CN115288632B - 一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 - Google Patents
一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115288632B CN115288632B CN202210829057.7A CN202210829057A CN115288632B CN 115288632 B CN115288632 B CN 115288632B CN 202210829057 A CN202210829057 A CN 202210829057A CN 115288632 B CN115288632 B CN 115288632B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- section
- layer
- grouting
- distance
- hole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000005553 drilling Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000005065 mining Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 7
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 7
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 5
- 239000003245 coal Substances 0.000 abstract description 27
- 238000009270 solid waste treatment Methods 0.000 description 5
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
- E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
- E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
- E21F15/00—Methods or devices for placing filling-up materials in underground workings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
- Drilling And Exploitation, And Mining Machines And Methods (AREA)
Abstract
本发明涉及一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法。包括：一开AC段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。AB段处在表土层移动面GN运移区的不安全范围内，BK段处在表土层移动面GN运移区的安全范围内，KC段入完整基岩10～20m，AC段下入套管固孔；二开CM段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段EO的厚度，处在岩石移动角δ移动面NE的安全范围内，从M至孔口A，下入套管固孔；和三开MF段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底F超前E点水平距为L1，垂距为h3，可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段EO随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻孔的设计方法，特别是一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法。
背景技术
在煤矿离层等注浆充填(地面减沉、保水采煤(上部覆岩水)、防冲击地压、地基增强、固废处理、煤层底板水防突等)工程(以下简称注浆工程)的施工中，注浆工期一般较长，少则3、4个月，多则1年以上；注浆量大，少则10万多吨，多则100多万吨或更多的充填料，目前充填料主要是矸石和粉煤灰。
离层注浆根据工作面注浆位置的不同，有局部工作面的开放式注浆和全部工作面的封闭式注浆，该设计适用于局部工作面开放式离层注浆首排钻孔或受地面构筑物限制而设计的定向钻孔。
注浆充填过程是一个矿井下采煤，煤层上覆岩层运移，在主(或亚)关键层(以下简称关键层)下，由下往上呈跳跃式产生离层，通过地面建立的钻孔注浆通道将浆液充填到设计的离层空间，支撑目标关键层，采煤与注浆两者相对同步距进行、动态配合，达到一个动态的空间平衡置换，阻止目标关键层随着煤层开采，顺采煤方向上发生阶段性“砌体梁”式破坏，进而达到地面减沉、保水采煤(上部覆岩水)、防冲击地压、地基增强、固废处理、煤层底板水防突等工程目的。
离层的形成滞后于采煤的掘进，相对同步距、延时、同方向进行；离层注浆是按设计的注采比进行，与采掘空间是一个动态空间平衡置换的过程。
上覆岩层时刻在运移，而注浆的通道是钻孔的套管，套管固孔后则无法运移，若首排注浆钻孔设计不合理，离层形成后若不能及时注浆，易造成注浆孔套管被挤扁变形、拉断、剪切断等严重事故，进而导致上覆地层扒裂、注浆跑浆，工程失败的结果。
注浆工程根据采区工作面的采宽、煤层采高、注浆面长度、浆液扩散半径等因素一般顺采煤掘进方向进行多排注浆孔设计，而首排注浆孔能否在第一时间发现离层、及时注浆且钻孔通道自始至终保持完好至设计的注浆压力及注浆量，关系到工程的成败；现首排注浆孔的设计采用直孔AH、HE、EF三开设计，如图1所示，一开AH段钻入完整基岩2～5m，下入套管固孔；二开HE段钻入目标关键层，AE段下入套管固孔，作为注浆通道；三开EF段，裸孔，为注浆层位。该设计的缺点是目标关键层首注点F的整个钻孔段AF，均在表土层移动面GI、岩层移动面IK的安全范围以外，处在覆岩地层的运移区，存在套管被挤扁变形、拉断、剪切断等的严重安全隐患。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法，它解决了首排注浆钻孔套管被挤扁变形、拉断、剪切断等的严重安全隐患。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：对钻孔孔身进行三开设计，包括：
