CN117417151A - 一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料及方法，涉及一种保护含水层的隔水层重构注浆材料及方法。属于能够控制凝固时间的流动性浆液，可在煤层采动过程中含水层下方产生的离层及裂隙中充分充填。所述石蜡基注浆材料包括沙漠沙、滑石粉、石蜡，三者混合润滑油后加热搅拌，形成石蜡基注浆材料。本发明在隔水岩层附近实施注浆工程，可在隔水层产生离层期间充填封堵孔隙，注入的浆液以流体形态向裂隙和离层空间中均匀扩散，随后凝固为固体支撑岩层，防止上方岩层继续下移变形，导致含水层再次失水，此时注浆材料和原破损隔水层进行重构形成隔水性更强的新岩层，可长期稳定保护含水层，避免地下水流失。

Description

一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料及方法

技术领域

本发明涉及一种保护含水层的隔水层重构注浆材料及方法，尤其适用于煤层采动需保护上方含水层工况下的采动离层隔水层重构的注浆实施方法。

背景技术

煤层地下开采时，采空区因顶板失去承载作用逐步下沉，上覆岩层将层层逐渐向下弯曲破断直至地表，当岩层中存在天然含水层时，其下方的隔水层将发生变形破坏导致含水层失水致灾。根据岩层运动理论，隔水岩层在工作面推进时将先产生弯曲离层，随后发生破断，因此，如何防止上方岩层继续下移变形，导致含水层再次失水就成为了本领域技术人亟待解决的技术问题。

目前，现有技术中关于含水层注浆封堵或重构技术的研究如专利CN202310279539.4公布了中和渣水泥浆、制备方法及在矿井含水层加固中的应用，该专利施工范围在矿井下顶板附近，施工范围不同，且使用水泥基注浆材料，因水泥凝固时间固定，几乎不受外界因素影响，因此施工距离有限，且水泥材料极易在管道中凝固堵管，不适用长距离输送；专利CN202210791263.3公布了一种采动覆岩完全破断型的含水层动态注浆截流堵水方法，该方法主要描述注浆修复节流的地表施工、钻孔布置位置间距等方法，适用于完全破断的大断层及裂隙范围内的注浆方式，且并未提及使用的注浆材料凝固封堵能力和浆液对含水层的隔水效果；专利CN202210309982.7公布煤基固废覆岩隔离注浆充填保水采煤方法，该方法使用粉煤灰浆液在工作面上方离层区附近实施，与本方法施工范围相同，但是粉煤灰浆液其特性是粉煤灰本身不具有粘结性，需要注入封闭空间后静止沉淀才能起到部分隔水与支撑岩层作用，若注浆空间有裂隙，粉煤灰浆液会随裂隙流出，失去封堵作用。

考虑到现有技术中存在以胶结液体进行渗透注浆的工艺，胶结液体有水泥基、环氧树脂基或熔融蜡等，但施工对象通常为孔隙较发育的松散土体或具有高渗透率开放孔隙的岩石结构，若施工对象埋深较大，渗透性较差时，将难以注入；胶结液体直接注入岩土体，最先接触和渗透的岩土部分受动力粘度影响，将环绕注浆点位形成流速差异较大的渗透屏障，导致后续浆液难以进一步向深处渗透流动，另一方面胶结物直接接触岩土体将触发凝固阈限，例如石蜡类材料接触时局部降温导致凝结，可注范围极其有限。因此，具体如何运用胶结液体解决此类采空区因顶板失去承载作用逐步下沉的技术问题，也就成为了本领域的技术壁垒。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种用于采动离层隔水层重构的石蜡基注浆材料及方法，能够控制凝固时间的流动性浆液，可在煤层采动过程中含水层下方产生的裂隙中充分充填，封堵隔水层附近的裂隙形成密封层，确保含水层水体不再沿导水裂隙带流动，避免煤层采动突水事故。

本发明的技术方案为：所述石蜡基注浆材料包括沙漠沙、滑石粉、石蜡，三者的体积比例为15：1：1~7：1：1，三者混合润滑油后加热搅拌，形成石蜡基注浆材料。

所述沙漠沙的粒径小于0.8mm，所述石蜡为半精炼石蜡，熔点在42℃到50℃之间。

加热搅拌时加热温度不超过180℃。

一种采动离层隔水层重构方法，包括以下步骤：

步骤1、在有保水开采需求的采煤工作面上方覆岩确认含水层位置和隔水层位置，隔水层是位于含水层下方隔水性较强的软岩；

步骤2、在确定含水层和隔水层方位后于工作面上方沿走向中线布置多个主钻孔，主钻孔延伸至含水层高度后以L型分散至四周作为分钻孔并安装注浆分管；

步骤3、通过运料管道连接所有的注浆分管以及石蜡基注浆材料存放位置，并在运料管道上设置温控传感器及电热器；

当工作面开始回采，在采空区上方隔水层位置产生离层空间时，经注浆泵向运料管道泵送融化状态的石蜡基注浆材料，浆液流到达原隔水层，根据温控传感器的反馈调整电热器加热功率，保证浆液处于融化状态；

至无法注入时，流动的石蜡基注浆材料覆盖了整个离层空间，形成重构注浆覆盖层，并封堵大部分裂隙，待冷凝后成为固体支撑岩层不再弯曲下沉。

每个主钻孔均进行三段管道的施工，一段管道8从地表垂直向下开孔，直至穿透表土层并延伸10m，浇筑水泥注浆套管，浇筑水泥套管用于固定和保护输浆管道；地面硬化处理并在管道上安装电热器18；二段管道9向隔水层延伸钻孔，安装较粗的主管道，三段管道11为多个水平延伸钻孔，该钻孔以主钻孔为圆心圆周阵列安装4~8个注浆分管12，将注浆分管12插入隔水层范围内；地表及一段管道8、二段管道9均有保温覆盖层10确保输浆管道在输浆过程中处于石蜡熔点以上的流动体。

本发明在隔水岩层附近实施注浆工程，可在隔水层产生离层期间充填封堵孔隙，注入的浆液以流体形态向裂隙和离层空间中均匀扩散，随后凝固为固体支撑岩层，防止上方岩层继续下移变形，导致含水层再次失水，此时注浆材料和原破损隔水层进行重构形成厚度更高，隔水性更强的新岩层，可长期稳定保护含水层，避免地下水流失。

相较于传统的熔融蜡渗透注浆技术，本案将石蜡和沙混合，其不同点在于其一施工对象不同，根据岩层运动规律，不同强度的岩层弯曲下沉不同步，强度差异将导致岩层间出现较大的离层空间，离层空间的空腔体积受下方采空区高度影响而不受岩层本身的渗透性影响，因此，凡产生离层空间的层位，均可使用本方法；其二注入组分不同，本技术以沙作为骨料、石蜡为胶结物、油兼做保温性能良好的导热体和流体，可使注入物不需侵入岩土体即可获得良好强度，在流动过程中具备熔融蜡和油的流动性，且降温速度低，连续流体即使与岩土体接触的局部地区温度下降，也会因流体内部导热性强而保证整体的温度处于熔点之上，保证了浆液流动和扩散范围；该方法相较于类熔融蜡渗透注浆技术，更注重掌握施工地点的岩层运动规律，适用范围广，注浆效率高，作用范围大。

本发明的装置及方法取得了如下有益的技术效果：

一、本发明的材料骨料为新疆大部可取的沙漠沙，原料获取方式简单，成本低廉，经过实验验证的材料配比有对应的抗压强度和流动性，当配置浆液呈融化态，可通过管道输送至指定地点，当浆液凝固后则成为非亲水性的类岩固体。

二、本发明的材料特别适用于隔水层重构，因其融化态的流动特性，可将大部分裂隙填充并形成一个整体，因材料本身为非亲水基，材料覆盖范围内均具备隔水特点，材料凝固后与原隔水层性质相似，具备一定的承载能力和弹塑性，进而保护含水层。

三、本发明的方法与材料在注浆过程中不对水体产生污染，浆液物理化学性质稳定，无可溶性离子，不存在潜在的污染风险，即使与水体混合，也只会凝固沉淀而不发生反应，是环境友好型材料。

四、本发明的方法施工工艺基于离层注浆工程，是一种较为成熟可行的地表注浆方案，施工难度小，设备通用性高，配套设施齐全。

五、本发明的方法适合在大多数常温天气施工，只需维持管道内部温度稳定即可保证运料通畅，并不存在常见注浆工程中的堵管现象，检修维护成本小，适用范围广。

附图说明

图1是实施工艺俯视图。

图2为A-A剖面注浆工艺原理图。

图3为B-B剖面注浆流程图。

1：注浆覆盖层二，2：注浆覆盖层一，3：地面注浆钻孔二，4：地面注浆钻孔一，5：采线推进位置一，6：采线推进位置二，7：注浆工作面，8：一段管道，9：二段管道，10：管道保温层，11：三段管道，12：注浆分管，13：浆液，14：离层空间，15：导水裂隙，16：温控传感器，17：运料管道，18：电热器，19：一号存料桶，20：二号存料桶，21：三号存料桶，22：四号存料桶，23：加热搅拌桶，24：缓存桶，25：注浆泵。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

在煤层地下开采过程中，采空区上方岩层将逐层垮落下沉，当影响到含水层位下方的隔水层时，会先产生弯曲离层，随后产生裂隙开始漏水，本方法将在产生的离层空间范围内进行实施，防止随后产生的裂隙和漏水。具体包括使用一种以石蜡为基础的热熔性胶结材料、一套放置于地表的加热搅拌运输泵送装置、特殊选定位置及深度的垂直钻孔和相应的运料管道。

一种以石蜡为基础的热熔性胶结材料，，即石蜡基注浆材料，其原料包括磨圆度高、粒径小于0.8mm的沙漠沙、熔点在42℃到50℃之间的半精炼石蜡、润滑油和滑石粉配制而成，材料凝固后单轴抗压强度不小于0.8Mpa，材料饱和吸水率小于2%。

材料配制方法为加热温度不超过180℃防止高温变性，进行不间断搅拌直至材料完全融化成为流动体，在含有保温层或具备加热功能的管道中泵送运输，地表运输过程建议管道中温度高于石蜡熔点至少40℃，当该材料从三段管道中流出后，周围温度不得小于0℃。

一套放置于地表的加热搅拌运输泵送装置，包括储存沙漠沙的一号存料桶19、储存滑石粉的二号存料桶20、储存石蜡的三号存料桶21、存储润滑油的四号存料桶22、其中一号存料桶19、二号存料桶20、三号存料桶21为储存固体颗粒的圆柱状立式储存桶，且为密封存料，体积比例为15：1：1~7：1：1之间，三号存料桶21必须为保温材质；四号存料桶22存储润滑油；上述存料桶管道连接至加热搅拌桶23进行密封加热搅拌，加热温度保持在100℃~180℃之间；加热搅拌桶并联一支缓存桶24，缓存桶为加热保温型，主要为混合后但未泵送材料提供储存空间；加热搅拌桶后连接注浆泵25；注浆泵直接连接运料管道17注浆泵及地面所有连接管路均为保温型。

主钻孔垂直方向共有三段施工管道，分别是一段管道8、二段管道9、三段管道11，运料管道17上安有电热器18及温控传感器16。一段管道8在表土松散层施工并延伸至表土层下方10m，需进行水泥浇筑套管加固定位管道；二段管道9为倾斜段，将穿过含水层向计划注浆点位延伸，二段管道9末端位于含水层下方的隔水层内，管道覆盖有保温材料；三段管道11为喷浆管，位于隔水层内并垂直于工作面开切眼，主要进行浆液泵送。

本发明的技术实施步骤如下：

步骤1、在有保水开采需求的采煤工作面上方覆岩确认含水层位置和隔水层位置，隔水层为塑性较好的软岩；考虑到采区工作面推进后，对应采空区轮廓上方的隔水层将随岩层向下沉陷弯曲，隔水层和含水层之间产生较大水平裂隙，即如图3中所示的离层14，同时采空区轮廓所对应的隔水层产生垂直裂隙，即导水裂隙15，本技术的实施主要对象为上述的水平裂隙和垂直裂隙。

步骤2、在确定含水层和隔水层方位后于工作面上方沿走向中线布置多个主钻孔，即如图1中所示的地面注浆钻孔二3、地面注浆钻孔一4，主钻孔延伸至含水层高度后以L型分散至四周作为分钻孔并安装注浆分管12，所有分钻孔末端均为出浆口，每个主钻孔和其分钻孔所覆盖范围为一次注浆工程的施工单元，随着工作面推移，施工单元沿工作面逐个覆盖成型即可完成隔水层重构工程。

注浆管道由地面注浆站点至注浆层位的管道出浆口过程均需保温，必要时进行加热，确保浆液处于熔化温度，以流动体形式进入离层区流动扩散，当温度高于石蜡熔点时，浆液可正常泵送并流动，但不易高于180℃，以防石蜡材料发生变性，在可控范围内的浆液具备优良的流动性和扩散性，可将整个离层空间以及各类缝隙封堵完善。

每个主钻孔均进行三段管道的施工，一段管道8从地表垂直向下开孔，直至穿透表土层并延伸10m，浇筑水泥注浆套管，浇筑水泥套管用于固定和保护输浆管道；地面硬化处理并在管道上安装电热器18；二段管道9向隔水层延伸钻孔，安装较粗的主管道，三段管道11为多个水平延伸钻孔，该钻孔以主钻孔为圆心圆周阵列安装4~8个注浆分管12，将注浆分管12插入隔水层范围内；地表及一段管道8、二段管道9均有保温覆盖层10建议输浆管道在输浆过程中处于石蜡熔点以上40℃的流动体，最佳，若保温能力有限，则至少保证运输全过程输浆管道温度不低于石蜡熔点；

步骤3、当工作面开始回采，在采空区上方隔水层位置产生离层空间14时开始实施以下方法：将一号存料桶19、二号存料桶20、三号存料桶21、四号存料桶22桶中的沙漠沙、滑石粉、石蜡、润滑油按照一定比例运输至加热搅拌桶进行加热搅拌，当物料温度稳定后由运输泵向管道进行泵送，浆液流经三段管道到达原隔水层，根据管道安装若干的温控传感器18的反馈调整电热器16加热功率，保证浆液处于融化状态。

温度传感器与电热器的数量原则为，温度传感器和电热器成组增加或减少，在地面的间距尽量相等，相邻温度传感器温度梯度不宜过大，若大于10℃则需要增加温度传感器和电热器，而非加大电热器功率，电热器局部功率过大会导致局部温度高于180℃影响材料性能；

温度传感器与电热器的反馈原则为，每组温度传感器控制当组电热器，温度低于石蜡熔点时电热器进行较高功率加热，温度高于180℃则立即停止加热，最佳温度范围在石蜡熔点以上40℃附近。

注浆速度与工作面推进速度要匹配，当工作面推进至注浆孔范围以外时，应注体积不小于采空体积的10%，即动态注采比不低于10%，以确保浆液完整覆盖重构隔水层。

当浆液在三段管道11末端流出并覆盖周围裂隙，并出现压力显著升高状态后，回抽部分注浆分管12，但不抽出离层空间14范围，继续注浆直到无法注入为止。此时流动体浆液覆盖了整个离层空间14，形成重构注浆覆盖层二1、注浆覆盖层一2，并封堵大部分裂隙15，待冷凝后成为固体支撑岩层不再弯曲下沉，该区域的实施完成。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料，其特征在于，所述石蜡基注浆材料包括沙漠沙、滑石粉、石蜡，三者的体积比例为15：1：1~7：1：1，三者混合润滑油后加热搅拌，形成石蜡基注浆材料。

2.根据权利要求1所述的一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料，其特征在于，所述沙漠沙的粒径小于0.8mm，所述石蜡为半精炼石蜡，熔点在42℃到50℃之间。

3.根据权利要求1所述的一种采动离层隔水层重构用石蜡基注浆材料，其特征在于，加热搅拌时加热温度不超过180℃，输送温度不低于石蜡熔点。

4.基于权利要求1所述的石蜡基注浆材料的一种采动离层隔水层重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在有保水开采需求的采煤工作面上方覆岩确认含水层位置和隔水层位置，隔水层是位于含水层下方隔水性较强的软岩；

步骤2、在确定含水层和隔水层方位后于工作面上方沿走向中线布置多个主钻孔，主钻孔延伸至含水层高度后以L型分散至四周作为分钻孔并安装注浆分管；

步骤3、通过运料管道连接所有的注浆分管以及石蜡基注浆材料存放位置，并在运料管道上设置温控传感器及电热器；

当工作面开始回采，在采空区上方隔水层位置产生离层空间时，经注浆泵向运料管道泵送融化状态的石蜡基注浆材料，浆液流到达原隔水层，根据温控传感器的反馈调整电热器加热功率，保证浆液处于融化状态；

温度传感器及电热器的数量应与具体施工气温匹配，当地温度较低时，运输管道上相邻温度传感器存在梯度差异达10℃以上，则需增加温度传感器和电热器组数，相邻组温度传感器梯度差异小于5℃时则传感器数量和电热器数量较合适，电热器功率不可过大，局部加热温度不得超过180℃。

5.注浆至无法注入时，流动的石蜡基注浆材料覆盖了整个离层空间，形成重构注浆覆盖层，并封堵大部分裂隙，待冷凝后成为固体支撑岩层不再弯曲下沉。

6.根据权利要求4所述的一种采动离层隔水层重构方法，其特征在于，每个主钻孔均进行三段管道的施工，一段管道（8）从地表垂直向下开孔，直至穿透表土层并延伸10m，浇筑水泥注浆套管，浇筑水泥套管用于固定和保护输浆管道；地面硬化处理并在管道上安装电热器（18）；二段管道（9）向隔水层延伸钻孔，安装较粗的主管道，三段管道（11）为多个水平延伸钻孔，该钻孔以主钻孔为圆心圆周阵列安装4~8个注浆分管（12），将注浆分管（12）插入隔水层范围内；地表及一段管道（8）、二段管道（9）均有保温覆盖层（10）确保输浆管道在输浆过程中处于石蜡熔点以上的流动体。