CN114233298B - 一种井下过空巷方法、浆料和巷道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种井下过空巷方法、浆料和巷道，涉及采掘领域，以解决过空巷方法严重威胁施工人员安全的技术问题。本发明实施例的井下过空巷方法，当巷道的工作面处在第一工作面目标位置，第一工作面目标位置距空巷具有第一间距，在工作面上靠近顶部位置和底部位置分别设置至少一个第一钻孔，第一钻孔连通空巷和巷道；沿工作面从顶部位置至底部位置设置多组第二钻孔，其中，沿巷道至空巷的方向，至少一组第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组第二钻孔为平行于巷道的底面的钻孔；在第二钻孔中注入浆料至空巷中；当空巷中岩石处在整体胶结状态，将巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，进行巷道支护；重复钻孔和注浆至巷道通过空巷。
Description
技术领域
本公开涉及采掘领域，尤其涉及一种井下过空巷方法、浆料和巷道。
背景技术
在矿井生产过程中，使用巷道进行采掘，有时难以避免巷道通过之前在矿井内形成的废弃空巷。但是在穿越过程中，空巷存在严重的安全隐患，例如会出现冒顶，此外在空巷中还具有瓦斯积聚和水富集，严重影响人员安全和正常生产。
目前，井下过空巷的工艺方法可分为二种：工作面顶板控制、伪斜调整技术。对于工作面顶板控制，施工人员在现场加固时安全隐患较大；而伪斜调整技术，在空巷中的支护无法满足支撑需求，易出现冒顶、压死支架、空巷巷道变形等问题，对工作人员的生命安全有威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井下过空巷方法、浆料和巷道，以解决传统的过空巷方法严重威胁施工人员安全的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种井下过空巷方法，包括钻孔和注浆，所述钻孔和注浆包括：
当巷道的工作面处在第一工作面目标位置，所述第一工作面目标位置距所述空巷为第一间距，在所述工作面上靠近顶部位置和底部位置分别设置至少一个第一钻孔，所述第一钻孔连通所述空巷和所述巷道；
沿所述工作面从顶部位置至底部位置设置多组第二钻孔，其中，沿所述巷道至所述空巷的方向，至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组所述第二钻孔为平行于所述巷道的底面的钻孔；
在所述第二钻孔中注入浆料至所述空巷中；
当所述空巷中岩石处在整体胶结状态，将所述巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，进行巷道支护；
巷道支护完成后，重复所述钻孔和注浆至所述巷道通过所述空巷。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二钻孔距所述工作面为第二间距，所述第二间距与所述第一间距之比为(1.5-2.5):1。
根据本公开的至少一个实施方式，所述当所述空巷中岩石处在整体胶结状态，将所述巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，其中，
所述第二工作面目标位置距所述第一工作面目标位置的间距为第三间距，所述第三间距与所述第一间距之比为(0.5-1.5):1。
根据本公开的至少一个实施方式，每个所述第一钻孔的位置靠近所述巷道的相应侧面。
根据本公开的至少一个实施方式，所述沿所述巷道至所述空巷的方向，至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组所述第二钻孔为平行于所述巷道的底面延伸的钻孔，其中，
所述向上倾斜延伸的钻孔位于所述平行于所述巷道的底面延伸的钻孔之上。
根据本公开的至少一个实施方式，所述至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，其中，
所述向上倾斜延伸的钻孔的倾斜角度为15°～35°。
