CN113605970B - 煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法，适用于煤炭开采矸石减排领域。根据采煤工作面信息，确定注浆充填关键层，从井下巷道施工定向钻孔至注浆充填关键层内部，在定向钻孔的主孔内向下施工多个分支孔；通过在井下建立注浆充填系统，将矿井的掘进矸石与选矸通过破磨制成充填浆液，利用定向钻孔充填至关键层下方的裂隙内，有效支撑关键层，控制岩层运动与地表沉陷。本方法把矿井产生出的煤矸石在井下直接制成充填浆液后充填到覆岩采动裂隙内，实现无害化处置。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿矸石井下减排方法，尤其适用于煤矿矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法。
背景技术
煤矸石是煤基大宗固废的重要组成部分，具有量大、面广的特点，传统的地面堆放导致了占地、污染等一系列问题，对矿区环境产生严重影响。煤矸石无害化处置已成为事关矿区可持续发展的关键问题。将煤矸石制成适宜的浆液后，利用注浆充填技术将其充填至覆岩采动裂隙内，不仅能够实现矸石减排的目的，还能够达到岩层控制与地表减沉等多重目的。
专利ZL2012101649299公开的《采动覆岩分区隔离注浆充填采煤方法》是通过地面钻孔向煤层上覆岩层中的采动裂隙内注浆，从而实现处理废弃物、支撑覆岩关键层、防止地面塌陷的目的；该方法所公开的注浆充填是通过地面钻孔与充填系统实施，而煤矸石的排放源头则是在井下掘进与采煤过程中形成，利用该方法则必须将矸石提升至地面进行注浆充填处理，无法实现从源头就地处理煤矸石的目的；且该方法的注浆钻孔施工需要占用一定施工场地，受地面建筑物、构筑物等影响，注浆钻孔的选址往往不能设置在理想的位置，甚至无法施工钻孔。综上，现有的覆岩隔离注浆充填技术尚不能应用于矿井煤矸石井下就地处理中，因此，迫切需要一种新的煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法，实现矿井采掘过程中煤矸石井下就地无害化处理目的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法，步骤如下：
a.根据采煤工作面的开采参数、地质信息，判别出覆岩中的关键层，根据地表沉陷控制与矸石充填处理量的需求，选择其中一层厚度较大的关键层，作为注浆充填关键层，注浆充填关键层的下界面即为选定的注浆充填层位；
b.从采煤工作面终采线外侧的巷道中，选择一个位置作为钻场，从该钻场中向注浆充填关键层方向施工井下定向孔，井下定向孔的钻孔一开为斜孔，方向为采煤工作面开切眼的方向，斜孔轨迹与采煤工作面导水裂隙带边界间隔一定距离，井下定向孔进入注浆充填关键层后，沿该关键层中面向采煤工作面开切眼方向继续向前钻进一段距离后停钻，钻进方向与采煤工作面推进方向平行，之后下入高强度套管，并用水泥浆完成钻孔一开固井；
优选的，步骤b中，钻场施工于上山巷道内。
优选的，步骤b中，斜孔角度根据钻场与采煤工作面终采线的距离，在可施工的范围内选取，同时斜孔轨迹与采煤工作面导水裂隙带边界的最小垂距为40-50m。
优选的，步骤b中，向采煤工作面开切眼方向继续向前钻进30m距离后停钻，以进行下高强度套管工作。
c.沿注浆充填关键层中面继续向前钻进主孔，钻进轨迹在水平面上的投影与采煤工作面推进方向平行，主孔向下倾斜，当钻至与采煤工作面开切眼间距50m时停钻；
优选的，步骤c中，主孔向下倾斜3－5‰。
d.从主孔的终孔点开始，沿井下定向孔轴线方向，每隔一定距离施工一组斜向下的分支孔，每组分支孔由1排或多排组成，排与排在组内互为备用，分支孔的终孔点位于注浆充填关键层下界面以下，位于采煤工作面导水裂隙带顶界之上；
优选的，步骤d中，每排分支孔由3-5个分支孔组成，并成扇形布置。
优选的，步骤d中，分支孔的终孔点位于注浆充填关键层下界面以下20-50m，位于采煤工作面导水裂隙带顶界之上30－50m。
