CN114876403B - 一种采动高位破裂空间注浆修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动高位破裂空间注浆修复方法，采集矿区采煤的破断距、采煤厚度；确定主关键层位置；判断主关键层的破断形式，划定导水裂隙区域，采用水平定向钻孔方式沿着主关键层上方岩层和主关键层下方岩层水平钻进；将注浆孔布置在高位离层带还未形成离层区的区域，由地面注浆站开始进行注浆，将大颗粒浆料泵送到高位离层区，利用注浆压力封堵主关键层下离层区裂隙和主关键层下部裂隙；将细致颗粒泵送到裂隙带离层区，利用浆液压力封堵主关键层上部裂隙；先向离层区注浆，待离层区注浆完毕后，继续工作面的推进；重复上述步骤直到开采结束；本发明的方法可靠，实用性强；可为矿区煤炭开采减少水害气害的发生概率和危害程度。

Description

一种采动高位破裂空间注浆修复方法

技术领域

本发明涉及关键层水害气害防治方法技术领域，特别是一种适用于双系煤层开采矿井水害气害防治领域中定向注浆封堵主关键层裂隙防治方法。

背景技术

1.双系煤层开采将引起上覆岩层的移动与破坏，从而在主关键层中形成“O”型和“X”型裂缝；这些裂缝由地面沟通至采煤工作面，可能发生煤矿自燃灾害，产生CO等有害气体；当采空区赋存有地下水和一些有害气体时，受采动破坏的主关键层会使水气沿着这些裂隙渗至井下采空区，导通采空区的裂隙越多，井下涌水量越大涌入的有害气体越多，严重时引发顶板水害气害问题，危及矿井安全高效生产；随着开采面推进，矿压支架上方会产生集中应力，有可能发生强矿压风险；若能找到相关措施封堵主关键层裂缝，这样会大大降低灾害的发生概率和发生灾害时的危害程度。

2.目前，关于顶板水害气害防治有两种对策。一类是由地面向离层区竖直钻孔注浆的注浆减沉技术，此技术是通过向离层区注浆来阻隔水气向下部工作面蔓延，封堵效果较好，但是需要预先判断离层区大小，而且对于空间较小的离层区不易注入。另一类是封堵导水裂隙带，此类水气害防治方法虽然能教为容易注入，但是带来不能全面封堵的问题。因此有必要针对上面两种水气害防治方法进行优化，既要全面封堵又要易于施工。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采动高位破裂空间注浆修复方法，结合煤层开采系数及水文地质条件，通过确定主关键层位置及离层区发育状况，确定利用水平定向钻孔注浆方式将主关键层上离层区和主关键层下离层区封堵，达到封堵主关键层的防治水气下泄的方法，以降低采空区水气下泄程度、减轻井下水害气害威胁，实现矿井的安全高效生产。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种采动高位破裂空间注浆修复方法，包括以下步骤：

Step1、根据覆岩运动关键层的破断特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采集矿区采煤的破断距、采煤厚度；

Step2、采用关键层判别方式对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定主关键层位置；

Step3、判断主关键层的破断形式，划定导水裂隙区域，并根据煤层埋深、地面布钻条件确定采用水平定向钻孔方式沿着主关键层上方岩层和主关键层下方岩层水平钻进；

Step4、待钻孔施工完毕后，根据破断距决定注浆孔布置间距，将注浆孔布置在高位离层带还未形成离层区的区域，由地面注浆站开始进行注浆，将大颗粒浆料泵送到高位离层区，利用注浆压力封堵主关键层下离层区裂隙和主关键层下部裂隙；将细质颗粒料浆泵送到裂隙带离层区，利用浆液压力封堵主关键层上部裂隙；

