CN116816429A - 预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法 - Google Patents
预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及煤矿充填开采领域，具体为一种预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，将厚硬岩层沿倾向间隔压裂出若干沿走向贯通的第一压裂缝，所述第一压裂缝的倾向施工范围在垮落线与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间；将厚硬岩层沿走向间隔压裂出若干沿倾向贯通的第二压裂缝，所述第二压裂缝沿倾向的范围在采煤工作面倾向边界之间；且所述压裂缝不超过厚硬岩层顶界，并预留一定厚度的缓冲区。从而实现对厚硬岩层走向破断位置、倾向破断位置的控制，进而实现对注浆层位离层生成的控制，实现均衡注浆。本发明可以在尽可能减少水力压裂工程量的基础上，最好的弱化厚硬岩层以适用于覆岩离层注浆充填工程。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿充填开采领域，具体为一种预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，尤其适用于煤矿充填开采中在注浆层位与开采煤层之间存在一层或多层厚硬岩层的工况条件。
背景技术
覆岩隔离注浆充填技术属于绿色开采体系中的部分充填技术，以其采充干扰小、充填成本低、工艺简单、控制效果好等优势大量应用于煤矿企业的压煤开采，在解决生产接替的同时保障了采煤工作面上方含水层及建(构)筑物安全。其技术基本原理为在相邻工作面间科学布设一定宽度的隔离煤柱，使回采工作面处于非充分采动状态，在地面(工作面上方)布置注浆钻孔对采动覆岩离层进行高压注浆充填，注浆压力对离层下方的采空区碎裂岩体产生压实作用，在压力作用下形成压实区，与工作面间留设的隔离煤柱形成联合承载结构，控制覆岩关键层的变形和破断，进而有效控制地表沉陷，该方法的核心在于充分利用了覆岩移动规律。
在覆岩隔离注浆充填技术推广和应用中，常遇到在主注浆层位与开采煤层之间存在一层或多层厚硬岩层的情况，此类工况下的厚硬岩层的极限破断步距较大，工作面回采初期注浆层位下方岩层不发生破断，注浆空间有限，进浆量较少。而达到极限破断步距后，工作面与注浆层位之间的岩层发生破断，注浆层位的空间急剧增大，注浆系统充填能力无法短时间供给致使覆岩关键层极易失稳破断，导致地表沉陷速度突增，注浆控制效果大打折扣。
充填工作面均衡充填是注浆控制效果的关键，对于注采比的调控、覆岩关键层的控制效果均十分重要，因此，针对在主注浆层位与开采煤层之间存在一层或多层厚硬岩层的工况，亟需确定一种预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法。
目前，该领域对应的此类工况下未见可用于预压裂注浆层位与采煤工作面间坚硬岩层保证覆岩注浆充填均衡的方法。针对该问题的处置一般是加大地面注浆泵量，依靠注浆压力对注浆层位下方的厚硬岩层施加载荷。造成地面泵站负荷过大，充填钻孔孔底易堵塞，注浆层位上移等问题，最终导致覆岩控制效果较差。因此，绝大多数情况下该方法是行不通的。
发明内容
针对采煤工作面与预设注浆层位之间存在厚硬岩层，影响覆岩离层注浆充填的连续注浆充填与沉陷控制的不足，本发明提出预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，能够实现连续均衡注浆，实现注浆充填量可控、沉陷控制可控的效果，具体包括如下步骤：
a.对于需要覆岩注浆充填的采煤工作面，选定注浆层位，所述注浆层位位于关键层下部，确定注浆层位下部的厚硬岩层位置及厚度；
b.超前采煤工作面的回采位置，施工第一压裂钻孔至厚硬岩层内部，第一压裂钻孔能够将厚硬岩层沿倾向间隔压裂出若干沿走向贯通的第一压裂缝，所述第一压裂缝的倾向施工范围在垮落线与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间；所述第一压裂钻孔终孔位置不超过厚硬岩层顶界，并预留一定厚度的缓冲区；
c.超前采煤工作面的回采位置，施工第二压裂钻孔至厚硬岩层内部，第二压裂钻孔将厚硬岩层沿走向间隔压裂出若干沿倾向贯通的第二压裂缝，所述第二压裂缝沿倾向的范围在采煤工作面倾向边界之间；所述第二压裂钻孔终孔位置不超过厚硬岩层顶界，并预留一定厚度的缓冲区；
d.紧贴第一压裂钻孔、第二压裂钻孔内壁固定并安装钢制套管，在第一压裂钻孔、第二压裂钻孔和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管；
e.进行采煤工作面的回采工作，超前采煤工作面的回采位置对第一压力钻孔、第二压裂钻孔进行水力压裂工作；
f.在地面建设注浆系统，施工注浆钻孔至注浆层位，制作煤矸石浆液，通过注浆钻孔向注浆层位不间断注浆充填；
g.重复步骤b-f直至采煤工作面回采与覆岩注浆充填完毕。
优选的，步骤b-c中，自采煤工作面的两侧回采巷道内施工第一压裂钻孔、第二压裂钻孔。
优选的，步骤b-c中，施工第一压裂钻孔、第二压裂钻孔过程中将孔内岩屑清理干净。
优选的，步骤b中，沿采煤工作面走向间隔成排布置第一压裂钻孔，每排第一压裂钻孔在同一倾向剖面上，第一压裂钻孔孔底沿倾向间距相同。
优选的，步骤c中，沿采煤工作面走向间隔成排布置第二压裂钻孔，每排第二压裂钻孔在同一倾向剖面上，第二压裂钻孔孔底沿倾向间距相同。
优选的，步骤c中，当存在多层厚硬岩层时，每层厚硬岩层的第二压裂缝沿走向交错布置。
优选的，步骤f中，其中煤矸石浆液为矸石经过粉碎、球磨、塔磨方法制备成的粉体物料与水混合后制成的浆液。
本发明的关键技术手段以及有益效果如下：
1.本发明针对注浆层位与工作面之间存在厚硬岩层的情况，提出的预压裂方式包括，施工沿走向延伸的第一压裂缝，所述第一压裂缝的倾向施工范围在垮落线与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间，目的在于减少厚硬岩层的倾向垮落间距，同时破坏层内厚硬岩层破断块之间的咬合关系(工作面倾向两侧同一层位岩层的下沉量并不相同形成砌体梁咬合关系)，因为厚硬岩层破断后若咬合关系紧密，其仍然不会垮落，挠度下沉下，仍然不利于注浆层位离层的生成，后期若咬合关系破坏又会大范围垮落，使得注浆系统充填能力不匹配；而中部的在垮落线与注浆层位交点之间的厚硬岩层根据注浆充填压实区的概念选择不压裂，因为此处的厚硬岩层会整体均匀下沉，不产生垂直方向的交错下沉，这样可以减少压裂工作。
还包括沿倾向延伸沿走向间隔布置的第二压裂缝，其目的在于减少厚硬岩层沿走向的破断步距。综上可以在尽可能减少水力压裂工程量的基础上，最好的弱化厚硬岩层。
2.本发明提出厚硬岩层压裂时不纵向贯通压裂，保留一定的缓冲层，传统水力压力会纵向贯通，但是这使得厚硬岩层的下沉不可控，短时间大范围下沉，使得注浆系统充填能力不匹配，而保留一定厚度的缓冲层后，相当于把厚硬岩层改性成普通厚度岩层，从而使得原厚硬岩层像常规岩层一样均衡垮落，进而实现均衡注浆。
附图说明
图1是本发明预压裂坚硬岩层的第一压裂钻孔在岩层倾向剖面的布置示意图；
图2是本发明预压裂坚硬岩层的第二压裂钻孔在岩层倾向剖面的布置示意图；
图中：1－注浆钻孔；2－关键层；3－注浆层位(离层)；4－缓冲区；5－厚硬岩层；6－第一压裂钻孔；7－第二压裂钻孔；8－回采巷道；9－垮落线；10－采煤工作面；11－注浆系统；12－监测装置。
具体实施方式
实施煤矿覆岩隔离注浆充填过程中常遇到在注浆层位与开采煤层(尤其是垮落带)之间存在一层或多层厚硬岩层的情况，此类工况下的厚硬岩层的极限破断步距较大，达到极限破断步距后，造成注浆层位的离层空间急剧增大，注浆系统充填能力无法短时间供给至全部新产生的离层空间，致使覆岩关键层下沉挠度增大甚至失稳破断，导致地表沉陷速度与沉陷量突增。对此，本发明提出的预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，在不影响覆岩注浆充填和工作面回采的基础上，保证不间断进行充填开采，进而达到理想的地表减沉控制效果；本发明通过预压裂注浆层位和采煤工作面之间厚硬岩层，减小/控制厚硬岩层极限破断步距，使覆岩厚硬结构提前均匀破断(破断步距与常规岩层相同)，实现注浆层位新增可注浆充填空间可控，确保在短期内可将形成的离层空间充满，保证关键层的稳定性和注浆控制效果，即精准地控制厚硬岩层的破断步距和充填离层空间的发育速度从而达到均衡注浆充填的目的。此外，施工多组压裂钻孔使得垮落带碎裂岩体应力分布发生了改变，提升了覆岩注浆充填对垮落带碎裂岩体的压实效果，对注浆充填控制起到了进一步的积极作用。
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。
实施例一
如图1-2所示，对于注浆层位3与开采煤层(尤其是垮落带)之间存在一层厚硬岩层条件，本发明的预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，包括如下步骤：
a.对于需要覆岩注浆充填的采煤工作面10，选定注浆层位3，所述注浆层位3位于某一关键层2下部，确定注浆层位3下部的厚硬岩层5位置及厚度；
b.超前采煤工作面10的回采位置，自采煤工作面10的两侧回采巷道8施工第一压裂钻孔6至厚硬岩层5内部，第一压裂钻孔6将厚硬岩层5沿倾向间隔压裂出若干沿走向贯通(采煤工作面8推进方向)的第一压裂缝，多个所述第一压裂缝沿倾向的范围在垮落线9(垮落岩层与不垮落煤层的分界线)与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间(压裂范围、施工范围)；所述第一压裂钻孔6终孔位置不超过厚硬岩层5顶界，并预留厚度不超过5m的缓冲区4；施工第一压裂钻孔6过程中务必将孔内岩屑清理干净；
其中，所述第一压裂钻孔6的布置方式可以是：沿采煤工作面10走向间隔成排布置第一压裂钻孔6，每排第一压裂钻孔6在同一倾向剖面上，第一压裂钻孔6孔底沿倾向间距相同；
可选的，所述第一压裂钻孔6的布置方式可以是：沿采煤工作面10走向隔成组布置第一压裂钻孔6，每组第一压裂钻孔6包括自垂直方向向采煤工作面方向分布的若干排，每排第一注浆压裂钻孔6成扇形分布(沿每排钻孔的剖面方向，其中垂直方向的第一压裂钻孔为沿走向的垂直剖面)，所有排的对应位置的第一压裂钻孔6在同一倾向剖面上，在同一倾向剖面上的第一压裂钻孔6孔底沿倾向间距相同，在同一排的压裂钻孔6孔底沿走向向间距相同；
c.超前采煤工作面10的回采位置，自采煤工作面10的两侧回采巷道8施工第二压裂钻孔7至厚硬岩层5内部，第二压裂钻孔7将厚硬岩层5沿走向间隔压裂出若干沿倾向贯通(垂直于采煤工作面8推进方向)的第二压裂缝，所述第二压裂缝沿倾向的范围在采煤工作面倾向边界之间(与采煤工作面等宽)；所述第二压裂钻孔7终孔位置不超过厚硬岩层5顶界，并预留厚度不超过5m的缓冲区4；施工第二压裂钻孔7过程中务必将孔内岩屑清理干净；所述第二压裂缝沿走向间距不超过20m；
其中，所述第二压裂钻孔7的布置方式可以是：沿采煤工作面10走向间隔成排布置第二压裂钻孔7，每排第二压裂钻孔7在同一倾向剖面上，第二压裂钻孔7孔底沿倾向间距相同；
d.紧贴第一压裂钻孔6内壁固定并安装钢制套管，在第一压裂钻孔6和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管，保障压裂位置不卸压，并在孔口处安装监测装置12；紧贴第二压裂钻孔7内壁固定并安装钢制套管，在第二压裂钻孔7和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管，保障压裂位置不卸压，并在孔口处安装监测装置12；
所述监测装置12包括压力监测模块、漏失量监测模块及耐高压封口阀模块，最大程度上确保压裂的准确性，保障厚硬岩层5压裂效果；
e.进行采煤工作面10的回采工作，超前采煤工作面10的回采位置对第一压力钻孔6、第二压裂钻孔7进行水力压裂工作，在厚硬岩层5内形成压裂缝，同时保证厚硬岩层存在缓冲层4；
f.在地面建设注浆系统11，施工注浆钻孔1至注浆层位3，制作煤矸石浆液，通过注浆钻孔1向注浆层位3不间断注浆充填，其中煤矸石浆液为矸石经过粉碎、球磨、塔磨方法制备成的粉体物料与水混合后制成的浆液；
在水力压裂过程中根据压力监测模块和漏失量监测模块的监测情况对厚硬岩层5的压裂状态进行判断，当压力值突降或突然出现大量漏失时，说明注浆层位3与采煤工作面10之间的厚硬岩层5已被压裂贯通至注浆层位，因此立即终止该压裂钻孔的水力压裂工作并关闭耐高压封口阀，防止由于压裂缝沟通注浆层位导致煤矸石浆液向回采巷道8扩散；
g.重复步骤b-f直至采煤工作面10回采与覆岩注浆充填完毕。
实施例二
对于注浆层位3与开采煤层(尤其是垮落带)之间存在多层厚硬岩层条件，本发明的预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，包括如下步骤：
a.对于需要覆岩注浆充填的采煤工作面10，选定注浆层位3，所述注浆层位3位于某一关键层2下部，确定注浆层位3下部的厚硬岩层5位置及厚度；
b.超前采煤工作面10的回采位置，自采煤工作面10的两侧回采巷道8施工第一压裂钻孔6至每层厚硬岩层5内部，第一压裂钻孔6将每层厚硬岩层5沿倾向间隔压裂出若干沿走向贯通(采煤工作面8推进方向)的第一压裂缝，每层厚硬岩层内多个所述第一压裂缝沿倾向的范围在垮落线9与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间(压裂范围、施工范围)；所述第一压裂钻孔6终孔位置不超过所在层厚硬岩层5顶界，并预留厚度不超过5m的缓冲区4；施工第一压裂钻孔6过程中务必将孔内岩屑清理干净；
其中，每层厚硬岩层的第一压裂缝倾向间距可以相同，也可以自上而下逐渐减小(指不同厚硬岩层之间)；
其中，所述第一压裂钻孔6的布置方式可以是：沿采煤工作面10走向间隔成排布置第一压裂钻孔6，每排第一压裂钻孔6在同一倾向剖面上；第一压裂钻孔6孔底在同一层厚硬岩层内沿倾向间距相同；不同层位厚硬岩层的第一压裂钻孔6沿走向交错布置或者对应排布置在同一倾向剖面；
c.超前采煤工作面10的回采位置，自采煤工作面10的两侧回采巷道8施工第二压裂钻孔7至每层厚硬岩层5内部，第二压裂钻孔7将每层厚硬岩层5沿走向间隔压裂出若干沿倾向贯通(垂直于采煤工作面8推进方向)的第二压裂缝，所述第二压裂缝沿倾向的范围在采煤工作面倾向边界之间(与采煤工作面等宽)；所述第二压裂钻孔7终孔位置不超过所在层厚硬岩层5顶界，并预留厚度不超过5m的缓冲区4；施工第二压裂钻孔7过程中务必将孔内岩屑清理干净；每层厚硬岩层内所述第二压裂缝沿走向间距不超过20m；
其中，多层厚硬岩层的第二压裂缝可以位于同一垂直剖面，也可以沿走向交错布置，并优选位于同一垂直剖面的布置方式；
其中，所述第二压裂钻孔7的布置方式可以是：沿采煤工作面10走向间隔成排布置第二压裂钻孔7，每层厚硬岩层对应排的第二压裂钻孔7在同一倾向剖面上或者多层厚硬岩层的第二压裂钻孔7交错布置，每层厚硬岩层中第二压裂钻孔7孔底沿倾向间距相同；
d.紧贴第一压裂钻孔6内壁固定并安装钢制套管，在第一压裂钻孔6和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管，保障压裂位置不卸压，并在孔口处安装监测装置12；紧贴第二压裂钻孔7内壁固定并安装钢制套管，在第二压裂钻孔7和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管，保障压裂位置不卸压，并在孔口处安装监测装置12；