e.所有分支孔施工完毕后，通过井下定向孔的孔口向主孔及分支孔注入非固结性的高黏度填充物，将所有分支孔与井下定向孔的主孔内部充填满；
优选的，步骤e中，非固结性的高黏度填充物采用明胶、黄泥浆或者聚合物等。
优选的，步骤e中，将所有分支孔与井下定向孔的主孔内部充填满，起到暂时封闭分支孔的作用，但又不会出现凝固令其堵塞，在孔口维持稳定压力。
所述的井下定向孔在采煤工作面开采前施工完毕；井下定向孔可以根据采煤工作面宽度、浆液扩散半径、充填量需求等参数，布置1个或多个。
f.采煤工作面采至第1组第1排分支孔的终孔点时，根据钻孔压力衰减情况，开始通过井下定向孔的孔口向主孔内注入低浓度的矸石浆液，随着采煤工作面采过第1组第1排分支孔，根据钻孔压力变化不断提高浆液浓度与注浆量，从而形成注浆充填层位；
其中，注浆充填系统建设在井下，不占用地面的土地资源；矸石来自井下巷道掘进矸石与选矸，在充填系统内储存缓冲，经破、磨等工艺制成矸石粉，与水混合制成充填用的矸石浆液，或者在破、磨过程中直接与水混合制成矸石浆液。
g.随着采煤工作面不断向前回采，注浆充填层位的裂隙也向前扩散，当采煤工作面接近后续某排分支孔时，注浆充填层位的裂隙将与该排分支孔沟通，形成主孔－分支孔－注浆充填层位的连通通道；
优选的，步骤g中，由于后续分支孔与主孔连接点的注浆压力高于分支孔底部的压力，促使主孔内的矸石浆液向分支孔内流通，将分支孔内的充填物挤压注浆充填层位的裂隙内，使该分支孔成为注浆充填通道，从而开始该分支孔的注浆充填。
h.随着采煤工作面不断向前回采，通过主孔持续地向注浆充填关键层下方的裂隙实施注浆，由于压力作用，向下挤压下部垮落与裂隙带岩体，向上支撑注浆充填关键层，从而增大裂隙开度；使注浆量大幅提升，井下矸石得到处理，注浆充填关键层得到有效支撑，覆岩及地表变形有效得到控制，直至完成采煤工作面回采。
有益效果：1、本发明通过在井下建立注浆充填系统，在覆岩关键层内施工定向钻孔，把矿井产生出的煤矸石在井下直接制成充填浆液后充填到覆岩采动裂隙内，能够将井下产生的矸石直接进行无害处理，实现矸石不升井，降低了提升费用，避免了现有技术中矸石在地面先堆放后充填时存在的占地、污染等问题；同时也解决了地面钻孔选址难的问题。
2、本发明所采用的井下定向孔，其主孔在注浆充填关键层内部，由于所选的关键层厚度大，将处于整体下沉，使定向孔经历的变形小，不易出现破坏；现有技术中的地面钻孔方法，需要穿过不同高度的岩层，各层下沉差异大，导致钻孔经受变形大，易出现破坏，本发明很好地克服了这一不足；
3、本发明的主孔与分支孔方法，多数情况只需一个主孔即可，分支孔的工程量很小，总工程量相对较小；而地面直孔方法则随着工作面推进长度的变化，钻孔数目增加，在埋深较大的工作面时，钻孔总工程量过大，本发明很好地克服这一不足；本发明的分支孔方法，因工程量小可以在一个充填区域内布置多个，起到加大注浆量、互为备用、提高安全系数的作用，地面孔则受限于工程量与成本，不能过多施工；
4、本发明的分支孔内填充物方法，既能在裂隙沟通分支孔前避免分支孔的堵塞，又能在裂隙沟通分支孔后实施注浆充填，克服了传统施工技术易造成分支孔塌孔、被浆液堵塞的问题。
附图说明
图1是本发明的采煤工作面与井下定向孔布置平面图；
图2是本发明的采煤工作面与井下定向孔布置走向剖面图；
图3是本发明的采煤工作面与井下定向孔布置倾向剖面图；
图4是本发明的某几个分支孔注浆充填时注浆充填层位裂隙发育与分支孔充填图；
图中：1－采煤工作面；2－注浆充填关键层；3－采煤工作面终采线；4－巷道；5－井下定向孔；6－钻孔一开；7－采煤工作面开切眼；8－采煤工作面导水裂隙带；9－采煤工作面推进方向；10－分支孔；11－第1组第1排分支孔；12－主孔；13－注浆充填层位。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法，包括如下步骤：
a.根据采煤工作面1的开采参数、地质信息，判别出覆岩中的关键层，根据地表沉陷控制与矸石充填处理量的需求，选择其中一层厚度较大的关键层，作为注浆充填关键层2，注浆充填关键层2的下界面即为选定的注浆充填层位；
