煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法

1.本发明涉及一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，属于覆岩动力灾害防控领域。


背景技术：

2.在煤矿高强扰动开采过程中，顶板岩层在断裂或者移动时，会释放大量弹性能，特别对于坚硬顶板，较普通顶板，坚硬顶板聚集了更多的弹性能，断裂时大量释放，极有可能引发坚硬岩层型动力灾害，造成人员伤亡和巨大的经济损失。针对目前矿井生产面临的坚硬岩层型冲击矿压问题，我国煤矿冲击矿压防治主要包括优开拓布局来进行区域防范以及通过煤层注水、钻孔卸压、煤体卸压爆破、顶板深孔爆破、顶板水力致裂等措施进行局部解危。虽然上述措施能够取得了成效，但并未整体切断岩层应力传递，仍存在较大冲击危险，如何从源头上控制顶板岩层破断冲击成为亟待解决的难题。
3.矸石作为煤矿开采中难以避免的固体废弃物在我国大部分矿区都存在着处理难的问题，随着国家对绿色矿山建设要求的提高，一种经济适用的矸石井下充填处理方式展现出了良好发展前景。利用岩层移动过程中上覆岩层内形成的嗣后空间，从地面布置注浆钻孔向离层空间充填矸石注浆材料来支撑上覆岩层并压实下方空隙从而控制诱冲关键层的断裂和运动，从而达到弱化由于诱冲关键层破断引起的动力灾害和减缓地表下沉的目的。因此，研发一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，对于促进煤矿绿色开采和可持续发展具有很强的理论意义和实际意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足之处，提供一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，解决目前矿井矸石难处理的问题，坚硬岩层型动力灾害后果严重的现状，其系统简单，作业灵活，能够处理矸石排放难题，还能有效减小动力灾害发生风险。
5.为实现上述技术目的，本发明一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，首先分析矿井煤岩冲击倾向性、坚硬岩层移动变形与致灾能量演变特征，判定冲击危险区域嗣后空间范围；将矿井掘进矸石和洗选矸石进行多级筛分破碎生成细粒径矸石和粗粒径矸石，优化粒径级配后与水混合制成矸石注浆充填材料；采用充填泵和注浆钻孔将矸石料浆泵送至冲击危险区域嗣后空间，依据矸石注浆充填材料的承载压缩性能对诱冲关键层形成支撑作用，减小诱冲关键层弯曲变形量，降低离层区周围弹性应变能积聚与应力集中程度，并减缓诱冲关键层已积聚的能量向下伏煤系岩层释放强度，弱化工作面煤岩体超前支承应力集中程度，进而弱化了冲击灾害发生的风险；最后，通过制浆监测、注浆监测、地表岩移监测的监测结果评价注浆充填对覆岩动力灾害的弱化效果。
6.具体步骤如下：
7.s1、确定矿井冲击危险区域嗣后空间：首先，通过对工作面煤体及上覆坚硬岩层取样，测试煤岩体试样的冲击倾向性风险，综合考虑工作面开采深度、煤层赋存特征、坚硬岩
层自身特性因素，确定工作面煤体及上覆坚硬岩层冲击倾向性危险区域范围；然后，采用理论计算和数值模拟的方法，分析冲击倾向性区域的坚硬岩层变形过程中的应变能积聚与释放的演变特征，判定诱发冲击灾害的坚硬岩层为诱冲关键层，进而确定此诱冲关键层以下的离层区、裂隙带以及垮落带为冲击风险区域的嗣后空间(17)；
