CN114370300A - 一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法，首先进行补充勘探以确定各地层的物理力学性质与厚度，各煤矿层区段煤柱处基本顶位置和垮落带岩层原始厚度、采空区上部基本顶位置以及各煤矿层的采高和埋深；然后基于补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，计算基本顶理论下沉值，基于两者比值创造性的提出了采空区稳定区的概念及其范围确定方法，并基于条带开采理论，进一步提出了采空区稳定区临界宽度w3的概念及其确定方法，据此确定了注浆充填治理范围，采空区无需全区域处理，仅部分进行注浆处理。最后给出了多层采空区综合处理的钻孔布置方案，可以大大减小钻孔施工量、注浆充填量，节约成本与时间。

Description

一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法
技术领域
本发明涉及地质勘探与采空区灾害治理领域，具体为一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法。
背景技术
煤矿井采空区是常见的矿井灾害，采用自地面施工的注浆钻孔向采空区内灌注充填性浆体是采空区灾害最常见的治理方式，但是现有技术中未见有对多层采空区处理的情况，且即使是单层采空区处理，注浆钻孔也常常基于固定的间距布置于整个采空区，未考虑采空区内垮落岩石的状态，导致注浆钻孔施工量大，整个灾害处理的工程量大、效率低、费用高；可以预见的是，这种情况在面临多层采空区时问题会更加严重。此外，煤矿层开采过程中产生的煤矸石、火电厂燃煤发电产生的粉煤灰的堆积物会对地下水造成污染，扬尘会对空气造成污染，对这两种固体废弃物的处理也势在必行。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法，用于多层采空区的综合处理，包括如下步骤：
S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；
位于区段煤柱上的补充勘探钻孔采用全取芯钻进工艺，终孔穿过最下部区段煤柱一定深度，基于取芯结果确定各地层的物理力学性质与厚度、各煤矿层区段煤柱处基本顶位置和垮落带岩层原始厚度，以及各煤矿层的采高h和埋深H；
位于原回采工作面上方的补充勘探钻孔采用常规方式钻进至最下部煤矿层的垮落带，根据钻进特征确定各煤矿层垮落带位置以及垮落带上部基本顶位置(标高/埋深)；
优选的，步骤S1中确定各地层物理力学性质包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；将取芯岩块做成标准试样，进行物理力学参数测试。
优选的，位于原回采工作面上方的补充勘探钻孔，在各煤矿层的导水裂隙带至基本顶段采用取芯钻进工艺，通过匹配区段煤柱上方的补充勘探钻孔的取芯结果确定各煤矿层垮落带位置以及垮落带上部基本顶位置。
S2，基于威尔逊煤柱屈服区宽度公式x0＝0.00492hH计算各煤矿层的区段煤柱的屈服区宽度，然后确定各煤矿层的区段煤柱的弹性区宽度w1＝wm-2x0，wm为区段煤柱的宽度；
S3，基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的各煤矿层基本顶的位置，拟合出各煤矿层单独开采时沿采空区倾向的该单独开采的煤矿层的基本顶位置曲线；各煤矿层单独开采时区段煤柱和原回采工作面上部的基本顶标高分别为H1、△H2，令C1＝H1-△H2即可得各煤矿层单独开采时原回采工作面上部的基本顶实际下沉值；
优选的，各煤矿层全部开采后，各煤矿层区段煤柱和原回采工作面上部的基本顶标高分别为H1、H2，区段煤柱上部的基本顶标高近似作为基本顶的原始标高，近似认为其与各煤矿层单独开采时基本顶标高相同，同为H1；而上部煤矿层在单独开采时的基本顶标高应当是各煤矿层全部开采时其基本顶实际标高与与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值之和，即△H2＝H2+与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值。
S4，确定各煤矿层单独开采时(仅开采某一煤矿层时)的基本顶的理论下沉值C2；
可以通过物理模拟、数值模拟或者理论计算确定，作为优选的，本发明提出一种具有创造性的确定方法，具体的：对于各煤矿层，将Salamon垮落带破碎岩体受力与变形关系公式转化为变形与受力关系公式