b.从采煤工作面终采线3外侧的巷道4中(如上山巷道等)，选择一个位置作为钻场，从该钻场中向注浆充填关键层2方向施工一个井下定向孔5，井下定向孔5的钻孔一开6为斜孔，方向为采煤工作面开切眼7的方向，斜孔角度根据钻场与采煤工作面终采线3的距离，在可施工的范围内选取，同时要求斜孔轨迹与采煤工作面导水裂隙带8边界的最小垂距为40-50m，井下定向孔5进入注浆充填关键层2后，沿该关键层中面向采煤工作面开切眼6方向继续向前钻进，钻进方向与采煤工作面推进方向9平行，继续钻进30m后停钻，下入高强度套管，并用水泥浆完成钻孔一开6固井；
c.完成钻孔一开6固井后，沿注浆充填关键层2中面继续向前钻进主孔12，钻进轨迹在水平面上的投影与采煤工作面推进方向9平行，主孔12向下倾斜3－5‰，当钻至与采煤工作面开切眼7间距50m时停钻；
d.从主孔12的终孔点开始，沿井下定向孔5轴线方向，每隔一定距离施工一组斜向下的分支孔10，每组分支孔10由1排或多排组成，每排由3-5个分支孔组成，成扇形布置，排与排在组内互为备用，分支孔10的终孔点位于注浆充填关键层2下界面以下20-50m，位于采煤工作面导水裂隙带8顶界之上30－50m；
e.所有分支孔10施工完毕后，通过井下定向孔5的孔口向主孔12及分支孔10注入非固结性的高黏度填充物(如明胶、黄浆泥、聚合物等)，将所有分支孔10与井下定向孔5的主孔12内部充填满，起到暂时封闭分支孔10的作用，但又不会出现凝固令其堵塞，在孔口维持稳定压力；
所述的井下定向孔5在采煤工作面1开采前施工完毕；井下定向孔5可以根据采煤工作面1宽度、浆液扩散半径、充填量需求等参数，布置1个或多个；
f.采煤工作面1开始回采后，采至第1组第1排分支孔11的终孔点时，根据钻孔压力衰减情况，开始通过井下定向孔5的孔口向主孔12内注入低浓度的矸石浆液，随着采煤工作面1采过第1组第1排分支孔11，根据钻孔压力变化不断提高浆液浓度与注浆量，从而形成注浆充填层位13，在第1组第1排分支孔11注浆充填过程中，由于注浆充填层位13的裂隙未发育至后续分支孔处，后续分支孔内的充填物仍不漏失，从而阻隔了矸石浆液向其内流动，避免了矸石颗粒沉淀将后续分支孔堵塞；
其中，注浆充填系统建设在井下，不占用地面的土地资源；矸石来自井下巷道掘进矸石与选矸，在充填系统内储存缓冲，经破、磨等工艺制成矸石粉，与水混合制成充填浆液用的矸石浆液，或者在破、磨过程中直接与水混合制成矸石浆液；
g.随着采煤工作面1不断向前回采，注浆充填层位13的裂隙也向前扩散，当采煤工作面1接近后续某排分支孔时，注浆充填层位13的裂隙将与该排分支孔沟通，从而形成主孔12－分支孔10－注浆充填层位13的连通通道，此时，由于后续分支孔与主孔12连接点的注浆压力高于分支孔10底部的压力，促使主孔12内的矸石浆液向分支孔10内流通，将分支孔10内的充填物挤压注浆充填层位13的裂隙内，使该分支孔成为注浆充填通道，从而开始该分支孔的注浆充填；
h.随着采煤工作面1不断向前回采，通过主孔12持续地向注浆充填关键层2下方的裂隙实施注浆，由于压力作用，向下挤压下部垮落与裂隙带岩体，向上支撑注浆充填关键层2，从而增大裂隙开度，使注浆量大幅提升，井下矸石得到处理，注浆充填关键层2得到有效支撑，覆岩及地表变形有效得到控制，直至完成采煤工作面1回采。
Claims (9)
1.煤矸石井下减排的覆岩隔离注浆充填方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.根据采煤工作面的开采参数、地质信息，判别出覆岩中的关键层，根据地表沉陷控制与矸石充填处理量的需求，选择其中一层厚度较大的关键层，作为注浆充填关键层，注浆充填关键层的下界面即为选定的注浆充填层位；