一开AC段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。AB段处在表土层移动面GN运移区的不安全范围内，BK段处在表土层移动面GN运移区的安全范围内，KC段入完整基岩10～20m，AC段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪等强度足可抵抗表土层GBA的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；
二开CM段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段E0的厚度，处在岩石移动角δ移动面NE的安全范围内，从M至孔口A，下入套管固孔，冗余安全设计，再次增加AC段抵抗表土层GBA的运移破坏；
和三开MF段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底F超前E点水平距为L1，垂距为h3，可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段E0随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
本发明具有下列特点：1)、对钻孔的AC、CM段进行了安全设计，避免了套管的挤扁变形、剪切和拉伸等破坏，保证了注浆通道的畅通，为煤矿离层等注浆充填项目的成功奠定了前提条件；2)、对钻孔的MF段进行了超前距、垂距设计，离层发展到F点后既可被发现，立即注浆，抓住了注浆的最佳时机，阻止了目标关键层保护段随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，为煤矿离层等注浆充填项目的成功奠定了基础；3)、提出了超前距L1、垂距h3的设计取值依据是目标关键层的破断距，并提出了取值范围是目标关键层破断距的1/3～1倍，符合不同埋深关键层的破断距不同的特性；4)、提出了定向方位为平行于采区工作面走向，逆采掘方向；5)、提出了钻孔孔身钻穿完整基岩界面交点K与表土层移动面起算点N的距离为L5，≮3m；钻孔孔身钻穿目标关键层的交点M与基岩移动面起算点E的距离为L2，≮5m；便于施工且安全、经济合理。6)、可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段E0随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为现有技术示意图；
图2为本发明示意主视图；
图3为本发明示意左视图；
图4为本发明实例主视图；
图5为本发明实例左视图。
具体实施方式
如图2、3所示，图中标识解释如下：
h1：第四系、第三系表土层的厚度；若无，该厚度为零，不进行设计。
h2：基岩界面至目标关键层的厚度。
h3：目标关键层至孔底F的垂直距离，为目标关键层破断距的1/3～1倍，在满足h5的前提下，取大值。
h4：注浆层位，为离层或裂隙。
h5：注浆层位与两带(垮落带、裂隙带)之间的安全保护距离，常取h7的5倍，根据地层岩性可适当调整。
h6：两带(垮落带、裂隙带)的发育高度。
h7：煤层采高。
L1，超前距：MF段超目标关键层保护段E点的水平距，为目标关键层破断距的1/3～1倍，h3与L1的长度不一致时，取两者之一的大值。
L2：钻孔孔身钻穿目标关键层与岩石移动角δ移动面NE起算点E的距离，≮5m。
L3：钻孔孔身钻穿目标关键层后MF段的水平距。
L4：目标关键层岩石移动角δ计算岩层移动面NE内的安全距离。
L5：钻孔孔身钻穿第四系、第三系表土层，到达基岩界面，与表土层移动角起算N点后的距离，≮3m。
L6：第四系、第三系表土层N点移动角φ计算移动面GN内的安全距离。
A：为孔口，位于第四系、第三系表土层移动角φ移动面GN起算点N后，距离为L5，为C点垂直对应的A点；若无第四系、第三系表土层，则孔口置于基岩上，位于起算点N点后，距离为L5，为K点。
B：钻孔孔身与第四系、第三系表土层移动角φ移动面GN的交点。
K：钻孔孔身与基岩界面的交点。
C：一开孔底，完整基岩下10～20m。
D：造斜点，定向起始点。
M：二开孔底，钻孔孔身与目标关键层的交点。
F：为孔底，位于目标关键层岩石移动角δ移动面NE起算点E前，平行于采区走向，逆采掘方向，目标关键层下，水平距为L3，垂距为h3。
G：为地表受保护不被破坏安全范围的起算点；若无第四系、第三系表土层，则受保护不被破坏安全范围的起算点为N。
N：第四系、第三系表土层移动角φ计算移动面的起点
E：为目标关键层岩石不受移动角δ破坏安全范围的起算点，也是目标关键层保护段E0的起点。
本发明包括：
一开AC段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和。AB段处在表土层移动面GN运移区的不安全范围内，BK段处在表土层移动面GN运移区的安全范围内，KC段入完整基岩10～20m，AC段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪等强度足可抵抗表土层GBA的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；
二开CM段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段E0的厚度，处在岩石移动角δ移动面NE的安全范围内，从M至孔口A，下入套管固孔，冗余安全设计，再次增加AC段抵抗表土层GBA的运移破坏；
和三开MF段；为定向段，裸孔，注浆层位，孔底F超前E点水平距为L1，垂距为h3，逆采掘方向且平行于工作面走向，
可提前发现离层，即可注浆，阻止目标关键层保护段EO随着煤层开采而发生阶段性“砌体梁”式破坏，使其起到“梁”的作用，支撑上部覆岩地层，达到地面减沉、固废处理等工程目的。
实施例
如图4、5所示，某矿3501采区工作面为保护地面构筑物的沉降破坏，首排离层注浆孔的钻孔设计如下：
一、采区地层概况
依据勘查孔资料，采区地层由老至新叙述如下：
(1)石炭系
上统太原组(C3t)，首采煤层5#煤，厚5.6m，埋深556m.
