一种利用顶板垮落碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减损方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种利用顶板垮落碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减损方法。

背景技术：

煤炭作为我国现阶段核心能源地位短期不会发生改变，但随着我国煤炭产量逐年提高，带来了诸多开采损害问题，对于地表生态及地下水环境产生显著影响。特别是针对鄂尔多斯盆地生态脆弱区而言，干旱少雨，水资源匮乏，生态环境脆弱，大规模开采煤炭资源与生态环境保护的矛盾十分突出。前期煤炭开采大量实践表明：煤炭开采会改变地下应力场的分布状态，引起煤层上覆和下伏岩层产生形变，地表发生沉降、塌陷和开裂，使原有地质条件发生变化，地下水流场受到影响，维系地表生态系统的地下水出现渗漏或水位下降，导致生态系统退化，诸上问题严重制约着当地煤炭资源开采的可持续发展。因此，探索一套适用于煤矿巷道井下综合减损技术方法，是现阶段生态脆弱区绿色、高效采煤的重要现实需求。

按照生态文明建设环境保护优先、自然恢复为主的总体要求，在煤矿开采时应尽量减少和控制采动对生态环境的损害，目前，防止煤矿上部地层塌陷导致地面生态系统破坏的方法主要以留煤柱和充填开采为主。然而，此两种方式均存在显著弊端：

充填开采方案；对于“三下”采煤环境，其具体实践方式为：利用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，满足“三下”采煤减沉的目的，然而，无论是采用煤矸石充填法、胶结充填法、粉煤灰部分代替水泥充填法、混凝土充填法等，其单位造价普遍偏高，相对较高的投入成本严重影响企业经济效益，客观上限制该方法的大面积推广应用。

目前而言，留设保护煤柱开采和充填开采成为该区域最为常见的减损方法。然而，留设煤柱开采方法一方面造成资源浪费、减少矿井服务年限；另一方面，影响生产布局和煤炭的高效回采。而充填开采的成本投入太高，经济效益性差，不宜于煤矿企业大面积推广与实施。因此，探究科学、合理的绿色减损开采技术成为西部煤炭资源开采必须破解的技术难题。

技术实现要素：

本发明主要针对采空区顶板垮落情况，提出了一种利用顶板垮落碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减损方法；该方法利用针对顶板自然垮落后破碎体完全填充(含近完全填充)采空区情况。在采煤作业后顶板自然垮落形成完全充填或近完全充填的状态，首先，采用间隔式井下定向钻孔至垮落破碎体上部，并同步布设pvc套管与注浆管实现定点注浆；其中，注浆材料性能参考相关国家标准进行选取及针对性配合比设计，选择合适的速凝剂精准控制浆液初凝时间；而后，通过在注浆管道上布设注浆流量计及注浆压力计，实现注浆量的精准与实时监测，同时选用螺旋式喷嘴进行面状喷射注浆。通过控制注浆管压力和流量监测确定注浆量和注浆速度，最终形成点源式间隔注浆垛桩体布设方案。

本发明基于如下步骤进行实现：

一种利用顶板垮落碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减损方法，包括以下步骤：

第一步、通过采高与冒落带的关系及实际煤矿的开采地质资料，确定冒落带整体高度，并通过顶板极限垮落步距确定垛桩体间距l；

第二步、参考煤矿井下注浆材料性能测试相关国家标准，开展室内试验及物理模型试验，结合确定的覆岩碎胀系数值，获得形成合适垛桩体所需的最优浆液注浆量、注浆压力、初凝时间；

第三步、注浆孔作业采用自巷道定向钻孔方式，所述定向钻孔的间距依据垛桩体设计间隔布设；所述注浆管道的末端设置有螺旋式喷嘴，所述螺旋式喷嘴在下管时带入预定工作面。

第四步、待注浆管道布设完成后，所有注浆管开始进行注浆；利用螺旋式喷嘴的旋流雾化技术实现浆液面状喷射；

第五步、通过密切监测注浆管道上布设的注浆流量计及注浆压力计，待浆液已完全充填碎石空隙，且垛桩体达到预定要求时停止注浆。

第六步、依据定向钻孔设计间距，开展下一阶段钻孔及注浆作业，使垛桩体实现点源式间隔布设预期目标。

作为优选的，第二步中，依据室内试验确定浆液扩散半径、扩散速度，并确定合适的配合比及适当的速凝剂、早强剂控制浆液初凝时间。

作为优选的，第三步中，定向钻孔先由顶部斜向上钻孔至裂隙带，然后，自裂隙带沿下方进行定向钻进至目标注浆位置；再将注浆管道及pvc套管推入钻孔之中，其中，工作面附近注浆管道上布设注浆流量计及注浆压力计，所述注浆流量计用于检测充入采空区浆液的流量，注浆压力计用于检测注浆喷头的喷射压力。

作为优选的，第三步中，在进行注浆作业时，盘旋状的螺旋式喷嘴覆盖的面积控制垛桩体顶端浆液下渗区域，浆液在破碎矸石内的扩散由碎胀系数与注浆关系确定，

向浆液中添加速凝剂和改性剂以控制浆液的凝结时间和流动性，结合碎胀系数、注浆扩散半径和流动规律，在单位时间里，确定出通过注浆流量计控制横断面扩散半径所需注浆量，

作为优选的，在第四步中，面状喷出浆液在重力作用下沿堆积矸石裂隙由上到下扩散胶结成合适的垛桩体；同时，通过控制浆液初凝时间、注浆压力、注浆量控制注浆初凝效果，通过管路布设监测设备对胶结碎石垛状体形态及大小进行精确控制。

作为优选的，第五步中，停止注浆的判别标准采用满足以下条件之一原则：(1)若注浆压力增高并维持高位不变且初凝时间满足初凝条件时，判定垛桩体已与顶板完全接触时；(2)若注浆量已达到垛桩体预期的极限所需量后，且与顶部接触面积达到设计要求时；随后断开注浆管道并封堵注浆口，完成注浆作业。

作为优选的，第六步中，待形成多组间隔式垛桩体后，密切关注该加固处置方式的减沉效果，必要条件时配合井下裂隙带及地表沉降实时监测数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损技术进行补强处理。

作为优选的，所述极限跨距式中，q——老顶岩层梁所承受的载荷；rt——该处岩层的抗拉强度极限；h——老顶岩层厚度。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1)本发明采用覆岩碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减沉方法，利用顶板垮落碎石作为支撑结构的支撑材料，以间隔式布设泵送水泥浆胶结覆岩破碎体的方式成本较低，且骨料取材方便、快捷、减少山区骨料运输成本，水泥浆便于向巷道内运输施工便利，减少由于运输煤矸石和大量砌筑材料而造成开采时间的浪费与占用坑道内矿车降低煤炭输送效率，提高了煤炭采收率。

2)本发明的减损方法可有效控制覆岩不均匀沉降，有效减少覆岩失稳所带来的潜在风险，使开采区作业时上覆岩层处于稳定状态，并避免地面塌陷、巷道坍塌等地质灾害的发生。

附图说明

图1为本发明减损方法在矿道中注浆第一垛桩体示意图；

图2为本发明减损方法在矿道中注浆后续垛桩体示意图；

图3为本发明螺旋式喷嘴的喷洒面示意图；

图4为本发明整体的流程示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参阅图1～4，针对顶板自然垮落后破碎体完全填充(含近完全填充)采空区情况，一种利用顶板垮落碎胀充填与定向钻孔点源式间隔注浆减损方法，具体包括以下步骤：

