CN114412550A - 一种用于特厚煤层老空区复采的采空区注浆治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于特厚煤层老空区复采的采空区注浆治理方法。包含如下步骤：步骤一：确定复采区域平面边界；步骤二：计算和确定复采治理垂向边界；步骤三：确定地面定向钻孔和井下引流钻孔布设方式、探查层位、水平间距、施工顺序以及钻孔结构要求；步骤四：确定不同工况下的注浆材料、压力、结束标准、注浆顺序、注浆与钻探配合等参数；步骤五：注浆充填效果检查补强。本发明有效解决了以往非规范开采特厚煤层遗煤复采所面临的水害、火区、有害气体、破碎顶板等多灾害安全高效开采问题，实现复采区多灾源灾害治理、空间充填和煤岩固结的良好效果，为特厚煤层遗煤复采创造安全开采的有利条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过定向钻孔区域注浆治理采空区实现特厚煤层复采的方法，属于矿山安全技术领域，具体涉及一种用于特厚煤层老空区复采的采空区注浆治理方法。
背景技术
特厚煤层遗煤区的复采，面临着严重的采空区积水、煤层着火、有害气体富集、顶板破碎等多种灾害威胁，具备复杂性、隐蔽性、不确定性的特性，这些问题的存在将严重制约遗煤区的安全及高效生产。
目前国内外针对采空区的治理较多，通常以注浆充填为主，治理目的多以确保地基稳定、防止地面变形沉降为主，从遗煤区复采的角度分析存在以下不足：
1)采空区注浆充填治理范围小，多以线状、点状等小区域为主，不能实现遗煤区复采区域治理，治理范围达不到实现复采的要求。
2)采空区注浆充填手段单一，多以地面直孔为主，注浆充填扩散半径有限，如采空区范围较大，全面治理工程需从地面均匀布设钻孔，钻孔间距一般30m，工程量大，费用高。
3)注浆充填多以实现地面减沉、注浆加固为目标，未考虑复采需面对的采空区分布、水害、火区、瓦斯等多灾害的探查和综合治理，以往未见特厚煤层遗煤复采区域治理的相关技术。
为此，本发明根据以往相关发明和设计的不足，潜心研究，发明出通过地面定向钻孔对特厚煤层遗煤区进行区域注浆综合治理的方法，进行复采区水害、火区、有害气体及破碎顶板的综合治理，再造复采区开采地质条件，实现遗煤复采区的成功复采。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术所存在的上述的问题，提供了一种基于地面定向钻孔进行区域治理的方法，该方法能够通过定向钻孔区域注浆充填，达到治理水害、火区、有害气体及固破碎覆岩的综合目的，从而实现遗煤区安全复采。
为了实现上述发明目的，本发明的方案是：
一种通过定向钻孔区域注浆治理采空区实现特厚煤层复采的方法，包括如下步骤：
步骤一：确定治理区域平面范围；根据以往资料圈定遗煤区范围，复采区边界外推20m作为治理区域平面范围；
步骤二：确定治理区域垂向范围；治理区垂向范围为复采区垮落带以内，垮落带高度可根据区域经验公式或利用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中相关公式(表一)计算；
表一
其中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1～3m、累计采厚不超过15m。
步骤三：钻孔布设及施工；以“地面区域注浆、井下局部引流、检查注浆补强”为总体思路，布设地面定向探查注浆孔、井下引流注浆孔、地面检查补强孔；
根据地面施工条件，确定定向钻探施工场地，设计定向钻孔布孔方式，钻孔水平段位于预计的垮落带中上部；钻孔间距为30～40m，要求基本覆盖整个治理区，并由两侧向中间注浆施工；井下合适位置布设定向钻孔作为引流孔，钻孔层位分别为采空区底部和垮落带上方，分为低位和高位引流孔，形成采空区的动水条件，有利于浆液的扩散；
