作面宽度W与两侧采空区的宽度X、Y之和＜煤层埋深H，则注浆区域的走向长度a＞WH/(X+Y+W)，具体根据地面建筑物保护等级，并采用概率积分法地表沉陷预计进行确定；
c.根据辅助面积法，以最危险状态考虑，即采空区上方的覆岩重力全部转移至煤柱上，计算煤柱承受载荷，公式为
式中：P为煤柱承受的载荷，γ为煤柱上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，θ为煤岩冒落角，h为注浆层位距煤层顶板高度，b为煤柱走向长度；
d.根据实验室煤柱样品参数测试和比涅乌斯基公式计算煤柱实际强度，
公式为
式中：σ为煤柱实际强度，σc为实验室煤柱样品的平均单轴抗压强度，D为实验室圆柱体煤柱样品的直径或立方体煤柱样品的边长，M为煤层采高，n为系数，b为煤柱走向长度，当b/M＞5时n＝1.4，当b/M小于5时n＝1；
e.根据公式F＝σ/P＝1.5计算煤柱走向长度b，式中F为安全系数；
f.将孤岛工作面走向划分N组注浆区域和煤柱，N＝L/(a+b)，N取整数部分，L为孤岛工作面的走向全长；
g.在首组注浆区域工作面回采期间，从地面施工若干个钻孔，并通过钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面首组注浆区域回采结束；
h.在孤岛工作面留设走向长度b的煤柱，跳采至次组注浆区域，并通过钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面该组注浆区域回采结束；
i.继续循环步骤h，直到孤岛工作面回采结束。
优选的，在注浆区域内，钻孔成组布置，每组2个注浆钻孔，钻孔终孔深度位于煤层上方15～50倍煤层采高M。
优选的，还包括步骤j.计算孤岛工作面走向剩余长度A＝L-N(a+b)，若A≥80m，则在第N组的煤柱后继续布置一个注浆区域，但该注浆区域的长度不得大于步骤b中确定的注浆区域走向长度a。
有益效果：采用上述技术方案，对于孤岛工作面开采，本发明可避免直接采用采动覆岩隔离注浆充填技术导致注浆效果不佳，地表剧烈下沉，地面建筑物严重损坏的问题；可根据孤岛工作面地质开采条件，优化注浆区域走向推进长度和煤柱走向长度，结合地面建筑物的保护等级，极大的节省注浆充填材料用量、减小注浆充填成本、提高煤炭资源回收率。因而，本发明能够有效解决孤岛工作面压煤难题。
附图说明
图1是本发明的孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法平面图；
图2是本发明的孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法倾向剖面图；
图3是本发明的孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法走向剖面图；
图中：1－孤岛工作面；2－两侧采空区；3－注浆区域；4－煤柱；5－地面；6－钻孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
本发明的孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，将孤岛工作面沿走向划分多组注浆区域和煤柱，在孤岛工作面所有注浆区域回采时，通过地面施工的钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施注浆充填煤基固废浆液，具体步骤如下：
a.确定煤层埋深H大于孤岛工作面1宽度W；
b.根据孤岛工作面1及两侧采空区2开采尺寸确定注浆区域走向长度a：
若孤岛工作面1宽度W与两侧采空区2的宽度X、Y之和＞煤层埋深H，则注浆区域3的走向长度a＝W；
若孤岛工作面1的宽度W与两侧采空区2的宽度X、Y之和＜煤层埋深H，则注浆区域3的走向长度a＞WH/(X+Y+W)，具体走向长度a根据地面建筑物保护等级(即地表沉陷控制需求)，并采用概率积分法地表沉陷预计进行确定；
c.根据辅助面积法，以最危险状态考虑，即采空区上方的覆岩重力全部转移至煤柱上，计算留设煤柱4所承受载荷，公式为
式中：P为煤柱4承受的载荷，γ为煤柱4上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，θ为煤岩冒落角，h为注浆层位距煤层顶板高度，b为煤柱走向长度；
d.根据实验室煤柱样品参数测试和比涅乌斯基公式计算煤柱4实际强度，
公式为
式中：σ为煤柱实际强度，σc为实验室煤柱样品的平均单轴抗压强度，D为实验室圆柱体煤柱样品的直径或立方体煤柱样品的边长，M为采高，n为系数，b为煤柱走向长度，当b/M＞5时n＝1.4，当b/M小于5时n＝1；
e.根据公式
计算煤柱4走向长度b，式中F为安全系数；
f.将孤岛工作面1走向划分N组注浆区域3和煤柱4，N＝L/(a+b)，N取整数部分，L为孤岛工作面的走向全长；
g.在首组注浆区域3工作面回采期间，从地面5施工若干个钻孔6，钻孔成组布置，每组2个注浆钻孔，钻孔终孔深度位于煤层上方15～50倍煤层采高M，通过钻孔6对孤岛工作面1上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面1首组注浆区域3回采结束；
h.在孤岛工作面1留设走向长度b的煤柱4，跳采至次组注浆区域，并通过钻孔对孤岛工作面1上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面该组注浆区域回采结束，钻孔施工及注浆方案同步骤g；
i.继续循环步骤h，直到孤岛工作面1回采结束。
优选的，还包括步骤j.计算孤岛工作面走向剩余长度A＝L-N(a+b)，若A≥80m，则在第N组的煤柱后继续布置一个注浆区域，但该注浆区域的长度不得大于步骤b中确定的注浆区域走向长度a。
实施案例：某矿12采区，孤岛工作面宽度150m，两侧采空区宽度分别120m、180m，煤层埋深560m，注浆层位距煤层顶板高度80m，煤试样单轴抗压强度15MPa。
a.确定12采区煤层埋深560m大于孤岛工作面宽度150m；
b.确定注浆区域走向长度。孤岛工作面宽度与两侧采空区宽度之和为450m，小于煤层埋深560m，则注浆区域走向长度大于187m；根据地面建筑物情况确定地面允许下沉300mm，将注浆区域走向长度在187m基础上间隔增加10m，利用概率积分法对不同方案注浆后的地表下沉进行预计，使地表预计下沉达到300mm，确定注浆区域走向长度307m；
c-e.确定煤柱走向长度。上覆岩层平均容重0.024MN/m3，煤层埋深560m，煤岩冒落角65°，注浆层位距煤层顶板高度80m，煤试样的平均单轴抗压强度15MPa，实验室立方体煤试样的边长50mm，采高3.2m，系数n为1.4，利用公式
f.孤岛工作面走向长度1200m，利用公式N＝L/(a+b)计算孤岛工作面走向可划分3组注浆区域和煤柱，注浆区域走向长度均307m，煤柱走向长度均90m；
g.在首组注浆区域工作面回采期间，从地面施工钻孔，每组注浆区域均1组钻孔，即2个注浆钻孔，通过钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面首组注浆区域回采结束；
h.留设走向长度90m的煤柱后，孤岛工作面跳采至第2组注浆区域，并通过第2注浆区域内2个钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至该组注浆区域回采结束；
i.再留设走向长度90m的煤柱，孤岛工作面跳采至第3组注浆区域，并通过第3注浆区域内2个钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至该组注浆区域回采结束，同时完成孤岛工作面注浆充填。
j.A＝9m，小于80m，无需在第3组的煤柱后继续布置一个注浆区域。
Claims (3)
1.一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，将孤岛工作面沿走向划分多组注浆区域和煤柱，在孤岛工作面所有注浆区域回采时，通过地面施工的钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施注浆充填煤基固废浆液；
其特征在于，具体包括如下步骤：
a.确定煤层埋深H大于孤岛工作面宽度W；b.根据孤岛工作面及两侧采空区的开采尺寸确定注浆区域走向长度a：
若孤岛工作面宽度W与两侧采空区的宽度X、Y之和＞煤层埋深H，则注浆区域的走向长度a＝W；
若孤岛工作面宽度W与两侧采空区的宽度X、Y之和＜煤层埋深H，则注浆区域的走向长度a＞WH/(X+Y+W)，具体根据地面建筑物保护等级，并采用概率积分法地表沉陷预计进行确定；
c.根据辅助面积法，以最危险状态考虑，即采空区上方的覆岩重力全部转移至煤柱上，计算煤柱承受载荷，公式为
式中：P为煤柱承受的载荷，γ为煤柱上覆岩层平均容重，H为煤层埋深，θ为煤岩冒落角，h为注浆层位距煤层顶板高度，b为煤柱走向长度；
d.根据实验室煤柱样品参数测试和比涅乌斯基公式计算煤柱实际强度，
公式为
式中：σ为煤柱实际强度，σc为实验室煤柱样品的平均单轴抗压强度，D为实验室圆柱体煤柱样品的直径或立方体煤柱样品的边长，M为煤层采高，n为系数，b为煤柱走向长度，当b/M＞5时n＝1.4，当b/M小于5时n＝1；
e.根据公式F＝σ/P＝1.5计算煤柱走向长度b，式中F为安全系数；
f.将孤岛工作面走向划分N组注浆区域和煤柱，N＝L/(a+b)，N取整数部分，L为孤岛工作面的走向全长；
g.在首组注浆区域工作面回采期间，从地面施工若干个钻孔，并通过钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面首组注浆区域回采结束；
h.在孤岛工作面留设走向长度b的煤柱，跳采至次组注浆区域，并通过钻孔对孤岛工作面上方覆岩空间实施充填煤基固废浆液，直至孤岛工作面该组注浆区域回采结束；
i.继续循环步骤h，直到孤岛工作面回采结束。
2.根据权利要求1所述的一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，在注浆区域内，每组2个注浆钻孔，钻孔终孔深度位于煤层上方15～50倍煤层采高M。
3.根据权利要求1或2所述的一种孤岛工作面覆岩隔离注浆充填开采方法，还包括步骤j.计算孤岛工作面走向剩余长度A＝L-N(a+b)，若A≥80m，则在第N组的煤柱后继续布置一个注浆区域，但该注浆区域的长度不得大于步骤b中确定的注浆区域走向长度a。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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