一种煤矿地下水库及水库坝体的多层次注浆防渗加固方法与流程

本发明涉及一种煤矿地下水库及水库坝体的多层次注浆防渗加固方法，适用于施工煤矿地下水库、地下储存硐室使用。

背景技术：

近年来，我国煤炭生产的重心逐渐向西部转移，西部地区(晋陕蒙宁甘五省区)探明的煤炭资源储量占全国的71.6％，而其水资源仅占全国水资源的3.9％，属于重度缺水区域。同时现在煤矿矿井水外排地面不仅污染环境，而且外排过程中水大量蒸发更加剧了水资源的短缺，因此水资源的匮乏已成为制约煤炭开采的瓶颈，为了解决这一问题，“一种矿井地下水的分布式存储方法”(cn102862775)应运而生，该方法利用煤炭开采后形成的采空区，采空区两侧巷道和回撤巷道的煤柱坝体，以及在巷道中建造的人工挡水坝共同构筑成煤矿地下水库。利用巨大的采空区空间进行储水，利用采空区矸石对水体进行过滤净化，再利用自然压差进行供水，实现了矿井水不外排、井下供水、井下排水、污水处理、水害防治、环境保护的综合效益，现已在神东矿区全面使用。安全是第一生产力，煤矿地下水库的安全问题也是重中之重，煤矿地下水库的安全问题主要是其煤柱坝体的安全稳定问题，煤柱坝体受矿压、水压等综合作用，一旦发生渗透破坏，将会造成严重的水灾事故，给煤矿带来巨大的人员和经济损失，因此必须考虑煤柱坝体的防渗和可靠性等问题。针对这一安全问题研究，“一种矿井地下水库的防渗方法”(cn102767395)提出用水泥护壁层、防渗土工布和水泥防渗层组合在一起构成防渗墙来进行防渗。“地下水库的防渗方法及具有防渗功能的地下水库”(cn102926574)使用防渗、常态、碾压混凝土和防渗土工布、黑粘土组合构筑防渗层。但是上述方法中所使用的水泥，混凝土本身就是一种微孔材料，存在着裂缝和裂隙；黑黏土不仅存在微裂缝，微裂隙而且随着时间推移，在某些季节这些裂缝和裂隙还会发育扩展；防渗土工布由于施工的限制，不可能铺满整个巷道面，另外土工布施工完成后，或多或少总会存在一些缺陷，包括拼接质量不好形成的接缝、施工时被刺破、被下填层顶破、巷道壁面不均匀撕裂土工布等这些缺陷直接影响坝体的防渗性能。

由于上述的研究方法使用材料的缺点和不足导致的裂缝、裂隙的存在，短期内坝体具有一定的防渗效果，但煤矿地下水库是个长时间的储水场所，随着时间的推移，地下水库内的水以及水分子通过微裂隙慢渗，最终造成煤柱坝体长时间浸水，强度降低，失稳破坏，水库内水体大量涌出，造成重大的煤矿水灾事故。因此现有方法都不能从根本上解决坝体的防渗问题。

技术实现要素：

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种方法简单，创造方便，使用混凝土、水泥浆以及纳米级材料硅溶胶，即可有效防水的煤矿地下水库及水库坝体的多层次注浆防渗加固方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种煤矿地下水库，其包括作为储水空间的煤矿采空区空间，煤矿采空区空间上方为工作面顶板，下方为工作面底板，煤矿采空区空间对称两侧分别掘进出两侧巷道，并在另外对称两侧施工回撤巷道和人工挡水坝，两侧巷道和回撤巷道上设有锚固装置，并在外层先后设有混凝土层和硅溶胶层，两侧巷道和回撤巷道的靠近煤柱坝体的帮侧施工上间插设有多个浅注浆孔和多个深注浆孔。

一种煤矿地下水库的煤矿地下水库坝体的多层次注浆防渗加固方法，根据水文地质资料确定采煤区地下含水量，根据含水量计算储水所需的容积，并通过容积确定设置地下水库的面积以及煤柱坝体的位置，掘进地下水库两侧巷道和回撤巷道，在巷道壁上先后喷射混凝土浆液和硅溶胶，形成混凝土和硅溶胶喷层，对两侧巷道和回撤巷道靠近煤柱坝体的帮侧先施工多个浅注浆孔并封孔注浆，后施工多个深注浆孔并封孔注浆，最后建造人工挡水坝封闭巷道，从而形成封闭的煤矿地下水库。