步骤四：注浆充填；地面钻孔施工至采空区边缘时，时刻关注漏失情况，遇到漏失即开始注水泥浆，水灰比5:1～0.6:1，浆液由稀到浓，当采空区充水时，宜采用浓度较大的3或4个浓度比级，反之，则从浓度较稀的比级开始；
井下引流孔同步泄水，泄水量稍大于注浆量，形成动水扩散条件；注浆孔应采用前进分段式注浆，钻孔施工至采空区上方后，如注浆量较大，改注水泥粉煤(粉煤灰)，水泥与粉煤(粉煤灰)质量比宜为2:8～3:7；如长时间不起压，可加入早凝剂，参量为水泥质量的3％～5％；如遇到较大空洞，可先注骨料再注浆，所述注浆稳定压力取采空区地下水的静水压力的1.5～2倍，终压条件下，注浆量不大于60L/min，稳定时间不小于30min时，注浆结束，关闭引流孔，侯凝48h；一个注浆循环结束后再次钻进50m，进行下一个循环，确保采空区被逐步充填，形成多批次的注浆充填体。注浆先进行充填注浆，随后进行压密注浆；
注浆次序由两侧往中间逐步缩小注浆范围，确保空间被浆液替代，最终低位引流孔出现浆液后对其进行关闭，打开高位引流孔，通过低位引流孔注浆，直至高位引流孔出浆后停注；候凝48h后再次注浆，确保浆液析水后空间被再次充填；
步骤五：充填效果检查；由地面施工定向检查补强孔，层位为采空区内，检查注浆充填情况，与注浆孔间隔布孔，如出现漏失，进行补强压密注浆。完成注浆充填，浆液替换采空区水、气，从地面施工检查取芯孔，查看充填注浆效果。形成治理、填充、固结的效果，为下覆遗煤复采创造条件；
其中：在步骤一中，治理平面范围的确定需根据以往资料综合确定，如边界不清可结合地面物探等手段确定；治理垂向垮落带范围宜根据矿井实测数据确定，如无实测数据可根据周边矿井资料以及《煤矿防治水细则》中相关公式确定；
其中：在步骤三中，地面钻孔的布孔方式可根据施工地点和治理区域的位置关系采用鱼骨状、梳状、叉状等布孔方式，各孔轨迹水平段间距为30～40m；
其中：在步骤三中，地面探查注浆孔采用三开方式钻进，一开垂直段进入稳定基岩10m，并下入表层套管，固井水泥浆返至地面；二开造斜段进入目标层位，下入地质套管，固井水泥浆返至地面；三开沿目标层位垮落带顶部水平钻进，裸孔完井，终孔孔径一般不小于152mm；止水标准及检查方法应符合DZ/T0148—2014中13.7止水与封闭的规定；
其中：步骤三中，探查注浆孔应按照由两侧向中间施工的方式进行；井下引流注浆孔应根据井下施工条件，选取合适钻场施工定向钻孔至采空区，达到疏水引流的效果，并下入不小于20m的孔口管；
其中：步骤三中，井下引流注浆孔应分别施工低位和高位钻孔，方便不同工况下进行引流注浆；
其中：步骤四中，水泥浆注浆水灰比为1:0.5～1:1，由稀到浓；大量注浆时，注浆材料为水泥粉煤灰浆液，长时间注浆泵量很大不起压，可参模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45波美度水玻璃，参量为3％～5％，逐级降低泵量，注浆结束标准为吸浆量小于60L/min，并稳定30min；
其中：步骤四中，采用边注浆边钻进的方式前进式施工；注浆结束后进行孔口密实注浆；注浆量可通过下式进行计算：
Q总＝A·S·m·K·ΔV·η/C (式1)
式中Q总—采空区总注浆量(m3)；
S—为采空区治理面积，其值为采空区治理长度与采空区治理宽度之积(m2)。当采空区治理宽度不一致时，可采用平均值；
m—采空区煤层厚度(m)；
ΔV—采空区剩余空隙率：即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙，其取值在0.2～1之间。一般情况下闭矿时间在五年之内，取值在0.3～1之间；闭矿时间在五年之上，取值在0.2～0.3之间。当采空区的顶板和覆岩为较坚硬的岩石时，取值宜稍大；
K—煤层回采率。一般通过采矿实际调查确定；
A—注浆总量浆液损耗系数，取值在1.0～1.5之间；
η—注浆充填系数，取值在0.75～0.95之间。该值宜根据公路工程的性质确定，对于路基范围内的采空区取值在0.75～0.85之间；对于构筑物范围的采空区取值在0.85～0.95之间；
C—浆液结石率，取值在0.7～0.95之间。一般经试验确定。
其中：步骤五中，检查补强孔应和注浆孔交叉布设，注浆可适当进行升压密实注浆，注浆结束标准为吸浆量小于60L/min，并稳定30min；
由此本发明达到如下效果：
1)解决了常规直孔工程量大、有效工程量小、注浆扩散范围小的问题。通过定向钻探技术对治理区全覆盖，实现老窑采空区的区域治理，有效减少工程量，增加了注浆段的有效长度和注浆扩散范围，优势明显。
2)首次利用垮落带顶部作为注浆层位进行采空区区域注浆治理，通过地面注浆和井下引流，有效充填采空区，替换原采空区内的积水、有害气体，有效解决老空区水、火、瓦斯灾害问题，为下覆遗煤复采创造安全条件。
3)有效固结采空区破碎岩体，形成下覆遗煤复采的完整顶板，创造有利条件。
本发明将填补国内外老窑下特厚煤层复采灾害治理技术的空白，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为地面定向钻孔布孔方式示意图，其中，(a)为梳状布孔，(b)为鱼骨状布孔，(c)为叉状布孔；
图2为治理工程剖面示意图；
图3为治理工程平面示意图；
图4为治理工程效果图
图中：1-导水裂隙带顶部，2-垮落带顶部，3-垮落带岩体，4-已回采煤层采空区，5-采空区下覆遗煤，6-地面探查注浆定向钻孔，7-地面检查补强孔，8-井下高位引流孔，9-垮井下低位引流孔，10-治理区域平面范围，11-地面取芯检查孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下在结合附图，对本实施例的方法作进一步的介绍。
一种通过定向钻孔区域注浆治理采空区实现特厚煤层复采的方法，具体步骤如下：
步骤一：确定治理区域范围
(1)根据以往资料圈定采空区范围，采空区边界外推20m作为治理区域平面范围(10)；
(2)治理区垂向范围为采空区垮落带以内，垮落带高度可专门施工钻孔进行实测，也可根据经验公式或利用区内实测资料进行计算；
步骤二：钻孔布设及施工
1)以“地面区域注浆、井下局部引流、检查注浆补强”为总体思路，布设地面定向探查注浆孔、井下引流注浆孔、地面检查补强孔；
2)地面钻孔布设方式可根据施工场地与治理区域的关系选择图1所示“梳状”、“鱼骨状”、“叉状”的布孔方式，钻孔水平段间距可根据现场注浆试验确定，一般为30-40m；
3)钻孔水平段终孔层位设计在垮落带(2)的顶部，该处岩层垮落不充分、以裂隙破坏为主，具备实施注浆和扩散条件；
4)地面钻施工顺序如图4所示，由边缘往内部进行钻探和注浆施工；
5)地面探查注浆孔采用三开方式钻进，一开垂直段进入稳定基岩10m，并下入表层套管，固井水泥浆返至地面；二开造斜段进入垮落带顶部，下入地质套管，固井水泥浆返至地面；三开沿垮落带顶部(2)水平钻进，裸孔完井，考虑到注浆和骨料需求，终孔孔径一般不小于152mm；止水标准及检查方法应符合DZ/T 0148—2014中13.7止水与封闭的规定。
6)需施工高位(8)、低位(9)引流钻孔，形成动水环境，扩大注浆孔浆液扩散范围。
步骤三：注浆充填
通过注浆孔以垮落带顶部为注浆层位进行采空区注浆，采用边钻边注的方式进行，注浆方式、压力、材料等需根据现场情况实时调整。通过注浆充填替换采空区内积水、有害气体，充填采空区破碎岩体空间，固结破碎煤岩，达到多灾害综合治理的目的，为下覆遗煤(5)复采创造安全开采条件。优选的注浆工艺如下：
1)注浆方式：采用孔口止浆、静压前进式分段注浆方式，设计每钻进50m进行一序次的注浆，如钻进过程中大漏，则停钻注浆；
2)注浆材料：地面钻孔施工至采空区边缘时，时刻关注漏失情况，遇到漏失应开始注水泥浆液，水灰比在1:0.5～1:1之间选3个等级，浆液由稀到浓，井下引流孔同步泄水，泄水量稍大于注浆量，形成动水扩散条件；注浆孔应采用前进分段式注浆，钻孔施工至采空区上方后，加大注浆量，先注水泥浆液，水灰比1:0.5～1:1，由稀到浓，随后注水泥粉煤灰，水泥与粉煤灰质量比宜为2:8～3:7；如长时间不起压，可加入早凝剂，参量为水泥质量的3％～5％，再注砂骨料，直至达到注浆标准，关闭引流孔，侯凝48h；随后再次钻进50m，进行下一个循环注浆，确保采空区被逐步充填，形成多批次的注浆充填体；
水：应符合拌制混凝土用水要求，其PH值大于4；
水泥：应优先选用矿渣水泥，其次是普通硅酸盐水泥或其它类型水泥。如果是采空区中的水对浆液结石体有强至中等腐蛀性，应采用抗硫酸水泥。注浆用的水泥必须符合国家质量标准；
粉煤灰：应符合国家质量标准的二～三级；
骨料：砂应为质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不宜大于2.5mm：有机物含量不宜大于3％。石屑或矿渣最大粒径一般情况下不宜大于1.0cm，有机物含量不宜大于3％；
外加剂水玻璃：模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45波美度；
3)浆液浓度：浆液的浓度使用，应由稀到浓，逐级变换浆液的水固可比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.7:1、0.6:1等七个浓度比级。当然，根据施工现场的具体情况，可选用其中3个或4个浓度比级。当采空区充水时，宜采用浓度较大的3或4个浓度比级，反之，则从浓度较稀的比级开始。
4)注浆压力：注浆压力是控制注浆质量、提高注浆效益的重要因素。结束压力与采空垮裂带的空隙、裂隙的大小或多少、水文地质及工程性质条件等相关，一般是通过现场注浆试验后确定。注浆稳定压力取采空区地下水的静水压力的1.5～2倍；
5)注浆结束标准：终压条件下，注浆量不大于60L/min，稳定时间不小于30min时，注浆结束。回次注浆压力结束标准不宜小于终孔压力的80％；
6)由两侧往中间逐步缩小注浆范围，确保空间被浆液替代，最终低位引流孔出现浆液后对其进行关闭，打开高位引流孔，通过低位引流孔注浆，直至高位引流孔出浆后停注；候凝48h后再次注浆，确保浆液析水后空间被再次充填。
7)注浆总量可通过下式进行计算：
Q总＝A·S·m·K·ΔV·η/C (式1)
式中Q总—采空区总注浆量(m3)；
S—为采空区治理面积，其值为采空区治理长度与采空区治理宽度之积(m2)。当采空区治理宽度不一致时，可采用平均值；
m—采空区煤层厚度(m)；
ΔV—采空区剩余空隙率：即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙，其取值在0.2～1之间。一般情况下闭矿时间在五年之内，取值在0.3～1之间；闭矿时间在五年之上，取值在0.2～0.3之间。当采空区的顶板和覆岩为较坚硬的岩石时，取值宜稍大；
K—煤层回采率。一般通过采矿实际调查确定；
A—注浆总量浆液损耗系数，取值在1.0～1.5之间；
η—注浆充填系数，取值在0.75～0.95之间。该值宜根据公路工程的性质确定，对于路基范围内的采空区取值在0.75～0.85之间；对于构筑物范围的采空区取值在0.85～0.95之间；
C—浆液结石率，取值在0.7～0.95之间。一般经试验确定。
步骤四：充填效果检查及补强
由于地面钻孔注浆层位为垮落带顶部，局部采空区如垮落不充分将影响注浆效果，故需施工注浆效果检查和补强钻孔。
1)由地面施工多组定向检查补强孔(7)，层位为垮落带下部采空区内，检查注浆充填情况，检查补强与注浆孔间隔布孔，如出现漏失，进行补强注浆，注浆材料可根据漏失情况和空洞情况选择单液浆、双液浆和骨料，注浆结束标准取采空区地下水的静水压力的1.5～2倍；
2)从地面施工多个垂直检查取芯孔(11)，通过岩芯查看充填注浆效果(图4)，确保浆液结石体的无侧限抗压强度不应小于2MPa。通过多个序次完成采空区注浆充填，利用浆液替换采空区水、气，形成采空区治理、填充、固结效果，为下覆遗煤复采创造有利条件。
Claims (10)
1.一种采空区注浆治理方法，其特征在于，包括如下步骤：
治理区域确定步骤，用于确定治理区域的平面范围和垂向范围；
注浆施工步骤，地面钻孔采用三开钻孔结构施工注浆孔，所述三开钻孔结构的垂直段进入稳定基岩中，所述三开钻孔结构的造斜段进入治理区域；所述三开钻孔结构的水平段沿治理区域的垮落带顶部水平钻进；通过所述注浆孔以垮落带顶部为注浆层位进行采空区注浆；
补强注浆步骤，由地面施工多组定向检查补强孔，所述补强孔层位为垮落带下部采空区内，基于所述补强孔检查注浆充填情况，所述补强孔与注浆孔间隔布置，基于所述补强孔进行补强注浆。
2.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述治理区域确定步骤中，基于复采区域平面边界和垂向边界确定所述治理区域范围，其中，将复采区边界外推20m作为治理区域平面范围，治理区垂向范围为复采区垮落带以内。
3.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述注浆施工步骤中，所述注浆孔的孔间距为30-40m。
4.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述注浆施工步骤中，放工低位引流孔和高位引流孔，所述高位引流孔在导水裂隙带内的孔口位于所述低位引流孔的上部。
5.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述注浆施工步骤中，水灰比为5:1～0.6:1。
6.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，由治理区域的两侧往中间逐步缩小注浆范围。
7.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述注浆施工步骤中，所述注浆孔的布孔方式根据施工地点和治理区域的位置关系采用鱼骨状、梳状、叉状布孔方式。
8.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述注浆施工步骤中，采用边注浆边钻进的方式前进式施工；注浆结束后进行孔口密实注浆。
9.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述补强施工步骤中，补强注浆结束标准为吸浆量小于60L/min，并稳定30min。
10.根据权利要求1所述的一种采空区注浆治理方法，其特征在于，所述补强施工步骤中，地面钻孔采用三开钻孔结构施工补强注浆孔，所述三开钻孔结构的垂直段进入稳定基岩中，所述三开钻孔结构的造斜段进入治理区域；所述三开钻孔结构的水平段沿治理区域的垮落带顶部水平钻进；通过所述注浆孔以垮落带顶部为注浆层位进行采空区注浆。
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|---|---|---|---|---|
| CN115853578A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 臣功环境科技有限公司 | 一种井工煤矿小窑破坏区充填复采探查充注方法 |
| CN117248962A (zh) * | 2023-11-20 | 2023-12-19 | 太原理工大学 | 治理小窑巷柱式遗留煤柱间老空水的方法 |
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