(2)二叠系
石盒子组(P2s)，亚关键层4层位为灰白色中粒砂岩，厚10m，埋深365m；
(4)第四系(Q)
层厚150m。
二、相关计算
已知：煤层采高5.4m，地层的不同岩层厚度、岩性、体积力、弹性模量、抗拉强度，结合本矿实测资料推算出：
1、两带高度为煤层采高的13倍，即70.2m；
2、安全保护距离为煤层采高的5倍，即27m；
3、取亚关键层4砂岩层为目标关键层，计算该层的破断距为30m；
4、按第四系表土层移动角取45°，岩石移动角取70°，画图，得到N点为150m，E点为78m；
5、设计注浆孔的孔位为N点后5m，垂直对应点A，孔身钻入完整基岩20m及钻穿目标关键层4为E点后5m；超前距为15m和垂距为30m；
6、注浆层位为365～459m，符合两带高度和安全保护距离；
7、孔底F点顶角为60°，方位平行且逆煤层采掘方向，孔深410m，钻孔孔身分段轨迹由定向工程师进行专项孔身轨迹设计。
Claims (1)
1.一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法，其特征在于包括：
一开AC段：为直孔段，段长为第四系、第三系表土层的厚度与10～20m的完整基岩的厚度之和，AB段处在表土层移动面GN运移区的不安全范围内，BK段处在表土层移动面GN运移区的安全范围内，KC段入完整基岩10～20m，钻孔孔身钻穿完整基岩界面交点K与表土层移动面起算点N的距离为L5，≮3m，AC段下入套管固孔，使套管“根”更深，其抗剪强度足可抵抗表土层GBA的运移破坏，若无第四系、第三系表土层，则无该段设计；
二开CM段：为定向段，段长为完整基岩下10～20m至目标关键层保护段E0的厚度，处在岩石移动角δ移动面NE的安全范围内，CM段入目标关键层保护段，钻孔孔身钻穿目标关键层的交点M与基岩移动面起算点E的距离为L2，≮5m，从M至孔口A，下入套管固孔，再次增加AC段抵抗表土层GBA的运移破坏；
和三开MF段：为定向段，裸孔，注浆层位，孔底F超前E点水平距为L1，取值范围为目标关键层破断距的1/3～1倍；垂距为h3，取值范围为目标关键层破断距的1/3～1倍；F点的定向方位为逆采掘方向且平行于工作面走向。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210829057.7A CN115288632B (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210829057.7A CN115288632B (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115288632A CN115288632A (zh) | 2022-11-04 |
| CN115288632B true CN115288632B (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=83822723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210829057.7A Active CN115288632B (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115288632B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107989613A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-05-04 | 太原理工大学 | 一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法 |
| CN108894727A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-27 | 中国矿业大学 | 地面水平定向钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的保水方法 |
| CN110656947A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-01-07 | 中铁隧道局集团有限公司 | 海底基岩凸起段的掘进方法 |
| CN111366129A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-07-03 | 神华神东煤炭集团有限责任公司 | 关键层破断区域确定方法 |
| CN112502663A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-16 | 中国矿业大学 | 基于定向液压机械劈裂技术的帷幕注浆方法 |
| CN113236117A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-08-10 | 北京中煤矿山工程有限公司 | 一种地面与井下联合注浆的西南溶蚀地层井筒防治水方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107083961B (zh) * | 2017-05-10 | 2019-04-26 | 中国矿业大学 | 基于压裂圈的强地压巷道应力转移方法 |
-
2022
- 2022-07-07 CN CN202210829057.7A patent/CN115288632B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107989613A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-05-04 | 太原理工大学 | 一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法 |