Figure BDA0003465714050000021
其中
Figure BDA0003465714050000022
Figure BDA0003465714050000023
据此确定垮落带破碎岩体上位基本顶的理论下沉值C2＝εHk，为简化计算此处由垮落带垂直方向中心处的应变ε与垮落带高度Hk的乘积近似求得；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，埋深越大所受应力越大，根据上覆地层的各层厚度与密度确定，密度与厚度可根据步骤S2中补充勘探钻孔的取芯情况确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，可近似取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度，可由垮落带岩层原始厚度与垮落带破碎岩体初始碎胀系数之积确定。
S5，比较C1与C2，若C1≥90％·C2，则认为此处采空区垮落带破碎岩体已经相对稳定，定义采空区内这样的区域为采空区稳定区，宽度为w2；
S6，对于各煤矿层，计算出区段煤柱弹性区宽度w1与采空区稳定区宽度w2之和w，若w不小于60％的原回采工作面宽度wc和区段煤柱宽度wm之和，即w≥60％·(wc+wm)，则该煤矿层对应的采空区稳定无需注浆充填，否则需要注浆充填；
对需要注浆充填的各煤矿层，按照w＝60％·(wc+wm)的要求以及步骤S2计算出的区段煤柱弹性区宽度w1确定采空区稳定区所需宽度w3，w3＝w-w1，则注浆充填治理范围为原回采工作面倾向中部w2宽度范围至w3宽度范围之间的采空区区域；
S7，对需要注浆充填的各煤矿层，自上而下依次注浆充填治理采空区灾害，在原回采工作面倾向中部w3宽度范围边界施工帷幕孔，在注浆充填治理范围内部施工注浆孔，帷幕孔和注浆孔终孔皆施工至对应煤矿层的垮落带；
S8，对需要注浆充填的各煤矿层，首先将粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥，加入水中制备成浆体，通过帷幕孔注入采空区；然后将粉煤灰加入水中制备成浆体，通过注浆孔注入采空区。
优选的，基于注浆材料确定帷幕孔的浆液扩散半径R1和注浆孔的浆液扩散半径R2，且R1＜R2；假设需要注浆充填的煤矿层采空区共有M层，确定最大的w3对应的煤矿层采空区，并在原回采工作面中部w3宽度范围边界施工第一排帷幕孔，若有N层煤矿层采空区的w3与该最大的w3的差值小于R1，则该N层煤矿层采空区共用第一排帷幕孔；对于剩余M-N-1层煤矿层采空区按照上述方式确定第二排帷幕孔，以此类推；除第一排帷幕孔外，其余排帷幕孔在其穿过某煤矿层采空区的注浆充填治理范围时还做注浆孔用；在最内侧的w2与最内侧排的帷幕孔之间根据注浆孔的浆液扩散半径R2确定注浆孔的布置方案。
进一步的，所述帷幕孔和注浆孔在穿越无需注浆充填的煤矿层采空区时或者注浆孔在不穿过某需要注浆充填煤矿层采空区的注浆充填治理范围时采用套管将钻孔腔体与该无需注浆充填的采空区区域隔离。
有益效果：本发明涉及一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法，首先进行补充勘探以确定各地层的物理力学性质与厚度，各煤矿层区段煤柱处基本顶位置和垮落带岩层原始厚度、采空区上部基本顶位置以及各煤矿层的采高和埋深；然后基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的基本顶位置，拟合出沿倾向的基本顶实际下沉值，然后采用Salamon变化模型计算基本顶理论下沉值，基于两者比值创造性的提出了采空区稳定区的概念及其范围确定方法，并基于条带开采理论，进一步提出了采空区稳定区临界宽度w3的概念及其确定方法，据此确定了注浆充填治理范围，采空区无需全区域处理，仅部分进行注浆处理。最后给出了多层采空区综合处理的钻孔布置方案，该方案可以大大减小钻孔施工量、注浆充填量，节约成本与时间；而采用粉煤灰和将煤矸石粉碎成的煤矸石粉作为注浆材料可以消耗固体废弃物。
附图说明
图1是本发明补充探测线布置示意图。
图2是本发明煤层探测及采空区处理的剖面示意图(上下垮落带导通情况)；最左侧工作面仅示意出部分补充探测钻孔，其余工作面仅示意出帷幕孔和注浆孔。