第一步、由于现场煤矿地质开采的复杂性，需要通过采高与冒落带的经验关系及实际煤矿的开采地质资料，以确定冒落带整体高度，并通过顶板极限垮落步距确定垛桩体间距l，同时考虑一定的安全储备系数(建议参考相关规范取值为1.25)；所述垛桩体间距l为极限跨距乘以安全系数后的计算值。

第二步、参考煤矿井下注浆材料性能测试相关国家标准，开展室内试验及物理模型试验，结合确定的覆岩碎胀系数值，获得形成合适垛桩体所需的最优浆液注浆量、注浆压力、初凝时间。

此外，依据室内试验确定浆液扩散半径、扩散速度，并确定合适的配合比及适当的速凝剂、早强剂控制浆液初凝时间；

第三步、注浆孔作业采用自巷道定向钻孔方式，先由顶部斜向上钻孔至裂隙带(应大于采空区的3-4倍)，然后，自裂隙带沿下方进行定向钻进至目标注浆位置；而后，将注浆管道及pvc套管推入钻孔之中，其中，工作面附近注浆管道上布设注浆流量计及注浆压力计，所述注浆流量计用于检测充入采空区浆液的流量，注浆压力计用于检测从喷嘴喷射的压力，实现注浆流量及压力的精准、实时监测；

所述注浆管道的末端设置有螺旋式喷嘴，所述螺旋式喷嘴在下管时带入预定工作面。在进行注浆作业时，盘旋状的螺旋式喷嘴覆盖的面积控制垛桩体顶端浆液下渗区域，浆液在破碎矸石内的扩散由碎胀系数与注浆关系确定，

向浆液中添加速凝剂和改性剂以控制浆液的凝结时间和流动性，结合碎胀系数、注浆扩散半径和流动规律，在单位时间里，确定出通过注浆流量计控制横断面扩散半径所需注浆量，

所述速凝剂的添加，盘旋状的螺旋式喷嘴喷射的浆液达到预定注浆时间和扩散效果时，凝固成所需断面面积，从而形成所需垛桩体，最终形成对采空区的稳固支撑。

所述定向钻孔的间距依据垛桩体设计间隔布设；使最终形成的垛桩体的支撑效果达到最大，减少垛桩体的数量，从而节约注浆材料。

第四步、待注浆管道布设完成后，所有注浆管开始进行注浆。利用螺旋式喷嘴的旋流雾化技术实现浆液面状喷射，面状喷出浆液在重力作用下沿堆积矸石裂隙由上到下扩散胶结成合适的垛桩体。其具体工作方式如图3所示；同时，依据设计的浆液初凝时间、注浆压力、注浆量控制注浆初凝效果，通过管路布设监测设备对胶结碎石垛状体形态及大小进行精确控制；

第五步、通过密切监测注浆管道上布设的注浆流量计及注浆压力计，待浆液已完全充填碎石空隙，且垛桩体达到预定要求时停止注浆。

停止注浆的判别标准采用满足以下条件之一原则：(1)若注浆压力增高并维持高位不变且初凝时间满足初凝条件时，判定垛桩体已与顶板完全接触时；(2)若注浆量已达到垛桩体预期的极限所需量后，且与顶部接触面积达到设计要求时；随后断开注浆管道并封堵注浆口，完成注浆作业；

第六步、依据定向钻孔设计间距，开展下一阶段钻孔及注浆作业，使垛桩体实现点源式间隔布设预期目标；待形成多组间隔式垛桩体后，密切关注该加固处置方式的减沉效果，必要条件时配合井下裂隙带及地表沉降实时监测数据，若发现减损效果不佳，应配合其他减损技术进行补强处理。

本方案中所述的极限跨距由其顶板岩层的强度、分层厚度、节理裂隙发育情况所决定，计算模型众多，根据不同的计算模型极限跨距有不同的计算公式，下给出其中一种按简支梁模型的计算公式：极限跨距式中，q——老顶岩层梁所承受的载荷；rt——该处岩层的抗拉强度极限；h——老顶岩层厚度。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。