CN115288689A - 一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法，对四含及其底部基岩风化带进行注浆改造，阻隔含水层径流、补给条件，使含水层变为隔水层或接近疏干的Ⅲ类水体，设计上行式控水开采巷道布置方式，新增采煤工作面，增加防隔水煤柱的回收。本发明可为松散含水层下薄基岩煤炭资源绿色安全高效开采提供重要技术保障，使得“四含”煤柱资源予以解放，并且可以缓和矿井采掘接替、延长矿井服务年限，其经济效益和社会效益非常可观。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤柱回收方法，尤其涉及一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法。
背景技术
矿井突水溃砂是煤矿安全生产中的重大灾害之一。近年来，随着科学技术稳步提升，矿井水害整体发生次数及规模得到了有效控制，但在大规模机械化掘进和采煤时，却易诱发近含水薄基岩煤层开采突水事故。传统的地质采矿理论认为：厚松散含水层下薄基岩煤层距新地层底部含水层近，受沉积水环境和风化损伤的共同影响，煤层顶板岩层裂隙发育，岩体孔隙率高，岩体的自稳性差、顶板难以管理，煤层开采后上覆岩层的垮落带和导水裂隙带往往会波及到底部弱至中等含水层，容易诱发突水溃砂事故，危及矿井安全生产。按现行规定，厚松散含水层下需留设大量防隔水煤柱保证煤矿安全生产，然而，留设大量防隔水煤柱的方式造成了煤炭资源严重损失，其经济技术合理性也受到严重质疑。为有效解决煤炭资源浪费的问题，亟需提供一种可有效实现防隔水煤柱回收的方法。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法，对四含及其底部基岩风化带进行注浆改造，阻隔含水层径流、补给条件，使含水层变为隔水层或接近疏干的Ⅲ类水体，设计上行式控水开采巷道布置方式，新增回采工作面，增加防隔水煤柱的回收。
进一步地，具体包括以下步骤：
(1)对地面进行钻孔，采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙；
(2)确定钻孔间距并合理分配检查孔、治理孔；
(3)通过地面钻孔将浆液高压注入四含及其底部基岩风化带，以达到挤出四含水、固结砂层的作用；
(4)通过对注浆改造效果检验进一步将含水层变为隔水层或接近疏干的Ⅲ类水体，解放浅部四含煤柱资源；
(5)依据注浆改造效果，明确注浆后松散层的含水性及阻隔水能力，布置工作面的长度及煤柱回采高度，增加煤柱资源回收。
进一步地，转变控水开采巷道布置方式为上行式开采，采用沿空留巷的工作面巷道布置方式，保留先期开采工作面的风巷为新增采煤工作面的机巷，减少巷道掘进费用、提高煤柱回收率。
进一步地，钻孔采用二开孔身结构，一开段至四含顶界面，二开段为治理段，单位段长4～6m，终孔位置必须进入基岩以下10m。
进一步地，结合注浆工程中浆液的扩散范围确定的钻孔间距，根据治理区预设钻孔数量，分配注前检查孔、治理孔、注后检查孔。
进一步地，采用劈裂注浆法，连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对四含及其底部基岩风化带进行注浆变性改造。
进一步地，注浆改造效果检验方式包括压水试验、抽水试验、水位观测、终孔注浆Q-P曲线以及注后取芯检查孔探查。
本发明公开了一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法，通过地面直孔结合定向斜孔采用劈裂注浆法，连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对“四含”及其底部基岩风化带进行注浆变性改造，实现了上覆松散含水层薄基岩煤层开采水害防治由过程治理为主向源头预防为主转变，由措施治理为主向工程治理为主转变，创新出一条松散含水层注浆改造薄基岩煤层绿色安全高效可持续开采新路。本发明可为松散含水层下薄基岩煤炭资源绿色安全高效开采提供重要技术保障，使得“四含”煤柱资源予以解放，并且可以缓和矿井采掘接替、延长矿井服务年限，其经济效益和社会效益非常可观。
附图说明
图1为传统下行式控水开采巷道布置方式剖面示意图。
图2为本发明创新设计的上行式控水开采巷道布置方式剖面示意图。
图中：1、松散层；2、四含；3、基岩风化带；4-1、改造前防隔水煤柱；4-2、改造后防塌煤柱；5、风巷；6、机巷；7、工作面一；8、工作面二；9、工作面二的垮落带；10、工作面二的导水裂隙带；11、工作面一的垮落带；12、工作面一的导水裂隙带；