具体步骤如下：

a.根据水文地质资料确定采煤区地下含水量，计算储存采煤区地下含水量所需的地下水库容积，以工作面采高为高度并参考采煤区域储水系数，确定地下水库需要的面积，从而根据采空区确定设置地下水库煤柱坝体的位置；

b.随着煤层的开采，在选定的地下水库施工处正常掘进出地下水库两侧巷道和回撤巷道，在掘进地下水库两侧巷道和回撤巷道时监测各巷道围岩性质的变化和孔裂隙发育的情况；

c.随着地下水库两侧巷道和回撤巷道的掘进，对已构成的两侧巷道和回撤巷道巷道壁进行锚固，并在巷道壁上喷射混凝土浆液，待混凝土浆液凝固后，对巷道靠近煤柱坝体的帮侧混凝土外层复喷硅溶胶；

d.待硅溶胶喷层凝固后，对两侧巷道和回撤巷道靠近煤柱坝体的帮侧施工多个浅注浆孔，并注入水泥浆；

e.待浅注浆孔注的水泥浆凝固后，对巷道靠近煤柱坝体的帮侧施工多个深注浆孔，并注入硅溶胶，等待硅溶胶凝固；

f.当采煤工作面回采完成后，在确定的地下水库靠近大巷的煤柱坝体间建造人工挡水坝封闭巷道，从而形成封闭的煤矿地下水库。

所述混凝土浆液凝固后的混凝土层厚为50-100mm，复喷硅溶胶凝固后的硅胶层厚2-5mm，使用的硅溶胶为颗粒度为8-20nm的纳米级材料。

所述浅注浆孔的长度为1.5-2.5m，注浆压力为1-2mpa。

所述深注浆孔的长度为4-6m，注浆压力为0.5-0.8mpa。

所述浅注浆孔和深注浆孔安排间插设置，具体为在巷道靠近煤柱坝体的帮侧上按照一排浅注浆孔下方一排深注浆孔交替设置。

有益效果：

本申请使用混凝土和硅溶胶喷层护住煤柱坝体表面，有效防止煤柱坝体受压后表面崩落；注入水泥浆主要起到加固坝体破碎区围岩，改变坝体受力状态，提升煤柱坝体强度的作用；注入的硅溶胶填充进入微孔裂隙，堵死水分子渗流通道，形成一层致密的墙，彻底阻碍水分子的渗流。本申请使用的材料硅溶胶，颗粒细致，可注性非常高，便于填充入微裂缝、微孔隙，并随时间的加长，固结凝胶，有效封堵住微孔裂隙。另外硅溶胶是一种无机材料，其成分无毒无害，对水体无污染性，可以确保水质的安全。

充分发挥了水库煤柱坝体本身的作用，混凝土、水泥浆、硅溶胶三者与煤柱坝体本身紧密配合，共同形成一堵致密的加固防渗墙，而不是单纯的使用材料另建一堵防渗墙，其加固防渗的效果也比单纯的防渗墙的效果要好多倍。

由于使用的混凝土，水泥浆，硅溶胶性质均是随时间推移不断凝结加固的，所以随时间的增加，煤柱坝体的加固防渗效果更稳定，煤矿地下水库安全性更牢固可靠，可供长期储水。

从煤柱坝体表面到煤柱坝体内部进行多梯度防渗加固。喷射混凝土护表，注入水泥浆主要起加固作用，注入硅溶胶填充微孔裂隙防渗，三者分工明确，紧密合作，联合煤柱坝体本身形成了一定范围的致密的防渗加固层，一方面加固了坝体，使坝体能有效地抵挡矿压、水压作用，另一方面纳米级材料硅溶胶堵死水和水分子渗透所需的微孔裂隙通道，缓解由于微孔裂隙的存在可能造成的重大煤矿水灾事故。方法简单，创造方便，使用混凝土、水泥浆以及纳米级材料硅溶胶，结构稳定，防水性能好。

附图说明

图1是本发明的煤矿地下水库结构示意图。

图2是本发明的煤柱坝体喷注浆主视图。

图3是本发明的煤柱坝体喷注浆侧视图。

图中：1-煤柱坝体；2-两侧巷道；3-回撤巷道；4-采煤工作面；5-回采巷道；6-人工挡水坝；7-大巷；8-采空区；9-混凝土和硅溶胶喷层；10-注浆管；11-浅注浆孔；12-深注浆孔；13-上覆岩层；14-下覆岩层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的煤矿地下水库，其包括作为储水空间的煤矿采空区空间，煤矿采空区空间上方为上覆岩层13，下方为下覆岩层14，煤矿采空区空间对称两侧分别掘进出两侧巷道2，并在另外对称两侧施工有回撤巷道3和人工挡水坝6，两侧巷道2和回撤巷道3上设有锚固装置，并在外层先后设有混凝土层和硅溶胶层，两侧巷道2和回撤巷道3的靠近煤柱坝体1的帮侧施工上间插设有多个浅注浆孔11和多个深注浆孔12。