b.从采煤工作面终采线外侧的巷道中，选择一个位置作为钻场，从该钻场中向注浆充填关键层方向施工井下定向孔，井下定向孔的钻孔一开为斜孔，方向为采煤工作面开切眼的方向，斜孔轨迹与采煤工作面导水裂隙带边界间隔一定距离，井下定向孔进入注浆充填关键层后，沿该关键层中面向采煤工作面开切眼方向继续向前钻进一段距离后停钻，钻进方向与采煤工作面推进方向平行，之后下入高强度套管，并用水泥浆完成钻孔一开固井；
c.沿注浆充填关键层中面继续向前钻进主孔，钻进轨迹在水平面上的投影与采煤工作面推进方向平行，主孔向下倾斜，当钻至与采煤工作面开切眼间距50m时停钻；
d.从主孔的终孔点开始，沿井下定向孔轴线方向，每隔一定距离施工一组斜向下的分支孔，每组分支孔由1排或多排分支孔组成，排与排在组内互为备用，分支孔的终孔点位于注浆充填关键层下界面以下，位于采煤工作面导水裂隙带顶界之上；
e.所有分支孔施工完毕后，通过井下定向孔的孔口向主孔及分支孔注入非固结性的高黏度填充物，将所有分支孔与井下定向孔的主孔内部充填满；
f.采煤工作面采至第1组第1排分支孔的终孔点时，根据钻孔压力衰减情况，开始通过井下定向孔的孔口向主孔内注入低浓度的矸石浆液，随着采煤工作面采过第1组第1排分支孔，根据钻孔压力变化不断提高浆液浓度与注浆量，从而形成注浆充填层位；
g.随着采煤工作面不断向前回采，注浆充填层位的裂隙也向前扩散，当采煤工作面接近后续某排分支孔时，注浆充填层位的裂隙将与该排分支孔沟通，形成主孔－分支孔－注浆充填层位的连通通道；
h.随着采煤工作面不断向前回采，通过主孔持续地向注浆充填关键层下方的裂隙实施注浆，由于压力作用，向下挤压下部垮落与裂隙带岩体，向上支撑注浆充填关键层，从而增大裂隙开度；使注浆量大幅提升，井下矸石得到处理，注浆充填关键层得到有效支撑，覆岩及地表变形有效得到控制，直至完成采煤工作面回采。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，钻场施工于上山巷道内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b中，斜孔角度根据钻场与采煤工作面终采线的距离，在可施工的范围内选取，同时斜孔轨迹与采煤工作面导水裂隙带边界的最小垂距为40-50m。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b中，向采煤工作面开切眼方向继续向前钻进30m距离后停钻，以进行下高强度套管工作。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d中，每排分支孔由3-5个分支孔组成，并成扇形布置；和/或分支孔的终孔点位于注浆充填关键层下界面以下20-50m，位于采煤工作面导水裂隙带顶界之上30－50m。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e中，非固结性的高黏度填充物采用明胶或者黄泥浆，和/或将所有分支孔与井下定向孔的主孔内部充填满，起到暂时封闭分支孔的作用，但又不会出现凝固令其堵塞，在孔口维持稳定压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤g中，由于后续分支孔与主孔连接点的注浆压力高于分支孔底部的压力，促使主孔内的矸石浆液向分支孔内流通，将分支孔内的充填物挤压注浆充填层位的裂隙内，使该分支孔成为注浆充填通道，从而开始该分支孔的注浆充填。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，井下定向孔在采煤工作面开采前施工完毕，根据采煤工作面宽度、浆液扩散半径、充填量需求，布置1个或多个。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注浆充填系统建设在井下，不占用地面的土地资源；矸石来自井下巷道掘进矸石与选矸，在充填系统内储存缓冲，经破、磨工艺制成矸石粉，与水混合制成充填用的矸石浆液，或者在破、磨过程中直接与水混合制成矸石浆液。
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