13、治理区；14、新增采煤工作面；15、新增风巷；16、新增采煤工作面的垮落带；17、新增采煤工作面的导水裂隙带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法，针对现有的厚松散含水层下需留设大量防隔水煤柱所造成的煤炭资源浪费问题，根据近含水层薄基岩煤层的地质条件，基于一种高效可回流注浆管通过地面钻孔对工作面上覆松散层“四含”及其底部基岩风化带进行劈裂、扩散、渗透、压密变性注浆改造，促使松散破碎岩体胶结成整体，提高岩体黏聚力与内摩擦角，改变含水颗粒占比结构，阻隔含水层径流、补给条件，使含水层变为隔水层或等效隔水层，使Ⅰ类、Ⅱ类水体转变为Ⅲ类水体，并依据资源-环境和谐开发原理，控制工作面涌水量大小、涌水形式、矿井排水能力与资源环境承载能力相匹配，达到注浆加固封堵水源的目的。
对于本发明所公开的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其改造的目的层是“四含”及其底部基岩风化带，其改造的目标是解放“四含”煤柱资源，具体包括以下步骤：
(1)对地面进行钻孔，采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙；
钻孔采用二开孔身结构，一开段至四含顶界面，水泥固井，二开段为治理段，单位段长4-6m，以5m左右为宜，分段下行式注浆治理，终孔位置必须进入基岩以下10m；对于孔径大小，根据实际工程设计一开段、二开段的孔径大小；
(2)确定钻孔间距并合理分配检查孔、治理孔，结合注浆工程中浆液的扩散范围确定合理的钻孔间距，根据治理区预设钻孔数量，合理分配注前检查孔、治理孔、注后检查孔；
(3)通过地面钻孔将按设计参数配制好的浆液高压注入“四含”及其底部基岩风化带，以达到挤出“四含”水、固结砂层的作用；
采用一种高效可回流注浆管进行劈裂注浆，利用连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对“四含”及其底部基岩风化带进行注浆变性改造；
(4)注浆改造效果检验：通过压水试验、抽水试验、水位观测、终孔注浆Q-P曲线以及注后取芯检查孔探查等检验注浆改进效果，从而尽可能的将含水层变为隔水层或等效隔水层，Ⅰ类、Ⅱ类水体转变为接近疏干的Ⅲ类水体，以解放浅部“四含”煤柱资源；
(5)依据注浆改造效果，明确注浆后松散层的含水性及阻隔水能力，合理布置工作面的长度及煤柱回采高度，由于将注浆改造后，治理区四含转变为控水隔灾关键层，使得工作面的布设数目会增多，在确保安全的前提下，尽可能多的回收煤柱资源；
(6)转变控水开采巷道布置方式为上行式开采，创新设计控水开采巷道布置方式，将开采方式由传统的下行式开采转变为上行式开采，并采用沿空留巷的采区巷道布置方式，保留先期开采工作面的风巷作为新增采煤工作面的机巷，减少巷道掘进费用、提高煤柱回收率。
由此，针对现有技术中，薄基岩煤层上覆松散含水层注浆前，导水裂隙带不能波及至基岩风化带，导致工作面上方遗留了大量煤炭资源，煤炭资源浪费非常严重的问题；本发明通过注浆改造并创新设计控水开采巷道布置方式，使工作面布置数目增多，新增了采煤工作面，布置方式由下行式转为上行式，新增工作面垮落带接近至基岩风化带底部，所留设煤柱由原来的防隔水煤柱转变为防塌煤柱，煤炭资源回收率显著提高，实现了上覆松散含水层薄基岩煤层开采水害防治由过程治理为主向源头预防为主转变，由措施治理为主向工程治理为主转变，创新设计出一条松散含水层注浆改造薄基岩煤层绿色安全高效可持续开采的新道路。
如图1所示，为传统下行式控水开采巷道布置方式示意图；煤柱4-1上方自下而上分布有基岩风化带3、四含2、松散层1，未对“四含”进行注浆改造前，通常采用传统的下行式开采方式，工作面一7对应的导水裂隙带12高度h2不能波及至基岩风化带，此间还需留设高度为h4的保护层带，此时留设的防隔水煤柱4-1垂高应为导水裂隙带、保护层带2部分之和，即h2+h4，可以看到防隔水煤柱4-1的垂高较大，煤炭资源浪费非常严重。h1为工作面二的导水裂隙带10的高度，相应的，9为工作面二的垮落带。