根据本公开的至少一个实施方式，所述在所述第二钻孔中注入浆料至所述空巷中，
沿所述工作面从底部位置到顶部位置的方向，依次在各组所述第二钻孔中注入浆料。
与现有技术相比，本发明提供的井下过空巷方法，包括钻孔和注浆，所述钻孔和注浆包括：当巷道的工作面处在第一工作面目标位置，所述第一工作面目标位置距所述空巷为第一间距，在所述工作面上靠近顶部位置和底部位置分别设置至少一个第一钻孔，所述第一钻孔连通所述空巷和所述巷道。当巷道的工作面处于空巷前，二者具有第一间距时，即停止掘进，而此时的巷道距离空巷的第一间距保证了巷道的安全性，施工人员可以在巷道内进行施工。而在工作面上开设第一钻孔，示例性地，在靠近底部和顶部的位置分别开设连通空巷的孔。靠近底部的第一钻孔可以将富集于空巷内的水排出，同时与靠近顶部的第一钻孔配合，将新鲜的空气引入到空巷中。而靠近顶部的第二钻孔可以将空巷中的有毒气体排出或通过装置抽出，其与靠近底部的第二钻孔配合，将空巷中的有毒气体，例如瓦斯排出，用新鲜空气替换，保证了作业人员的施工安全。
沿所述工作面从顶部位置至底部位置设置多组第二钻孔，其中，沿所述巷道至所述空巷的方向，至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组所述第二钻孔为平行于所述巷道的底面的钻孔；在所述第二钻孔中注入浆料至所述空巷中。本发明实施例在工作面上，从顶部至底部设置多组第二钻孔，用于将浆料注入到空巷中，通过将注浆用的第二钻孔采用倾斜式和水平式组合，使得浆液扩散得到有效保证，空巷内垮落的岩石和围岩之间的裂隙均得到有效的填充，并最终形成一个统一完整的整体。待空巷中岩石处在整体胶结后，再次掘进至第二工作面目标位置的过程中，可以有效保证人员的安全。
本发明还提供了一种浆料，应用于上述的井下过空巷方法，
所述浆料的组分，以重量百分比计，包括：
20％～30％煤矸石粉末、30％～45％硅酸盐熟料粉、10％～20％碳酸钠，8％～10％水玻璃、2％～5％速凝剂和3％～5％高炉水淬渣。
根据本公开的至少一个实施方式，所述煤矸石粉末的粒度小于或等于1mm，和/或，
所述煤矸石粉末进行600～800℃高温煅烧后保温至少2h；和/或，
所述硅酸盐熟料粉的磷渣掺量至多为20％；和/或，
所述碳酸钠为10mol/L的碳酸钠水溶液，和/或，
所述速凝剂内NaAlO2掺量至多为4％；和/或，
所述高炉水淬渣为碱性矿渣。
相对于现有技术，本发明所述的浆料具有以下优势：
本发明所述的浆料与上述井下过空巷方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明还提供了一种巷道，用于井下采矿，所述巷道采用上述的井下过空巷方法穿过空巷。
相对于现有技术，本发明所述的巷道具有以下优势：
本发明所述的巷道与上述井下过空巷方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开的井下过空巷工艺俯视图示意图。
图2是本公开的井下过空巷工艺侧视图示意图。
图3是本公开的为巷道工作面钻孔分布图示意图。
1-煤体；2-空巷；3-抽放孔；4-第二钻孔；5-工作面；6-排水孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
在煤炭开采过程中，由于过去开采技术落后和开采条件的限制矿区房柱式开采、开采设计变更等在一些矿井内形成废弃的空巷。空巷附近垂直应力、水平应力集中，矿压明显增加导致空巷内围岩变形破坏严重。当矿井生产过程中必需通过空巷时，空巷中的有毒气体、水等危害施工人员安全。
目前，国内尚无成熟的过空巷的系统工艺，现有的过空巷的方法都具有安全隐患，无法保证正常生产和人员的生命安全。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种井下过空巷方法，包括钻孔和注浆，钻孔和注浆包括：当巷道的工作面处在第一工作面目标位置，第一工作面目标位置距所述空巷为第一间距，在工作面上靠近顶部位置和底部位置分别设置至少一个第一钻孔，第一钻孔连通空巷和巷道；沿工作面从顶部位置至底部位置设置多组第二钻孔，其中，沿巷道至空巷的方向，至少一组第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组第二钻孔为平行于巷道的底面的钻孔；在第二钻孔中注入浆料至空巷中；当空巷中岩石处在整体胶结状态，将巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，进行巷道支护；巷道支护完成后，重复钻孔和注浆至巷道通过所述空巷。