| CN108894727A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-27 | 中国矿业大学 | 地面水平定向钻孔注浆封堵覆岩导水裂隙主通道的保水方法 |
| CN110656947A (zh) * | 2019-10-30 | 2020-01-07 | 中铁隧道局集团有限公司 | 海底基岩凸起段的掘进方法 |
| CN111366129A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-07-03 | 神华神东煤炭集团有限责任公司 | 关键层破断区域确定方法 |
| CN112502663A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-16 | 中国矿业大学 | 基于定向液压机械劈裂技术的帷幕注浆方法 |
| CN113236117A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-08-10 | 北京中煤矿山工程有限公司 | 一种地面与井下联合注浆的西南溶蚀地层井筒防治水方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的钻孔原位测试研究;朱卫兵;许家林;施喜书;王晓振;刘文涛;;岩石力学与工程学报;20090215(第02期);第403-409页 * |
| 采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用;吕毅;;煤;20200814(第08期);第28-31页 * |
| 顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究;高亮;张农;吕情绪;;煤炭科学技术;20200815(第08期);第57-62页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115288632A (zh) | 2022-11-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103527198B (zh) | 切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法 | |
| CN110397470A (zh) | 一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法 | |
| CN110242301A (zh) | 一种顶板含水层两步骤注浆改性保水采煤方法 | |
| AU2021453348B2 (en) | Method for preventing and controlling rock bursts in development roadway group | |
| CN104775816B (zh) | 切眼侧局部压煤覆岩隔离注浆充填不迁村开采方法 | |
| Coulter et al. | Effect of jet-grouting on surface settlements above the Aeschertunnel, Switzerland | |
| CN108343418B (zh) | 从地表定向水压致裂预裂基岩控制采动影响范围的方法 | |
| CN110529113B (zh) | 一种深井厚煤层复杂地质条件多因素耦合高应力区过联络巷防冲方法 | |
| CN111878080B (zh) | 煤矿综采工作面的设备回撤及回撤通道自成巷的方法 | |
| CN108361011B (zh) | 从井下巷道定向水力压裂控制采动影响范围的方法 | |
| CN111255453B (zh) | 一种缩小地下采矿区地表沉陷范围的方法 | |
| CN112377193B (zh) | 基于顶板下位关键层断顶卸压的深井小煤柱沿空留巷方法 | |
| CN112576305B (zh) | 工作面离层水害的防治方法 | |
| AU2021106168A4 (en) | High-gas Coal Seam Group Pressure Relief Mining Method Based on Gob-side Entry Retaining in the First Mining Whole Rock Pressure Relief Working Face | |
| CN102587915A (zh) | 人工假顶下诱导崩落采矿方法 | |
| AU2020202743B2 (en) | Strip support method by using filler and residual coal pillar in irregular goaf | |
| CN114856564A (zh) | 一种冲击地压煤层巷道防冲卸压掘进方法 | |
| CN110512588B (zh) | 一种横跨矿区地表拉张裂隙带式保护区的保护方法 | |
| CN115288632B (zh) | 一种防止离层注浆首排钻孔破坏的设计方法 | |
| CN116771348A (zh) | 一种减小末采时大巷动压影响并优化停采线煤柱的方法 | |
| CN112780276A (zh) | 一种注浆改造复合顶板的全闭合爆破卸压结构及自留巷方法 | |
| CN106285777B (zh) | 大水矿山矿房超前放水的方法 | |
| CN113217044B (zh) | 一种深大断层隧道仰斜散射式注浆堵水方法 | |
| CN108625852B (zh) | 短壁开采法回收水体下边角煤开采参数的确定方法 | |
| Karmis et al. | A methodology to assess the potential impacts of longwall mining on streams in the Appalachian Basin |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |