CN113833467A - 一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冲击地压领域，具体的是一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，包括以下步骤：一、离层注浆控制上覆岩层运动：灰体充填支撑、浆体充填、软岩膨胀；二、离层注浆减沉解决冲击地压：覆岩的注水软化作用、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用、条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应力场的降压作用、注浆液的支撑作用。本发明公开的治理方法改变了冲击地压只能在井下治理的思路，利用地面注浆不会影响工作面正常开采，解决了冲击地压的同时可控制地面沉降，减少工作面开采对地面构筑物的破坏，无需搬迁和地表复垦，保护生态环境，注浆材料可以使用固体废物，减少固废对环境的污染。

Description

一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法

技术领域

本发明涉及冲击地压领域，具体的是一种注浆充填解决煤田采动区冲击地 压的方法。

背景技术

冲击地压长期以来一直是威胁我国矿山安全高效生产的重大灾害之一，指 地下开采的深部或构造应力很高的区域，在临空岩体中发生突发式破坏的现象， 这种现象也称为岩爆。发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部 释放，致使岩体发生像爆炸一样的脆性断裂。冲击地压造成大量岩石崩落，并 产生巨大声响和气浪冲击，不但可将矿井破坏，而且震动波可危及地面建筑物。 冲击地压按其主控因素可分为顶板破断型、煤柱破坏型、断层滑移型。

存在冲击地压的煤矿煤层构造方面常具有两个特点：煤层上方常存在巨厚 的、岩性好的覆岩(如巨厚岩浆岩、砂砾岩)和煤层埋藏深度大，老采空区面 积大。发生的原因是临空岩体积聚的应变能突然而猛烈地全部释放，致使岩体 发生像爆炸一样的脆性断裂。冲击地压造成大量岩石崩落，并产生巨大声响和 气浪冲击，不但可将矿井破坏，而且震动波可危及地面建筑物。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种注浆充填 解决煤田采动区冲击地压的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，包括以下步骤：

一、离层注浆控制上覆岩层运动

1)、灰体充填支撑；

2)、浆体充填；

3)、软岩膨胀；

二、离层注浆减沉解决冲击地压

1)、覆岩的注水软化作用；

2)、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用；

3)、条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应 力场的降压作用；

4)、注浆液的支撑作用。

进一步地，所述灰体充填支撑的工作机理为粉煤灰浆液在沉淀压实后形成 的灰体起到支撑覆岩的目的。

进一步地，所述浆体充填的工作机理为浆液在封闭的空间里是不可压缩的， 能起到支撑覆岩的作用，保证覆岩长期稳定的作用。

进一步地，所述软岩膨胀的工作机理为利用较软岩层中的黏土质成分遇水 崩解膨胀的特性，对岩层压裂充水后崩解，体积增加，充填离层空隙，从而起 到支撑覆岩的作用。

进一步地，所述覆岩的注水软化作用的工作机理为覆岩离层注浆使导水裂 隙带之上岩层处于饱和水状态，岩层饱和水后，其强度与刚性会显著减低。

进一步地，所述注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用的工作机理为覆岩 离层中注浆压力，不仅支托了离层的上位岩层，同时也挤压了离层的下位岩层， 从而促使下位岩层更快的弯曲下沉。

进一步地，所述条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱” 降低煤体应力场的降压作用的工作机理为整个采区每个工作面实施覆岩离层注 浆，在孤岛面开采之前，由于相邻的上下两个面都已注浆，离层内的粉煤灰充 填体，将其上覆岩层的重力荷载有效地传递到采空区底板上，从而避免了孤岛 面两侧在上覆岩层中形成“压力拱”。

进一步地，所述注浆液的支撑作用的工作机理为离层注浆技术就是通过地 面钻孔，用高压注浆泵，向离层空隙带内连续不断地注入水、粉煤灰等材料混 合配成的浆液，使之充填离层空隙带，以支撑离层带上部较坚硬、刚度较大的 岩层。

本发明的有益效果：

本发明公开的治理方法改变了冲击地压只能在井下治理的思路，利用地面 注浆不会影响工作面正常开采，解决了冲击地压的同时可控制地面沉降，减少 工作面开采对地面构筑物的破坏，无需搬迁和地表复垦，保护生态环境，注浆 材料可以使用固体废物，减少固废对环境的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图；

图1是上覆岩层运动分区示意图；

图2是本发明注浆充填解决冲击地压原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

随着工作面的推进，采动岩体裂隙自下而上逐步发展，对应于不同的工作 面推进距离，形成不同的裂隙网络分布。当工作面推进一定距离时，在采动应 力作用下首先在强度较低的层面开裂，左、右两侧的裂隙以层间开裂为中段， 分别向采空区内侧和外侧扩展，随着工作面的进一步推进，原有的采动岩体裂 隙网络发生了变化，即扩展、闭合和张开，又叠加新的采动裂隙，从而使采动 煤岩体裂隙分布更加复杂，当采掘工作结束且岩移基本稳定后，采空区中部离 层基本闭合。在这个过程中不仅产生顺层理面的离层裂隙，而且还由于拉应力 的作用，产生大量的垂直或斜交于层理面的裂缝或断裂，裂隙富集区主要集中在前后煤壁。

当采动引起的移动与变形稳沉后，岩体内大致分为“三带”：即垮落带、 裂隙带和弯曲下沉带。地表移动盆地内移动和变形的指标有下沉、倾斜、曲率、 水平移动和水平拉伸、压缩变形等，如图1所示，Ⅰ垮落带；Ⅱ-裂隙带带；Ⅲ- 弯曲下沉带。

煤层上覆岩层存在分层(一般为砂泥岩互层)，各分层的厚度、岩性等差 异造成各分层的刚度不同。由于刚度不同，各分层的下沉速度有所差异。这种 差异，造成覆岩在不断垮落的过程中，在弯曲下层带刚度大的上分层和刚度小 的下分层间产生“离层”。离层的存在时间不尽相同，大部分离层可能短时间 就闭合，上下分层刚度差异大的离层可能存续时间较长，差异特别大的可能长 时间存在。

由于采空区面积的不断扩大，采空区上方的巨厚悬空岩层负担的自身重量 和其上方的岩层、表土层的重量均会传递到采空区周边的岩层，造成周边岩层 的应力不断积聚，同时采空区上方的巨厚岩层自身的应力(弯曲、剪切)也在 不断增大，逐步接近其承载能力。如果此时能够通过采用在巨厚悬空岩层下注 浆方式形成支撑体，反向支撑巨厚岩体，一方面可以减少巨厚岩层的跨度降低 其内应力，同时也能减少周边岩石的应力负担，当反向支撑力使巨厚岩层和周 边岩体应力减弱至其自身可承载范围内时，即可有效防止冲击地压的发生。

如图2所示，为注浆充填解决冲击地压原理示意图，本发明提供一种注浆 充填解决煤田采动区冲击地压的方法，包括以下步骤：

一、离层注浆控制上覆岩层运动

1)、灰体充填支撑，粉煤灰浆液在沉淀压实后形成的灰体起到支撑覆岩的 作用；

2)、浆体充填，浆液(及其中的水)在封闭的空间里是不可压缩的，能起到 支撑覆岩的作用，保证覆岩长期稳定的作用；

3)、软岩膨胀，利用较软岩层(如泥岩、砂泥岩等)中的黏土质成分遇水崩 解膨胀的特性，对岩层压裂充水后崩解，体积增加，充填离层空隙，从而起到 支撑覆岩的作用。

实际上，离层注浆对上覆岩层的支撑控制作用不是单一机理作用的结果， 而是多种机理共同起作用的结果，起到相辅相成的作用。

二、离层注浆减沉解决冲击地压

1)、覆岩的注水软化作用

覆岩离层注浆使导水裂隙带之上岩层处于饱和水状态，岩层饱和水后，其 强度与刚性会显著减低，从而降低了采场矿压显现强度，降低了发生冲击地压 的危险性，这与煤层及顶板注水软化是同样的机理。

井下煤岩体是经常(甚至是随时)发生不同程度的破坏，但并不发生冲击 地压，只有在煤岩变形处于非稳定状态失稳破坏时才发生冲击地压。因而对煤 层注水就是通过增加煤层含水率或煤层中水的饱和度来改变煤岩物理力学性 质，使煤层的抗压强度降低、弹性模量降低、塑性增加使其不发生失稳破坏， 从而避免冲击地压的发生。

2)、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用

覆岩离层中注浆压力，不仅支托了离层的上位岩层，同时也挤压了离层的 下位岩层，从而促使下位岩层更快的弯曲下沉，这样就减少了采空区上方覆岩 的悬顶面积，从而减轻了采场四周岩支承压力的集中程度，降低了支承压力峰 值大小，也就降低了冲击地压的危险性。这与强制放顶防治冲击地压的机理一 致。

3)、条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应 力场的降压作用；

整个采区每个工作面实施覆岩离层注浆，在孤岛面开采之前，由于相邻的 上下两个面都已注浆，离层内的粉煤灰充填体，将其上覆岩层的重力荷载有效 地传递到采空区底板上，从而避免了孤岛面两侧在上覆岩层中形成“压力拱”， 这样就在一定程度上避免了孤岛面成为上覆岩层载荷的“承载条带”，从而减 少了孤岛面煤柱的垂向支承荷载，即降低了煤体应力场，也就降低了冲击地压 发生的危险性。

4)、注浆液的支撑作用

离层注浆技术就是通过地面钻孔，用高压注浆泵，向离层空隙带内连续不 断地注入水、粉煤灰等材料混合配成的浆液，使之充填离层空隙带，以支撑离 层带上部较坚硬、刚度较大的岩层。通过离层注浆，可以有效地限制或减少上 覆岩层的弯曲破断，抑制了地表的沉陷量、沉陷速度和沉陷范围，同时减轻因 覆岩运动而引发的冲击地压的危险。

如图2所示，解决煤田采动区冲击地压的方法原理示意图，其改变了冲击 地压只能在井下治理的思路，利用地面注浆不会影响工作面正常开采，解决了 冲击地压的同时可控制地面沉降，减少工作面开采对地面构筑物的破坏，无需 搬迁和地表复垦，保护生态环境，注浆材料可以使用固体废物，减少固废对环 境的污染。

具体实施时，在工作面上方每隔100m左右布置一个钻孔，钻孔底部进入关 键离层带，在采动过程中，离层逐渐发育，利用地面钻孔注浆向离层注入高压 浆液方式，浆液充实离层并使离层腔体不断扩大，不仅支托了离层的上位岩层， 同时也挤压了离层的下部岩层，从而促使下部岩层更快的弯曲下沉，这样就减 少了采空区上方覆岩的悬顶面积，从而减轻或消除周围岩支承应力集中，解决 冲击地压造成的危害。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、离层注浆控制上覆岩层运动

1)、灰体充填支撑；

2)、浆体充填；

3)、软岩膨胀；

二、离层注浆减沉解决冲击地压

1)、覆岩的注水软化作用；

2)、注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用；

3)、条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应力场的降压作用；

4)、注浆液的支撑作用。

2.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述灰体充填支撑的工作机理为粉煤灰浆液在沉淀压实后形成的灰体起到支撑覆岩的目的。

3.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述浆体充填的工作机理为浆液在封闭的空间里是不可压缩的，能起到支撑覆岩的作用，保证覆岩长期稳定的作用。

4.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述软岩膨胀的工作机理为利用较软岩层中的黏土质成分遇水崩解膨胀的特性，对岩层压裂充水后崩解，体积增加，充填离层空隙，从而起到支撑覆岩的作用。

5.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述覆岩的注水软化作用的工作机理为覆岩离层注浆使导水裂隙带之上岩层处于饱和水状态，岩层饱和水后，其强度与刚性会显著减低。

6.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述注浆压力减少顶板悬顶载荷的减负作用的工作机理为覆岩离层中注浆压力，不仅支托了离层的上位岩层，同时也挤压了离层的下位岩层，从而促使下位岩层更快的弯曲下沉。

7.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述条带开采时离层内的灰体弱化孤岛面两侧覆岩“压力拱”降低煤体应力场的降压作用的工作机理为整个采区每个工作面实施覆岩离层注浆，在孤岛面开采之前，由于相邻的上下两个面都已注浆，离层内的粉煤灰充填体，将其上覆岩层的重力荷载有效地传递到采空区底板上，从而避免了孤岛面两侧在上覆岩层中形成“压力拱”。

8.根据权利要求1所述的一种注浆充填解决煤田采动区冲击地压的方法，其特征在于，所述注浆液的支撑作用的工作机理为离层注浆技术就是通过地面钻孔，用高压注浆泵，向离层空隙带内连续不断地注入水、粉煤灰等材料混合配成的浆液，使之充填离层空隙带，以支撑离层带上部较坚硬、刚度较大的岩层。

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