图中：采空区1、原回采工作面2、区段煤柱3、补充勘探线4、补充勘探钻孔5、垮落带6、帷幕孔7、注浆孔8、采空区稳定区9、采空区非稳区10。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
如图1-2所示，一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法，用于多层采空区的综合处理，尤其是多层采空区的区段煤柱中心位置对应且原回采工作面中心位置对应(对应于同一竖直剖面)，包括如下步骤：
S1，沿采空区1倾向(原回采工作面2宽度方向)布置1条补充勘探线4，补充勘探线4上间隔施工有补充勘探钻孔5；
位于区段煤柱3上的补充勘探钻孔5，采用全取芯钻进工艺，终孔穿过最下部区段煤柱一定深度，基于取芯结果确定各地层的物理力学性质与厚度、各煤矿层区段煤柱3处基本顶位置(标高/埋深)和垮落带岩层原始厚度，以及各煤矿层的采高h和埋深H；
位于原回采工作面2上方的补充勘探钻孔5，采用常规方式钻进至最下部煤矿层的垮落带，根据钻进特征(钻进阻力大小、卡钻抱钻情况、冲洗液漏失情况等)确定各煤矿层垮落带6位置以及垮落带6上部基本顶位置(标高/埋深)；
优选的，位于原回采工作面2上方的补充勘探钻孔5，在各煤矿层的导水裂隙带至基本顶段采用取芯钻进工艺，通过匹配区段煤柱3上方的补充勘探钻孔5的取芯结果确定各煤矿层垮落带6位置以及垮落带6上部基本顶位置(标高/埋深)。
优选的，所述位于区段煤柱3上的补充勘探钻孔5也可以施工于采空区边界煤柱上，以提高对原始地层层位(标高/埋深)与厚度等探测的精确性；实际上，当多层采空区间距不是特别大、且煤质不软时(存在一定宽度的弹性区)，在区段煤柱3上施工补充勘探钻孔5所得的探测结果已足够精确(区段煤柱上方地层已经足够接近原地层)，因为在这种情况下，上部的区段煤柱受下部的煤矿层开采产生的压缩量很小，与原回采工作面上的基本顶的下沉量不在一个数量级。
S2，基于威尔逊煤柱屈服区宽度公式x0＝0.00492hH计算各煤矿层的区段煤柱的屈服区宽度(屈服区包括松弛区和塑性区)，然后确定各煤矿层的区段煤柱的弹性区宽度w1＝wm-2x0，wm为区段煤柱3的宽度，位于弹性区的煤柱属于稳定的煤柱，具有较强的支撑作用；
S3，基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的各煤矿层基本顶的位置，拟合出各煤矿层单独开采时(仅开采某一煤矿层时)沿采空区倾向的该单独开采的煤矿层的基本顶位置曲线；各煤矿层单独开采时区段煤柱3和原回采工作面2上部的基本顶标高分别为H1(多煤层开采时近似认为H1不变)、△H2，区段煤柱上部的基本顶标高可近似作为基本顶的原始标高，令C1＝H1-△H2即可得各煤矿层单独开采时原回采工作面2上部的基本顶实际下沉值；
优选的，各煤矿层全部开采后，各煤矿层区段煤柱3和原回采工作面2上部的基本顶标高分别为H1、H2，区段煤柱上部的基本顶标高可近似作为基本顶的原始标高，近似认为其与各煤矿层单独开采时基本顶标高相同，同为H1；而上部煤矿层在单独开采时的基本顶标高应当是各煤矿层全部开采时其基本顶实际标高与与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值之和，即△H2＝H2+与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值(竖直方向上的位置相对应处)。
比如，共有3层煤矿层，第3层煤矿层单独开采时基本顶标高为H13，3层煤矿层全部开采时基本顶标高为H13 ’，则H13＝H13 ’；第2层煤矿层单独开采时基本顶标高为H12，3层煤矿层全部开采时其基本顶标高为H12 ’，第3层煤矿层的基本顶实际下沉值为C13，则H12＝H12 ’+C13；第1层煤矿层单独开采时基本顶标高为H11，3层煤矿层全部开采时其基本顶标高为H11 ’，第2层煤矿层的基本顶实际下沉值为C12(也是第2层煤矿层单独开采时的基本顶下沉值+第3层煤矿层单独开采时的基本顶下沉值)，则H11＝H11 ’+C12。
S4，确定各煤矿层单独开采时(仅开采某一煤矿层时)的基本顶的理论下沉值
对于各煤矿层，将位于区段煤柱3上的补充勘探钻孔5的取芯岩块做成标准试样，进行力学参数测试，确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；
将Salamon提出的垮落带破碎岩体受力与变形关系公式
Figure BDA0003465714050000051
转化为变形与受力关系公式
Figure BDA0003465714050000052
其中
Figure BDA0003465714050000053
Figure BDA0003465714050000054
据此确定垮落带破碎岩体的理论压缩量即其上位基本顶的理论下沉值为C2＝εHk，垮落带在垂直方向上的应变之和即为垮落带的累计压缩量，为简化计算此处由垮落带垂直方向中心处的应变与垮落带破碎岩体初始厚度的乘积近似求得垮落带破碎岩体的理论压缩量；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力，埋深越大所受应力越大，具体可根据上覆地层的各层厚度与密度确定，密度与厚度根据步骤S1中补充勘探钻孔的取芯情况确定；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数，可根据采空区所在矿井或其他矿井的相似工况下的实测参数确定；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，可近似取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度，可由垮落带岩层原始厚度与垮落带破碎岩体初始碎胀系数之积确定；
S5，比较C1与C2，若C1≥90％·C2，则认为此处采空区垮落带破碎岩体已经相对稳定，定义采空区内这样的区域为采空区稳定区9，宽度为w2，采空区稳定区9至区段煤柱之间为采空区非稳区10；
采空区稳定区9后续的残余可压缩量小，空隙率小，将其空隙充填可达到煤柱的支撑作用。采空区内在同一走向上(沿原回采工作面2推进方向)的垮落带上部基本顶的位置相同，且采空区长度方向(走向)两侧的采空区非稳区10长度相对于采空区稳定区9的长度很小，故本发明仅针对倾向进行分析，仅布置一条倾向补充勘探线。
S6，对于各煤矿层，计算出区段煤柱弹性区宽度w1与采空区稳定区实际宽度w2之和w，若w不小于60％的原回采工作面宽度wc和区段煤柱宽度wm之和，即w≥60％·(wc+wm)，则该煤矿层对应的采空区无需注浆充填，否则需要注浆充填；
对于需要注浆充填的各煤矿层，按照w＝60％·(wc+wm)的要求以及步骤S2计算出的区段煤柱弹性区宽度w1确定采空区稳定区所需宽度w3，w3＝w-w1，则注浆充填治理范围为原回采工作面倾向中部w2宽度范围至w3宽度范围之间的采空区区域；
S7，对于需要注浆充填的各煤矿层，自上而下依次注浆充填治理采空区灾害，在原回采工作面倾向中部w3宽度范围边界施工帷幕孔7，在注浆充填治理范围内部施工注浆孔8，帷幕孔7和注浆孔8终孔皆施工至对应煤矿层的垮落带；
S8，对于需要注浆充填的各煤矿层，首先将粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥，加入水中制备成浆体，通过帷幕孔7注入采空区；然后将粉煤灰加入水中制备成浆体，通过注浆孔8注入采空区。
优选的，基于注浆材料确定帷幕孔7的浆液扩散半径R1和注浆孔8的浆液扩散半径R2，且R1＜R2；假设需要注浆充填的煤矿层采空区共有M层，确定最大的w3对应的煤矿层采空区，并在原回采工作面中部w3宽度范围边界布置第一排帷幕孔7(沿走向)，若有N层煤矿层采空区的w3与该最大的w3的差值(最大的w3–该N层煤矿层采空区的w3)小于R1，则该N层煤矿层采空区共用第一排帷幕孔7；对于剩余M-N-1层煤矿层采空区按照上述方式确定第二排帷幕孔7，以此类推；除第一排帷幕孔外，其余排帷幕孔在其穿过某煤矿层采空区的注浆充填治理范围时还做注浆孔用；在最内侧的w2(最小的w2)与最内侧排的帷幕孔7之间根据注浆孔8的浆液扩散半径R2确定注浆孔8的布置排数。
进一步的，所述帷幕孔7和注浆孔8在穿越无需注浆充填的煤矿层采空区时或者注浆孔8在不穿过某需要注浆充填煤矿层采空区的注浆充填治理范围(穿过其采空区稳定区9)时采用套管将钻孔腔体与该无需注浆充填的采空区区域隔离。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种煤矿采空区的探测与高效处理一体方法，用于多层采空区的综合处理，其特征在于，包括如下步骤：
S1，沿采空区倾向布置1条补充勘探线，补充勘探线上间隔施工有补充勘探钻孔；
位于区段煤柱上的补充勘探钻孔采用全取芯钻进工艺，终孔穿过最下部区段煤柱一定深度，基于取芯结果确定各地层的物理力学性质与厚度、各煤矿层区段煤柱处基本顶位置和垮落带岩层原始厚度，以及各煤矿层的采高h和埋深H；
位于原回采工作面上方的补充勘探钻孔采用常规方式钻进至最下部煤矿层的垮落带，根据钻进特征确定各煤矿层垮落带位置以及垮落带上部基本顶位置(标高/埋深)；
S2，基于威尔逊煤柱屈服区宽度公式x0＝0.00492hH计算各煤矿层的区段煤柱的屈服区宽度，然后确定各煤矿层的区段煤柱的弹性区宽度w1＝wm-2x0，wm为区段煤柱的宽度；
S3，基于不同位置处补充勘探钻孔勘探的各煤矿层基本顶的位置，拟合出各煤矿层单独开采时沿采空区倾向的该单独开采的煤矿层的基本顶位置曲线；各煤矿层单独开采时区段煤柱和原回采工作面上部的基本顶标高分别为H1、△H2，令C1＝H1-△H2即可得各煤矿层单独开采时原回采工作面上部的基本顶实际下沉值；
S4，确定各煤矿层单独开采时的基本顶的理论下沉值C2；
S5，采空区内满足C1≥90％·C2的区域为采空区稳定区，宽度为w2；
S6，对于各煤矿层，计算出区段煤柱弹性区宽度w1与采空区稳定区宽度w2之和w，若w不小于60％的原回采工作面宽度wc和区段煤柱宽度wm之和，即w≥60％·(wc+wm)，则该煤矿层对应的采空区稳定无需注浆充填，否则需要注浆充填；
对需要注浆充填的各煤矿层，按照w＝60％·(wc+wm)的要求以及步骤S2计算出的区段煤柱弹性区宽度w1确定采空区稳定区所需宽度w3，w3＝w-w1，则注浆充填治理范围为原回采工作面倾向中部w2宽度范围至w3宽度范围之间的采空区区域；
S7，对需要注浆充填的各煤矿层，自上而下依次注浆充填治理采空区灾害，在原回采工作面倾向中部w3宽度范围边界施工帷幕孔，在注浆充填治理范围内部施工注浆孔，帷幕孔和注浆孔终孔皆施工至对应煤矿层的垮落带；
S8，对需要注浆充填的各煤矿层，首先将粉煤灰、煤矸石粉碎成的煤矸石粉、水泥，加入水中制备成浆体，通过帷幕孔注入采空区；然后将粉煤灰加入水中制备成浆体，通过注浆孔注入采空区。
2.根据权利要求1所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，步骤S1中，确定各地层物理力学性质包括确定垮落带内各岩层的单轴抗压强度；将取芯岩块做成标准试样，进行物理力学参数测试。
3.根据权利要求1所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，步骤S1中，位于原回采工作面上方的补充勘探钻孔，在各煤矿层的导水裂隙带至基本顶段采用取芯钻进工艺，通过匹配区段煤柱上方的补充勘探钻孔的取芯结果确定各煤矿层垮落带位置以及垮落带上部基本顶位置。
4.根据权利要求1所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，各煤矿层全部开采后，各煤矿层区段煤柱和原回采工作面上部的基本顶标高分别为H1、H2，区段煤柱上部的基本顶标高近似作为基本顶的原始标高，近似认为其与各煤矿层单独开采时基本顶标高相同，同为H1；而上部煤矿层在单独开采时的基本顶标高应当是各煤矿层全部开采时其基本顶实际标高与与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值之和，即△H2＝H2+与其紧邻的下部的煤矿层的基本顶的实际下沉值。
5.根据权利要求2所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，步骤S4中，将Salamon垮落带破碎岩体受力与变形关系公式转化为变形与受力关系公式
Figure FDA0003465714040000021
其中
Figure FDA0003465714040000022
Figure FDA0003465714040000023
据此确定垮落带破碎岩体上位基本顶的理论下沉值C2＝εHk，为简化计算此处由垮落带垂直方向中心处的应变ε与垮落带高度Hk的乘积近似求得；
式中：σ垮落带破碎岩体所受应力，其为垮落带破碎岩体上覆地层的重力；ε垮落带破碎岩体应变，此处求取垮落带破碎岩体垂直方向中心处的应变；εm为垮落带破碎岩体最大应变；E0为垮落带破碎岩体初始切变模量；B0为垮落带破碎岩体初始碎胀系数；σ0为垮落带岩体的单轴抗压强度，近似取垮落带内各岩层的平均值；Hk为垮落带破碎岩体初始厚度。