请参阅图1-图3所示，本发明实施例井下过空巷方法通过在距离空巷2的第一间距的安全范围内，就停止掘进，在第一工作面目标位置进行施工作业，保证了人员的安全。示例性地，第一间距可以为2.5-3.5米，还可选地为3米。然后在工作面上进行作业，包括钻孔和注浆，其中，在工作面上靠近顶部的位置和底部位置分别开设一个第一钻孔、或者多个第一钻孔，第一钻孔包括位于靠近顶部位置的抽放孔3用于气体的抽放，第一钻孔还包括位于底部位置的排水孔6用于排水，也可与抽放孔3配合，用于引入新鲜的空气驱替空巷2中的有毒气体，抽放孔3也可用于气体的抽放。抽放孔3及排水孔6均可设置为一个或多个，二者的直径可以大于第二钻孔的直径，示例性地为65mm。在第二钻孔开设之前，进行空巷2中有毒气体及水的排出并引入新鲜空气。在接下来的施工过程中，可以保证人员的安全。
沿着工作面从上至下设置有多排第二钻孔4，第二钻孔4用于向空巷2中进行注浆。设置多排第二钻孔4可以有效地将空巷中的碎石和围岩进行整体性的胶结，其中一排或多排第二钻孔4沿巷道至空巷2的方向向上倾斜延伸，一排或多排第二钻孔4平行于巷道的底面，或者处于水平面。通过将第二钻孔4水平与倾斜布置，可以有效保证浆料的扩散至所有想要加固的碎石和围岩的缝隙中，进而形成完整的胶结体。可以理解的是，每排第二钻孔4中也可以有部分水平设置、部分倾斜布置，根据实际需要选择。
在各个第二钻孔4中注入浆料，直到空巷中岩石处在整体胶结状态，为保证注浆材料凝固程度，凝固时间≥24h后巷道继续掘进，将巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，然后进行巷道支护，示例性地，采用普通的锚网索联合支护来支撑巷道。完成巷道和空巷2的加固，然后可重复上述过程，直至巷道安全地穿过空巷2，保证了人员的安全。
在一些实施方式中，第二钻孔4距工作面为第二间距，第二间距与第一间距之比为(1.5-2.5):1。为了有效地将浆料注入到空巷2中实现胶结，应将第二钻孔4的孔底距工作面的第二间距，也即第二钻孔4的深度至少为第一间距的1.5倍，对于倾斜的第二钻孔4的孔底至工作面的直线距离也应满足至少为第一间距的1.5倍。示例性地，第二间距与第一间距之比为2:1，当然根据实际情况，第二钻孔4的深度也可以适当延长至第一间距的2.5倍。例如，当第一间距为3米时，第二间距可以为6米。
在一些实施方式中，每个第一钻孔的位置靠近巷道的相应侧面，也就是巷道的左帮和右帮，示例性地，每个第一钻孔包括抽放孔3和排水孔6均设置在工作面的角部位置，相对于设置在工作面中间位置，设置在角部位置可以减小对巷道顶板支撑的破坏，比较安全。
在一些实施例中，当空巷2中岩石处在整体胶结状态，将巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，其中，第二工作面目标位置距第一工作面目标位置的间距为第三间距，第三间距与第一间距之比为(0.5-1.5):1。为了保证空巷和巷道的安全，将工作面掘进时，掘进的长度不易过长，当掘进过长时，空巷中还未胶结的碎石距离工作面过近，容易冒顶，而当掘进过短时，施工效率会受到影响。示例性地，掘进的长度为第一间距，当第一间距为3m时，掘进的距离也为3m。
为了增强浆料的扩散，并考虑到重力的影响，其中向上倾斜延伸的第二钻孔4位于平行设置的第二钻孔4之上，例如位于靠近顶部的一排第二钻孔4向上倾斜延伸，而其他位于中部或底部的各排第二钻孔4则沿水平面或平行于所述巷道的底面。可以理解的是，位于靠近顶部的二排甚至三排第二钻孔4也可以向上倾斜延伸，这是因为重力作用，浆料扩散到空巷2位于巷道顶部之上的部分比较困难，在靠近顶部的第二钻孔4向上倾斜可以有效保证空巷2位于巷道顶部之上的部分中的碎石和围岩可以胶结。第二钻孔4向上倾斜延伸的倾斜角度为15°～35°，示例性地为17°、19°、21°、23°、27°、29°、31°、33°等。
在一些实施例中，沿工作面从底部位置到顶部位置的方向，依次在各组第二钻孔4中注入浆料。第二钻孔4布置完毕后，在孔内安装6m注浆管，考虑重力作用下高位孔注浆对低位孔的影响，注浆泵由位于低位第二钻孔4到位于高位第二钻孔4进行注浆，注浆深度为注浆管长度。第二钻孔4的直径可以为38mm。
实际应用时，在工作面布置三排第二钻孔4，其中每排布置四个，共布置十二个。其中位于靠近顶部的一排第二钻孔4斜向上约25°布置，第二排和第三排第二钻孔4水平布置。
具体的注浆过程包括：
步骤S1：标记钻孔位置，孔位置误差不超过50mm，架设钻机，调整角度采用不同直径的钻头进行钻孔，钻孔完毕后退出钻杆、钻头；
步骤S2：对注浆孔残渣进行清理，压入注浆管，使用矿用封孔器进行封孔，安装孔口截止阀；
步骤S3：连接注浆系统，按所调比例进行制浆，开泵注浆至终压稳定，停泵，关闭孔口阀，拆除注浆系统，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束；
步骤S4：由下至上分别进行注浆，在注浆过程中，注意观察泵及巷道四周状况，保证泵及注浆管内的浆液不失去流动性。
本发明实施例还提供了一种浆料，用于上述的多孔镍钛合金的制备，井下过空巷方法，浆料的组分，以重量百分比计，包括：20％～30％煤矸石粉末、30％～45％硅酸盐熟料粉、10％～20％碳酸钠，8％～10％水玻璃、2％～5％速凝剂和3％～5％高炉水淬渣。
其中在应用时，水灰比为(0.35-0.75)：1，可选地为0.55：1。
煤矸石粉末的粒度小于或等于1mm，煤矸石粉末进行600～800℃高温煅烧后保温至少2h；硅酸盐熟料粉的磷渣掺量至多为20％；碳酸钠为10mol/L的碳酸钠水溶液，速凝剂内NaAlO2掺量至多为4％，高炉水淬渣为碱性矿渣。
其中煤矸石颗粒为井下矸石经高度粉碎后的粒度≤1mm的细岩颗粒，保证材料的抗压强度，所述煤矸石细岩颗粒进行600～800℃高温煅烧后保温2h，使其具有一定的抗压和抗剪强度。硅酸盐熟料粉为磷渣掺量在20％以下的硅酸盐水泥，确保降低基本凝结时间，发生充填反应提高水泥致密性，提高抗压和抗拉强度。速凝剂内NaAlO2掺量为4％，降低浆料的可塑性，增加早期的固相比例，加快材料凝结的时间。高炉水淬渣为近于中性的碱性矿渣，其质量系数低，与水玻璃混合后能够增强材料的整体活性。注浆材料的抗压强度随时间的变化能够大大增强。
与现有技术相比，本发明实施例提供的浆料的具有以下优势：
通过将煤矸石颗粒粉碎细化保证了材料的抗压强度，并且为了增强其抗压和抗剪强度，将煤矸石颗粒进行600～800℃高温煅烧后保温至少2h。本发明实施例提供的浆料，由于硅酸盐水泥的磷渣掺量控制在20％以下，可以保证凝结时间较短，且能发生充填反应提高材料致密性，提高抗压和抗拉强度，而采用高炉水淬渣为近于中性的碱性矿渣，不仅质量系数低，而且与水玻璃混合后能够增强材料的整体活性，使得浆料的抗压强度随时间的变化增强。本发明实施例提供的浆料不仅初凝时间和终凝时间与现有技术的浆料相比均缩短，而抗压强度均有效提升。本发明实施例的浆料通过使用煤矸石和高炉水淬渣等废弃物，对废弃物的再次利用符合矿山绿色环保的理念。相对于现有技术中采用高水材料对空巷进行注浆充填时，高水材料的胶结时间长，不能够有效地充填空巷中的裂隙，且高水材料属于化学品，大量使用会对地下水系造成污染和破坏。本发明实施例的浆料不仅加固效果强，而且绿色环保。
本发明还提供了一种巷道，用于井下采矿，所述巷道采用上述的井下过空巷方法穿过空巷。
相对于现有技术，本发明所述的巷道具有以下优势：
本发明所述的巷道与上述井下过空巷方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
下面给出几种浆料的示例，并对实施例得到的材料根据GB/T17671-1999进行抗压强度测试，根据GB/T1346-2011进行初凝和终凝时间测试。
实施例1
23％煤矸石细岩颗粒，45％硅酸盐熟料粉(磷渣掺量20％)，16％碳酸钠水溶液，10％水玻璃，3％的速凝剂，3％的高炉水淬渣，所得到抗压强度为17.1Mpa，初凝时间为254min，终凝时间为328min。
实施例2
26％煤矸石细岩颗粒，43％硅酸盐熟料粉(磷渣掺量19％)，16％碳酸钠水溶液，9％水玻璃，3％的速凝剂，3％的高炉水淬渣，所得到抗压强度为16.1Mpa，初凝时间为263min，终凝时间为333min。
实施例3
30％煤矸石细岩颗粒，30％硅酸盐熟料粉(磷渣掺量20％)，20％碳酸钠水溶液，10％水玻璃，5％的速凝剂，5％的高炉水淬渣，所得到抗压强度为16.3Mpa，初凝时间为252min，终凝时间为330min。
实施例4
20％煤矸石细岩颗粒，41％硅酸盐熟料粉(磷渣掺量20％)，20％碳酸钠水溶液，10％水玻璃，5％的速凝剂，4％的高炉水淬渣，所得到抗压强度为15.9Mpa，初凝时间为232min，终凝时间为315min。
实施例5
28％煤矸石细岩颗粒，40％硅酸盐熟料粉(磷渣掺量21％)，15％碳酸钠水溶液，10％水玻璃，2％的速凝剂，5％的高炉水淬渣，所得到抗压强度为15.3Mpa，初凝时间为270min，终凝时间为340min。
当硅酸盐熟料粉的磷渣掺量超过20％，如实施例5所示，其胶凝时间均较其他未超过20％的较长。实施例1至实施例4所示，除了胶凝时间较短外，其抗压强度也相比与现有技术有明显的提升，且所用材料环保安全。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
Claims (7)
1.一种井下过空巷方法，其特征在于，包括钻孔和注浆，所述钻孔和注浆包括：
当巷道的工作面处在第一工作面目标位置，所述第一工作面目标位置距所述空巷具有第一间距，在所述工作面上靠近顶部位置和底部位置分别设置至少一个第一钻孔，所述第一钻孔连通所述空巷和所述巷道；
沿所述工作面从顶部位置至底部位置设置多组第二钻孔，其中，沿所述巷道至所述空巷的方向，至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组所述第二钻孔为平行于所述巷道的底面的钻孔；
所述向上倾斜延伸的钻孔的倾斜角度为17°～33°；
在所述第二钻孔中注入浆料至所述空巷中；
当所述空巷中岩石处在整体胶结状态，将所述巷道的工作面掘进至第二工作面目标位置，进行巷道支护；
巷道支护完成后，重复所述钻孔和注浆至所述巷道通过所述空巷；所述第二钻孔的孔底距所述工作面为第二间距，所述第二间距与所述第一间距之比为(1.5-2.5):1；
所述第二工作面目标位置距所述第一工作面目标位置的间距为第三间距，所述第三间距与所述第一间距之比为(0.5-1.5):1。
2.根据权利要求1所述的井下过空巷方法，其特征在于，每个所述第一钻孔的位置靠近所述巷道的相应侧面。
3.根据权利要求1所述的井下过空巷方法，其特征在于，所述沿所述巷道至所述空巷的方向，至少一组所述第二钻孔为向上倾斜延伸的钻孔，以及至少一组所述第二钻孔为平行于所述巷道的底面延伸的钻孔，其中，
所述向上倾斜延伸的钻孔位于所述平行于所述巷道的底面延伸的钻孔之上。
4.根据权利要求1所述的井下过空巷方法，其特征在于，所述在所述第二钻孔中注入浆料至所述空巷中，
沿所述工作面从底部位置到顶部位置的方向，依次在各组所述第二钻孔中注入浆料。
5.一种浆料，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的井下过空巷方法，
所述浆料的组分，以重量百分比计，包括：
20％～30％煤矸石粉末、30％～45％硅酸盐熟料粉、10％～20％碳酸钠，8％～10％水玻璃、2％～5％速凝剂和3％～5％高炉水淬渣；
所述硅酸盐熟料粉的磷渣掺量至多为20％；
所述高炉水淬渣为碱性矿渣。
6.根据权利要求5所述的浆料，其特征在于，所述煤矸石粉末的粒度小于或等于1mm，和/或，
所述煤矸石粉末进行600～800℃高温煅烧后保温至少2h；和/或，
所述碳酸钠为10mol/L的碳酸钠水溶液，和/或，
所述速凝剂内NaAlO2掺量至多为4％。
7.一种巷道，其特征在于，用于井下采矿，所述巷道采用权利要求1-4任一项所述的井下过空巷方法穿过空巷。
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