如图2和图3所示，本发明的煤矿地下水库坝体的多层次注浆防渗加固方法，根据水文地质资料确定采煤区地下含水量，根据含水量计算储水所需的容积，并通过容积确定设置地下水库的面积以及煤柱坝体1的位置，掘进地下水库两侧巷道2和回撤巷道3，在巷道壁上先后喷射混凝土浆液和硅溶胶，形成混凝土和硅溶胶喷层9，对两侧巷道2和回撤巷道3靠近煤柱坝体1的帮侧先施工多个浅注浆孔11并封孔注浆，后施工多个深注浆孔12并封孔注浆，最后建造人工挡水坝6封闭巷道，从而形成封闭的煤矿地下水库。

具体步骤如下：

a.根据水文地质资料确定采煤区地下含水量，计算储存采煤区地下含水量所需的地下水库容积，以工作面采高为高度，并参考一定的储水系数，确定地下水库需要的面积，从而根据采空区8确定地下水库的地下水库煤柱坝体1的位置；

b.随着煤层的开采，正常掘进出选定的地下水库施工处的地下水库两侧巷道2和回撤巷道3，在掘进地下水库两侧巷道2和回撤巷道3时监测巷道围岩性质的变化和孔裂隙发育的情况；

c.随着地下水库两侧巷道和回撤巷道的掘进，对构成的巷道壁进行锚固，并在上覆岩层13与下覆岩层14之间的巷道壁上喷射混凝土浆液，待混凝土浆液凝固后，对巷道靠煤柱坝体帮侧混凝土外层复喷硅溶胶，最终形成混凝土和硅溶胶喷层9；其中混凝土浆液凝固后的混凝土层厚为50-100mm，复喷硅溶胶凝固后的硅胶层厚2-5mm，硅溶胶为粒度为8-20nm纳米级材料；

d.待硅溶胶喷层凝固后，对巷道靠近煤柱坝体的帮侧施工浅注浆孔11，并利用注浆管10注入水泥浆，所述浅注浆孔11的长度为1.5-2.5m，注浆压力为1-2mpa；

e.待注浆孔中的水泥浆凝固后，对巷道靠近煤柱的帮侧施工深注浆孔12，并利用注浆管10注入硅溶胶，等待硅溶胶凝固，所述深注浆孔12的长度为4-6m，注浆压力为0.5-0.8mpa；

f.当采煤工作面回采完成后，在确定的地下水库靠近大巷7的煤柱坝体1间建造人工挡水坝6封闭巷道，所述人工坝体6从内向外依次为砖混结构支撑层、矸石或黄土结构防渗层和嵌入煤柱中的混凝土结构层构成的复合结构，从而形成封闭的煤矿地下水库；

利用顶板垮塌后的形成的裂隙构成地下水库储水空间，采煤时产生的地下水自然渗流至该地下水库储水空间。

实施例1：

某煤矿煤层上覆含水层0.10m～27.48m，平均8.24m，采空区不断接受地表水，松散含水层水及基岩含水层水的补给，矿井正常涌水量为486m³/h，矿井水文地质类型为中等。

考虑储水系数计算后确定由六个工作面采空区构建一完整的煤矿地下水库，地下水库两侧巷道2和回撤巷道均3为矩形断面，巷道高4.4m，煤柱坝体宽30m。

地下水库两侧巷道2和回撤巷道3掘进后，及时对构成的巷道壁进行锚固，锚固后立即在上覆岩层13与下覆岩层14之间的巷道壁上喷射混凝土浆液，待混凝土浆液凝固后混凝土外层复喷硅溶胶，最终形成混凝土和硅溶胶喷层9，混凝土的喷射厚度为100mm，复喷硅溶胶，厚度为2mm；所使用的混凝土、水泥浆和硅溶胶三种材料参数为：常态混凝土，水泥浆的水灰比＝0.8:1；硅溶胶a料：b料＝4:1，a料为二氧化硅胶体，b料为催化剂氯化钠溶液，。

混凝土和硅溶胶喷层9凝结后，在巷道靠近煤柱坝体的帮侧施工浅注浆孔11，孔深2m，间距和排距均为1.5m，坝体顶部和底部浅注浆孔与水平方向夹角20°，其余浅注浆孔均垂直打孔，详见图2，安设注浆管10并封孔，注入水泥浆，注浆压力为1.5mpa，稳压时间20min。

注入的水泥浆凝结后，进行深部注硅溶胶，硅溶胶a料：b料＝9:1，在巷道靠近煤柱坝体的帮侧施工深注浆孔12，孔深4m，间距和排距均为1.5m，深注浆孔均垂直打孔，详见图2，注浆压力为0.5mpa，稳压时间120min。

现场表明，发明的一种煤矿地下水库坝体的多层次注浆防渗加固方法，对煤柱坝体起到了加固和防渗双重效果，增加了煤矿地下水库的可靠性。