所述监测装置12包括压力监测模块、漏失量监测模块及耐高压封口阀模块，最大程度上确保压裂的准确性，保障厚硬岩层5压裂效果；
e.进行采煤工作面10的回采工作，超前采煤工作面10的回采位置对第一压力钻孔6、第二压裂钻孔7进行水力压裂工作，在每层厚硬岩层5内形成压裂缝，同时保证每层厚硬岩层存在缓冲层4；
f.在地面建设注浆系统11，施工注浆钻孔1至注浆层位3，制作煤矸石浆液，通过注浆钻孔1向注浆层位3不间断注浆充填，其中煤矸石浆液为矸石经过粉碎、球磨、塔磨方法制备成的粉体物料与水混合后制成的浆液；
在水力压裂过程中根据压力监测模块和漏失量监测模块的监测情况对厚硬岩层5的压裂状态进行判断，当压力值突降或突然出现大量漏失时，说明注浆层位3与采煤工作面10之间的岩层已被完全贯通(压裂缝过大)，此时应立即终止该压裂钻孔的水力压裂工作并关闭耐高压封口阀，防止由于压裂缝沟通注浆层位导致煤矸石浆液向回采巷道8扩散；
g.重复步骤b-f直至采煤工作面10回采与覆岩注浆充填完毕。
虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.预压裂坚硬岩层的煤矸石浆液覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.对于需要覆岩注浆充填的采煤工作面，选定注浆层位，所述注浆层位位于关键层下部，确定注浆层位下部的厚硬岩层位置及厚度；
b.超前采煤工作面的回采位置，施工第一压裂钻孔至厚硬岩层内部，第一压裂钻孔能够将厚硬岩层沿倾向间隔压裂出若干沿走向贯通的第一压裂缝，所述第一压裂缝的倾向施工范围在垮落线与注浆层位的交点和采煤工作面倾向边界之间；所述第一压裂钻孔终孔位置不超过厚硬岩层顶界，并预留一定厚度的缓冲区；
c.超前采煤工作面的回采位置，施工第二压裂钻孔至厚硬岩层内部，第二压裂钻孔将厚硬岩层沿走向间隔压裂出若干沿倾向贯通的第二压裂缝，所述第二压裂缝沿倾向的范围在采煤工作面倾向边界之间；所述第二压裂钻孔终孔位置不超过厚硬岩层顶界，并预留一定厚度的缓冲区；
d.紧贴第一压裂钻孔、第二压裂钻孔内壁固定并安装钢制套管，在第一压裂钻孔、第二压裂钻孔和钢制套管的间隙充填速凝水泥以固定钢制套管；
e.进行采煤工作面的回采工作，超前采煤工作面的回采位置对第一压力钻孔、第二压裂钻孔进行水力压裂工作；
f.在地面建设注浆系统，施工注浆钻孔至注浆层位，制作煤矸石浆液，通过注浆钻孔向注浆层位不间断注浆充填；
g.重复步骤b-f直至采煤工作面回采与覆岩注浆充填完毕。
2.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤b-c中，自采煤工作面的两侧回采巷道内施工第一压裂钻孔、第二压裂钻孔。
3.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤b-c中，施工第一压裂钻孔、第二压裂钻孔过程中将孔内岩屑清理干净。
4.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤b中，沿采煤工作面走向间隔成排布置第一压裂钻孔，每排第一压裂钻孔在同一倾向剖面上，第一压裂钻孔孔底沿倾向间距相同。
5.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤c中，沿采煤工作面走向间隔成排布置第二压裂钻孔，每排第二压裂钻孔在同一倾向剖面上，第二压裂钻孔孔底沿倾向间距相同。
6.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤c中，当存在多层厚硬岩层时，每层厚硬岩层的第二压裂缝沿走向交错布置。
7.根据权利要求1所述的覆岩均衡注浆充填方法，其特征在于：步骤f中，其中煤矸石浆液为矸石经过粉碎、球磨、塔磨方法制备成的粉体物料与水混合后制成的浆液。
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