8.s2、制备矸石注浆充填材料：首先将掘进矸石和洗选矸石破碎为0～0.15mm的细粒径矸石和0.15～2mm的粗粒径矸石，按照细粒径矸石与粗粒径矸石的质量比为1:2的配比混合均匀后，加水搅拌均匀制成质量浓度为60％的矸石注浆充填材料；
9.s3、利用矸石注浆充填材料充填冲击危险区域嗣后空间：首先，确定首个注浆钻孔的位置为距离区段工作面开切眼300m处，并位于工作面倾向宽度的中部；然后，垂直于地面向冲击风险区域嗣后空间(17)施工注浆钻孔；其次，沿着区段工作面走向方向依次间隔300m布置一个注浆钻孔，直至布置到工作面停采线0～300m左右位置；最后，利用充填泵和注浆钻孔将矸石料浆泵送至嗣后空间，矸石料浆注充至嗣后空间后形成承载结构，对诱冲关键层形成支撑作用，阻止了诱冲关键层变形过程中致灾能量积聚，而且嗣后空间的矸石料浆泌水沉积形成垫层材料，从而吸收诱冲关键层向下方煤系地层传递的能量；同时注入的矸石注浆充填材料具有压力，能够压实下方裂隙岩层并扩展孔道，有助于料浆扩散以及填充封堵孔径小于2mm的岩体裂隙；
10.s4、充填弱化覆岩动力灾害效果监测与评价：通过制浆监测、注浆监测、地表岩移监测的监测结果来评价覆岩动力灾害弱化效果，其中，制浆监测：监测浆体浓度是否符合预期要求，检测颗粒粒径是否达到破碎效果，以及制浆设备运行状态是否良好；注浆监测：包括注浆速度、注浆压力、和单孔注浆量参数的监测，以此判定是否达到预期效果；地表岩移监测：根据岩层变形及地表变形反馈地表下沉量。
11.进一步，所述的冲击危险区域的充填层位是嗣后空间，嗣后空间是指诱发冲击灾害的诱冲关键层下方的软弱岩层受重力作用下发生滑移和回转变形而产生不同程度的失稳破断，在上覆岩层中形成空隙和裂隙空间的总称，主要包括诱冲关键层下方弯曲下沉带离层区、裂隙带和垮落带。
12.进一步，所述的矸石与水混合制备矸石注浆充填材料，0.15～2mm粗粒径的矸石由对辊制砂机破碎得到，过筛的粗粒径矸石由溢流式球磨机经机械研磨得到0～0.15mm细粒径的矸石，为确定粗细粒径矸石和水的合理配比，改变它们之间的含量优化配比制备矸石注浆充填材料，并对其流动度，扩展度进行测试，保证矸石注浆充填材料具有较好的输送性能。
13.进一步，所述的矸石与水的合理配比中煤矸石与矿井水的固料质量浓度为60％，粗细粒径矸石质量比1:1。
14.进一步，通过从地面布置注浆钻孔(14)打通地面至离层区(15)，选取管道，将制备好的料浆通过充填泵(8)泵送至离层空间(15)，离层空间(15)是由煤层开采，破坏了岩体的原平衡状态产生的，离层区的空间会导致诱冲关键层(11)破断，引起表土层(10)下沉，但当充填料浆充填至离层空间(15)时，能有效支撑诱冲关键层(11)，减缓诱冲关键层的破断及变形，压实下方软弱岩层，从而大规模处理矸石、弱化冲击灾害的发生以及控制地表下沉。
15.有益效果：本方法，包括冲击危险区域的确定、矸石注浆充填材料的制备、冲击危险区域嗣后空间矸石注浆充填、充填弱化覆岩动力灾害效果的监测与评价。嗣后空间矸石
充填通过充填作用、支撑作用、压实作用、胶结作用、膨胀作用和减缓作用减缓控制诱冲关键层的位移和突然破断，从而减弱或者消除动力灾害。通过对诱发冲击灾害的诱冲关键层进行判定，并确定诱冲关键层下方的嗣后空间为具有冲击倾向性的危险区域空间；通过钻孔注浆充填方法，从地面打孔，将注浆材料注入具有冲击灾害发生的危险区域空间：离层空间、裂隙带空间、垮落带空间进行矸石注浆充填，充填材料一方面阻止了诱冲关键层的弯曲变形的速度，和诱冲关键层突然迅速破断的情况，进而阻止能够诱发冲击灾害的致灾能量积聚过程，让诱冲关键层因弯曲变形产生的弹性应变能(致灾能量)不达到发生冲击的阈值，另一方面，充填材料在处置了生产矸石的同时具有承载压缩变形，对诱冲关键层变形具有缓冲的作用，让诱冲关键层缓慢变形，不发生突然破断，而是缓慢的发生破坏，释放的冲击力强度大幅度降低了，进而传到工作面的强度也减小了，达到防治冲击灾害的目的该方法系统简单，初期投资小，可以实现连续、机械化、大面积开采，单位成本低，仅为其它充填方式的1/3～1/4，且回采率高，能达到80％～90％，降低了矸石固废地面环境的破坏与污染，是促进煤矿绿色开采和可持续发展的重要技术手段，具有重要的社会意义，进一步推动注浆充填采煤理论和技术的发展，对于类似条件矿井煤炭资源的开采具有典型示范作用。
附图说明
16.图1为本发明煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害效果评价流程图；
17.图2为本发明煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法使用系统示意图；
18.图3为本发明煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法中工作面注浆钻孔布置俯视图。
19.图中：1—震动给料机；2—胶带运输机；3—细颚式破碎机；4—对辊制砂机；5—清水泵；6—球磨机；7—搅拌池；8—充填泵；9—汽车；10—表土层；11—诱冲关键层；12—顶板岩层；13—底板岩层；14—注浆钻孔；15—离层空间；16—采空区；17-嗣后空间；a—煤柱承载区；b—离层区；c—压实区。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
21.如图1所示，本发明的一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，分析矿井煤岩冲击倾向性、坚硬岩层移动变形与致灾能量演变特征，判定冲击危险区域的嗣后空间范围；将矿井掘进矸石、洗选矸石进行多级筛分破碎，优化粒径级配后与水混合制备成矸石注浆充填材料；利用注浆钻孔和充填泵将充填料浆泵注至诱冲关键层下方离层区，料浆在泵送压力作用下不断向离层深处流动，同时，也受到岩层阻力，导致料浆粉末颗粒层析沉积，在注浆结束后，沉积灰层形成具有和离层区层状空间近似的坡度线几何形状；其中，充填料浆中的粉末颗粒与水均是不可压缩物料，填充离层空间后，对上方诱冲关键层具有承载支撑能力，抑制其持续发生弯曲下沉，降低离层区周围弹性应变能积聚，减少冲击应力峰值；泵压注浆带有水压作用，在连续高压大流量的注浆条件下，高压浆料不仅对上层岩层起到支撑作用，从而有效的防止上覆岩层继续下沉，而且对下层被破坏岩层具有向下
的压力，进而压实下层抗弯承载力较小的岩层。而且，充填料浆与下层岩层共同组合成承载诱冲关键层的充填体结构，重新组合的充填体结构具有压缩性能，能够卸载诱冲关键层传递的弹性应变能，减少应变能向工作面煤岩体传递的强度，大幅降低了工作面应力集中程度，进而弱化了冲击灾害发生的风险；最后通过制浆监测、注浆监测、地表岩移监测的监测结果评价注浆充填对覆岩动力灾害的弱化效果。
22.具体步骤如下：
23.s1、确定矿井冲击危险区域嗣后空间：首先，通过对工作面煤体及上覆坚硬岩层取样制备标准试件，测试煤岩体试样的冲击倾向性风险，综合考虑工作面开采深度、煤层赋存特征、坚硬岩层自身特性方面因素，确定工作面煤体及上覆坚硬岩层冲击倾向性危险区域范围；然后，采用理论计算和数值模拟的方法对冲击倾向性区域坚硬岩层变形过程中的应变能积聚与释放的特征进行分析，基于坚硬岩层致灾能量阈值判定诱发冲击灾害的诱冲关键层，进而确定诱冲关键层以下的离层区、裂隙区以及垮落区为冲击风险区域嗣后空间17，工作面开采之后，上覆岩层移动变形产生的裂隙空间，此时下方采空区不仅有垮落物，也有注浆充填材料，即注浆钻孔打到垮落带上方，有垮落带裂隙空间沟通就可以把注浆材料充填进去采空区垮落带；
24.s2、制备矸石注浆充填材料：首先将矸石破碎为0～0.15mm和0.15～2mm两种粒径，按照粒径质量比(0～0.15mm)：(0.15～2mm)＝1:2的配比进行混合，然后，将混合材料与水搅拌混合制备成质量浓度为60％的矸石注浆充填材料；
25.s3、如图3所示，利用矸石注浆充填材料充填冲击危险区域嗣后空间：首先，确定首个注浆钻孔的位置为距离区段工作面开切眼300m处，并且在工作面倾向宽度的中间位置；从地面垂直向冲击风险区域嗣后空间17施工注浆钻孔，然后，沿着区段工作面推进方向依次间隔300m布置注浆钻孔，直至布置整个区段工作面的注浆钻孔，注浆钻孔底部位置打到诱冲关键层与软岩移动变形而产生的离层区，等离层区充填完毕，继续往深处打钻，打到工作面采空区垮落带上方进行注浆充填，所以，这个注浆钻孔注入的裂隙空间位置属于嗣后空间；最后，利用充填泵和注浆钻孔将矸石注浆充填材料泵送至嗣后空间，浆材料注充到嗣后空间后形成承载结构，对坚硬岩层具有填充支撑作用，而且充填料浆泌水沉积形成嗣后空间垫层材料，沉积垫层形成的位置主要是将离层区充填满之后在离层空间形成的；当料浆充填到垮落带，泌水后的料浆也会充填垮落带破碎岩体之间的裂隙，并和垮落带破碎岩体聚结形成组合体，但是这种情况，垮落带的充填体距离诱冲关键层较远，对诱冲关键层起到的垫层作用不是特别明显，所以，主要起到垫层作用，能缓冲诱冲关键层弯曲变形的积聚能量，阻止诱冲关键层突然垮断的作用是指离层空间充填的注浆材料所起到的作用，具有缓冲坚硬岩层弯曲变形作用，在阻止坚硬岩层变形过程中能量积聚的同时，利用自身压缩特性吸收部分坚硬岩层向下传递的能量；同时注浆材料压实下方裂隙岩层，扩展孔道，当充填材料填充完大孔径裂隙之后，封堵孔径小于2mm的岩体裂隙，泌水之后，形成沉积层封堵较小裂隙；
26.s4、充填弱化覆岩动力灾害效果的监测与评价：通过制浆监测、注浆监测、地表岩移监测结果来评价覆岩动力灾害弱化效果：其中制浆监测浆体浓度是否符合预期要求，检测颗粒粒径否达到破碎效果，此外还包括制浆设备运行状态是否良好；注浆监测主要包括注浆速度、注浆压力、和单孔注浆量，以判断注浆量是否达到预期效果；地表岩移监测根据
岩层变形以及地表。
27.实施例一、本发明目的是针对矿井矸石难处理，覆岩动力灾害后果严重的现状，提供一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填弱化覆岩动力灾害方法，其中地层结构为表土层10、诱冲关键层11、顶板岩层12；底板岩层13，嗣后空间17区域从上到下包括煤柱承载区a、离层区b和压实区c，其中离层区b上方为离层空间15
28.具体步骤为：
29.①
冲击危险区域的确定：通过udec数值模拟软件模拟煤层采高、工作面推进对覆岩离层发育演化的规律，判断产生冲击危险的区域，并在现场检测验证冲击危险区域，划分出高应力集中区，并结合其规律，确定工作面回采结束后，未破断处于平衡状态下的诱冲关键层上方为冲击危险区域。
30.②