如图2所示，为本发明创新设计的上行式控水开采巷道布置方式示意图；在煤柱4-2上方同样自下而上分布有基岩风化带3、四含2、松散层1，经“四含”注浆改造后，实现了“四含”水挤出、固结砂层的作用；治理区13为控水隔灾关键层，其强度及阻隔水能力均发生了显著提升。基于此，创新设计了上行式开采方式，新增了采煤工作面14，其对应的新增采煤工作面的导水裂隙带17高度h4可波及至疏干的松散层“四含”，同时允许垮落带接近注浆改造后的基岩风化带底部，经注浆改造，所留设煤柱由原来的防隔水煤柱转变为防塌煤柱，可以看到改造后防塌煤柱4-2的垂高为h6(也为新增工作面14垮落带高度)，经改造后遗留保护煤柱垂高由原来的h2+h4(防隔水煤柱)变为了h6(防塌煤柱)，遗留保护煤柱明显缩小，资源回收率显著提高。对于区段巷道布置：回采工作面一7时，5a、6分别为风巷和机巷，回采新增采煤工作面14时，采用沿空留巷的工作面巷道布置方式，保留了工作面一7的风巷为新增采煤工作面14的机巷5a，15则对应的是新增采煤工作面14的新增风巷。相应的，16、17是由新增工作面开采导致的垮落带和导水裂隙带。
由此可知，经注浆改造后，治理区四含转变为控水隔灾关键层，开采方式由下行式开采转为上行式，新增了回采工作面回收了防隔水煤柱。
对于本发明所公开的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，与现有技术相比，具有以下技术优势：
1)研发受水困煤层绿色开采技术，通过措施防范向工程治理转变，确保安全开采，针对传统的松散含水层下薄基岩煤层采用井下穿层钻孔进行疏放速度慢、效果差等特点，煤层开采前，采用地面钻孔高压连续与间歇注浆相结合，变含水层为隔水层，彻底消除水害隐患，实现源头治理，为矿井安全性建设提供保障。
2)将含水层注浆改造为隔水层或等效隔水层，通过地面钻探、注浆使松散含水层吕荣值、单位吸水率、渗透系数降低，隔断含水层内部的水力联系，弱化径、补、排条件，变含水层为隔水层或等效隔水层。
3)通过新增回采工作面，创新设计采区巷道布置方式，使防隔水煤柱尺寸明显缩小，提高资源回收率，并减少巷道掘进费用，具有更好的经济效益。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：对四含及其底部基岩风化带进行注浆改造，阻隔含水层径流、补给条件，使含水层变为隔水层或接近疏干的Ⅲ类水体，设计上行式控水开采巷道布置方式，新增回采工作面，增加防隔水煤柱的回收。
2.根据权利要求1所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)对地面进行钻孔，采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙；
(2)确定钻孔间距并合理分配检查孔、治理孔；
(3)通过地面钻孔将浆液高压注入四含及其底部基岩风化带，以达到挤出四含水、固结砂层的作用；
(4)通过对注浆改造效果检验进一步将含水层变为隔水层或接近疏干的Ⅲ类水体，解放浅部四含煤柱资源；
(5)依据注浆改造效果，明确注浆后松散层的含水性及阻隔水能力，布置工作面的长度及煤柱回采高度，增加煤柱资源回收。
3.根据权利要求2所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：转变控水开采巷道布置方式为上行式开采，采用沿空留巷的工作面巷道布置方式，保留先期开采工作面的风巷为新增采煤工作面的机巷，减少巷道掘进费用、提高煤柱回收率。
4.根据权利要求2或3所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：钻孔采用二开孔身结构，一开段至四含顶界面，二开段为治理段，单位段长4～6m，终孔位置必须进入基岩以下10m。
5.根据权利要求4所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：结合注浆工程中浆液的扩散范围确定的钻孔间距，根据治理区预设钻孔数量，分配注前检查孔、治理孔、注后检查孔。
6.根据权利要求5所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：采用一种高效可回流注浆管进行劈裂注浆，利用连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对四含及其底部基岩风化带进行注浆变性改造。
7.根据权利要求6所述的基于四含注浆改造的煤柱回收方法，其特征在于：注浆改造效果检验方式包括压水试验、抽水试验、水位观测、终孔注浆Q-P曲线以及注后取芯检查孔探查。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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