Step5、先向离层区注浆，待离层区注浆完毕后，继续工作面的推进；

Step6、重复上述Step1- Step5直到开采结束；

优选的，Step2中，关键层判方式为采用KSPB软件判别；

具体的，Step3中，主关键层的破断形式包括“O-X”破断形式，“O”型破断部分形成上下贯通的裂缝，“X”型破断部分形成上部闭合而下部张开的裂缝；

具体的，Step3中，采用水平定向钻孔方式的具体方法为：根据据导水裂隙带公式确定高位离层区的最大发育位置，使用双水平定向钻孔作业，其中，经水平段调平后使一号水平定向钻孔位于裂隙带离层区内，二号水平定向钻孔位于高位离层区内；

具体的，双水平定向钻孔的具体施工布置方式为：两支钻孔都由地面先竖直钻孔，一号水平定向钻孔在主关键层上方完成水平段调直使水平段位于主关键层上方3-5m处；二号水平定向钻孔在主关键层内完成水平段调直使水平段位于主关键层下方30cm处，每个钻孔均从停采线方向到开切眼方向，使得水平段钻孔能贯穿整个工作面；

优选的，Step4中，大颗粒浆料为比重为1.4~1.6的水泥粉煤灰混合浆液掺入4~6mm的大颗粒骨料（如核桃壳）或比重为1.3~1.5的水泥粉煤灰混合浆液掺入2~3mm的富含纤维骨料（如棉籽壳），其中大颗粒骨料的掺入比例为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg，富含纤维骨料的掺入比重为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg；

优选的，Step4中，细质颗粒浆料为比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液；

具体的，Step4中，注浆的具体的方法为：

Step4.1、二号水平定向钻孔布置完成后，在二号水平定向钻孔的孔道内布置注浆管道，第一个注浆孔位于开切眼40m处，首先注入比重为1.4~1.6水泥和粉煤灰混合浆液掺入2~3mm的大颗粒骨料，待持续注入2h，若注浆压力为0，则改用粒径为4~6mm富含纤维的骨料掺入水泥粉煤灰混合浆液进行注浆；

Step4.2、持续注入掺有富含纤维骨料的水泥粉煤灰混合浆液直到注浆压力上升，继续采用掺有大颗粒骨料的水泥粉煤灰混合浆液进行注浆，当浆液压力上升至1~2MPa时，采用水泥和水玻璃调制而成的快速凝固混合浆液进行注浆，直至浆液压力上升则停止注浆；

Step4.3、高位离层区注浆完毕后，进行裂隙带离层区的注浆，直接注入比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液，待注浆压力开始上升时停止注浆。

与现有技术相比，本发明的采动高位破裂空间注浆修复方法具备以下有益效果：

本发明主要能够适应双系开采条件下钻孔注浆封堵主关键层的确定，可为矿井防治水气下泄灾害提供保障，其使用方法可靠，实用性强。

本发明基于煤层地质赋存条件下与开采参数对主关键层导水裂隙带发育的影响，不但考虑了覆岩导水裂隙带的分布区域，而且还考虑了注浆材料和注浆方法对封堵效果的影响，同样也保证了注浆速度和工作面推进速度相匹配，对双系开采下主关键层裂隙采取全面抓的方式，通过向离层区注浆，利用浆液压力对关键层全部裂隙进行封堵，不但克服了注浆减沉法注浆困难的不足，而且又保证了注浆速度和工作面推进等各种参数相匹配，此外还保证了注浆的全面性，对“0-X”破断裂缝进行全面封堵。不但安全可靠、实用性强，而且还能有效减少水气下漏程度、减轻水害气害的发生。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明采动高位破裂空间注浆修复方法的钻孔布置平面图；

图2为图1中A-A的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1和图2为本实施例中某开采矿井使用采动高位破裂空间注浆修复方法的示意图，其中，1表示注浆孔，2表示开切眼，3表示采空区保护煤柱，4表示“O”型裂缝，5表示“X”型裂缝，6表示二号水平定向钻孔，7表示停采线，8表示巷道，9表示导水裂隙区域，10表示地面注浆站，11表示采空区，12表示工作面，13表示主关键层，14表示近场关键层，15表示高位离层区，16表示一号水平定向钻孔，17表示裂隙带离层区。

本实施例的采动高位破裂空间注浆修复方法，包括以下步骤：

Step1、根据覆岩运动关键层的破断特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采集矿区采煤的破断距、采煤厚度；

Step2、采用关键层判别方式对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定主关键层13位置；

Step3、判断主关键层13的破断形式，划定导水裂隙区域9，并根据煤层埋深、地面布钻条件确定采用水平定向钻孔方式沿着主关键层13上方岩层和主关键层13下方岩层水平钻进；

Step4、待钻孔施工完毕后，根据破断距决定注浆孔1布置间距，将注浆孔1布置在高位离层带还未形成离层区的区域，由地面注浆站10开始进行注浆，将大颗粒浆料泵送到高位离层区15，利用注浆压力封堵主关键层13下离层区裂隙和主关键层13下部裂隙；将细质颗粒浆料泵送到裂隙带离层区17，利用浆液压力封堵主关键层13上部裂隙；

Step5、先向高位离层区15和裂隙带离层区17注浆，待向高位离层15和裂隙带离层区17注浆完毕后，继续工作面12的推进；

Step6、重复上述Step1- Step5直到开采结束。

在本实施例中，Step2中，利用关键层判别软件KSPB对各种钻孔处覆岩关键层位置进行判别。

在本实施例中，Step3中，主关键层13的破断形式包括“O-X”破断形式，“O”型破断部分形成上下贯通的裂缝，为“O”型裂缝4，“X”型破断部分形成上部闭合而下部张开的裂缝，为“X”型裂缝5。

在本实施例中，Step3中，采用水平定向钻孔方式的具体方法为：根据据导水裂隙带公式确定高位离层区15的最大发育位置，使用双水平定向钻孔作业，其中，经水平段调平后使一号水平定向钻孔16位于裂隙带离层区17内，二号水平定向钻孔6位于高位离层区15内。

在本实施例中，双水平定向钻孔的具体施工布置方式为：两支钻孔都由地面先竖直钻孔，一号水平定向钻孔16在主关键层13上方完成水平段调直使水平段位于主关键层13上方3-5m处；二号水平定向钻孔6在主关键层13内完成水平段调直使水平段位于主关键层13下方30cm处，每个钻孔均从停采线7方向到开切眼2方向，使得水平段钻孔能贯穿整个工作面12。

在本实施例中，Step4中，大颗粒浆料为比重为1.4~1.6的水泥粉煤灰混合浆液掺入4~6mm的大颗粒骨料（如核桃壳）或比重为1.3~1.5的水泥粉煤灰混合浆液掺入2~3mm的富含纤维骨料（如棉籽壳），其中大颗粒骨料的掺入比例为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg，富含纤维骨料的掺入比重为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg；Step4中，细质颗粒浆料为比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液。

在本实施例中，Step4中，注浆的具体的方法为：

Step4.1、二号水平定向钻孔6布置完成后，在二号水平定向钻孔6的孔道内布置注浆管道，第一个注浆孔1位于开切眼2四十米处，首先注入比重为1.4~1.6水泥和粉煤灰混合浆液掺入2~3mm的大颗粒骨料，待持续注入2h，若注浆压力为0，则改用粒径为4~6mm富含纤维的骨料掺入水泥粉煤灰混合浆液进行注浆；

Step4.2、持续注入掺有富含纤维骨料的水泥粉煤灰混合浆液直到注浆压力上升，继续采用掺有大颗粒骨料的水泥粉煤灰混合浆液进行注浆，当浆液压力上升至1~2MPa时，采用水泥和水玻璃调制而成的快速凝固混合浆液进行注浆，直至浆液压力上升则停止注浆；

Step4.3、高位离层区15注浆完毕后，进行裂隙带离层区17的注浆，直接注入比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液，待注浆压力开始上升时停止注浆。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1、根据覆岩运动关键层的破断特征，通过收集各采煤区域的地面钻孔柱状资料，采集矿区采煤的破断距、采煤厚度；

Step2、采用关键层判别方式对各钻孔处覆岩关键层位置进行判别，从而确定主关键层位置；

Step3、判断主关键层的破断形式，划定导水裂隙区域，并根据煤层埋深、地面布钻条件确定采用水平定向钻孔方式沿着主关键层上方岩层和主关键层下方岩层水平钻进；

Step4、待钻孔施工完毕后，根据破断距决定注浆孔布置间距，将注浆孔布置在高位离层带还未形成离层区的区域，由地面注浆站开始进行注浆，将大颗粒浆料泵送到高位离层区，利用注浆压力封堵主关键层下离层区裂隙和主关键层下部裂隙；将细质颗粒泵送到裂隙带离层区，利用浆液压力封堵主关键层上部裂隙；

Step5、先向离层区注浆，待离层区注浆完毕后，继续工作面的推进；

Step6、重复上述Step1- Step5直到开采结束。

2.根据权利要求1所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step2中，关键层判方式为采用KSPB软件判别。

3.根据权利要求1所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step3中，主关键层的破断形式包括“O-X”破断形式，“O”型破断部分形成上下贯通的裂缝，“X”型破断部分形成上部闭合而下部张开的裂缝。

4.根据权利要求1所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step3中，采用水平定向钻孔方式的具体方法为：根据导水裂隙带公式确定高位离层区的最大发育位置，使用双水平定向钻孔作业，其中，经水平段调平后使一号水平定向钻孔位于裂隙带离层区内，二号水平定向钻孔位于高位离层区内。

5.根据权利要求4所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，双水平定向钻孔的具体施工布置方式为：两支钻孔都由地面先竖直钻孔，一号水平定向钻孔在主关键层上方完成水平段调直使水平段位于主关键层上方3-5m处；二号水平定向钻孔在主关键层内完成水平段调直使水平段位于主关键层下方30cm处，每个钻孔均从停采线方向到开切眼方向，使得水平段钻孔能贯穿整个工作面。

6.根据权利要求5所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step4中，大颗粒浆料为比重为1.4~1.6的水泥粉煤灰混合浆液掺入4~6mm的大颗粒骨料或比重为1.3~1.5的水泥粉煤灰混合浆液掺入2~3mm的富含纤维骨料，其中大颗粒骨料的掺入比例为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg，富含纤维骨料的掺入比重为每1m³的水泥粉煤灰混合浆液掺入1~2kg。

7.根据权利要求6所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step4中，细质颗粒浆料为比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液。

8.根据权利要求7所述的采动高位破裂空间注浆修复方法，其特征在于，Step4中，注浆的具体的方法为：

Step4.1、二号水平定向钻孔布置完成后，在二号水平定向钻孔的孔道内布置注浆管道，第一个注浆孔位于开切眼40m处，首先注入比重为1.4~1.6水泥粉煤灰混合浆液掺入4~6mm的大颗粒骨料，待持续注入2h，若注浆压力为0，则改用粒径为2~3mm富含纤维的骨料掺入水泥粉煤灰混合浆液进行注浆；

Step4.2、持续注入掺有富含纤维骨料的水泥粉煤灰混合浆液直到注浆压力上升，继续采用掺有大颗粒骨料的水泥粉煤灰混合浆液进行注浆，当浆液压力上升至1~2MPa时，采用水泥和水玻璃调制而成的快速凝固混合浆液进行注浆，直至浆液压力上升则停止注浆；

Step4.3、高位离层区注浆完毕后，进行裂隙带离层区的注浆，直接注入比重为1.1~1.3的水泥粉煤灰混合浆液，待注浆压力开始上升时停止注浆。

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