6.根据权利要求1所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，基于注浆材料确定帷幕孔的浆液扩散半径R1和注浆孔的浆液扩散半径R2，且R1＜R2；假设需要注浆充填的煤矿层采空区共有M层，确定最大的w3对应的煤矿层采空区，并在原回采工作面中部w3宽度范围边界施工第一排帷幕孔，若有N层煤矿层采空区的w3与该最大的w3的差值小于R1，则该N层煤矿层采空区共用第一排帷幕孔；对于剩余M-N-1层煤矿层采空区按照上述方式确定第二排帷幕孔，以此类推；除第一排帷幕孔外，其余排帷幕孔在其穿过某煤矿层采空区的注浆充填治理范围时还做注浆孔用；在最内侧的w2与最内侧排的帷幕孔之间根据注浆孔的浆液扩散半径R2确定注浆孔的布置方案。
7.根据权利要求6所述的采空区的探测与高效处理一体方法，其特征在于，所述帷幕孔和注浆孔在穿越无需注浆充填的煤矿层采空区时或者注浆孔在不穿过某需要注浆充填煤矿层采空区的注浆充填治理范围时采用套管将钻孔腔体与该无需注浆充填的采空区区域隔离。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115203852A (zh) * 2022-07-25 2022-10-18 中国矿业大学 一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法
CN116104538A (zh) * 2023-03-16 2023-05-12 山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队（山东省第五地质矿产勘查院） 基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108240234A (zh) * 2017-12-28 2018-07-03 辽宁工程技术大学 一种铁路沿线下伏煤矿采空区注浆处治方法
CN108798769A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 山东科技大学 条采采空区一体化综合治理施工方法
CN110735663A (zh) * 2019-10-24 2020-01-31 中煤能源研究院有限责任公司 一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法
WO2021068691A1 (zh) * 2019-10-09 2021-04-15 巨峰 一种煤矿强弱强全采全充方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108240234A (zh) * 2017-12-28 2018-07-03 辽宁工程技术大学 一种铁路沿线下伏煤矿采空区注浆处治方法
CN108798769A (zh) * 2018-06-25 2018-11-13 山东科技大学 条采采空区一体化综合治理施工方法
WO2021068691A1 (zh) * 2019-10-09 2021-04-15 巨峰 一种煤矿强弱强全采全充方法
CN110735663A (zh) * 2019-10-24 2020-01-31 中煤能源研究院有限责任公司 一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115203852A (zh) * 2022-07-25 2022-10-18 中国矿业大学 一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法
CN115203852B (zh) * 2022-07-25 2024-05-14 中国矿业大学 一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法
CN116104538A (zh) * 2023-03-16 2023-05-12 山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队（山东省第五地质矿产勘查院） 基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法
CN116104538B (zh) * 2023-03-16 2023-10-10 山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队（山东省第五地质矿产勘查院） 基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法

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