矸石注浆充填材料的制备：材料主要为不同粒径的矸石和水，采用单一变量法测试不同矸石粒径、加载速度、初始加载应力对矸石注浆充填材料的影响规律，选取0～0.15mm和0.15～2mm粒径的矸石和水混合制成矸石注浆充填材料。
31.③
冲击危险区域嗣后空间矸石注浆充填：将注浆钻孔14沿走向布置在工作面中间位置，孔底间距300m，选好矿井充填路线，通过充填泵将矸石注浆充填材料泵送至冲击危险区域嗣后空间17。
32.④
充填弱化覆岩动力灾害效果的评价：通过制浆监测、注浆监测、地表岩移监测结果来评价覆岩动力灾害弱化效果。
33.所述的嗣后空间17是指煤炭开采后，上覆岩层受重力因素作用会发生不同程度的失稳破断，在采空区16以滑落和回转的形式不规则堆积，上覆岩层破裂产生缝隙以及弯曲下沉产生离层使得离层区b、裂隙区、垮落区中普遍存在空隙，嗣后空间17即广泛地分布于上述空隙中。
34.所述的嗣后空间17，其空隙的大小有所差异，在走向方向上可以将采动影响的区域划分为煤柱支撑区a、离层区b与压实稳定区c，其中离层区的嗣后空间17就分布较多。在垮落带中走向方向上又可根据破碎岩石压实程度的不同划分为自然堆积区、载荷影响区和重新压实区，其中自然堆积区通常为嗣后空间17的主体分布区。
35.所述的矸石注浆充填材料的制备，其特征在于所述的矸石与水混合制备矸石注浆充填材料，矸石经由汽车9、振动给料机1、胶带运输机2、颚式破碎机3破碎至5mm以下，而0.15～2mm粒径的矸石由对辊制砂机4破碎得到，过筛的大粒径矸石由溢流式球磨机6经机械研磨得到0～0.15mm粒径的矸石，为确定0～0.15mm、0.15～2mm粒径矸石和清水泵5提供的水的合理配比，改变配比的含量制成矸石注浆充填材料，并对其流动度，扩展度进行测试，保障矸石注浆充填材料的输送性能。
36.将矸石颗粒与水在搅拌池7中制备矸石注浆充填材料：将矸石与水的合理配比中煤矸石与矿井水的固料质量浓度为60％，粗细矸石质量比1:1。
37.采用单一变量法测试不同矸石粒径、加载速度、初始加载应力对矸石注浆充填材料的影响。试验是将矸石粒径分为0～0.15mm、0.15～2mm、2～5mm、5～8mm、8～10mm放入缸筒压实试验装置中，并将万能材料试验系统的加载速率设置为0.5kn/s、1.0kn/s、2.0kn/s、5.0kn/s、10.0kn/s，初始加载应力为0mpa、0.5mpa、1.0mpa、1.5mpa、2.0mpa，研究坚硬岩层型顶板下沉时矸石注浆充填材料的应变能变化，得出矸石注浆充填材料为达到相同变形时
消耗的能量越多，矸石的应变就需越小，粒径就需越小，故综合考虑矸石的破碎成本、矸石注浆充填材料的输送性能和能量耗散选择0～0.15mm和0.15～2mm粒径的矸石和水混合制备矸石注浆充填材料。
38.所述的制浆监测、注浆监测、地表岩移监测结果来评价覆岩动力灾害弱化效果，其中制浆监测主要为浆体浓度浆液是否符合预期配比和颗粒粒径颗粒是否达到破碎效果监测，此外还包括制浆设备运行状态是否良好监测；注浆监测主要包括注浆速度、注浆压力浆液注入难易程度、和单孔注浆量是否达到预期效果；地表岩移监测根据岩层变形以及地表变形反馈地表下沉量。
39.所述的矿井充填路线，通过从地面布置注浆钻孔14打通地面至离层空间15，选取管道，将制备好的料浆通过充填泵8泵送至离层空间15，离层空间15是由煤层开采，破坏了岩体的原平衡状态产生的，离层区的空间会导致诱冲关键层11破断，引起表土层10下沉，但当充填料浆充填至离层空间15时，能有效支撑诱冲关键层11，减缓诱冲关键层的破断及变形，压实下方各软岩层，从而大规模处理矸石、弱化冲击矿压的发生以及控制地表下沉。