分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法

摘要

分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法，属于煤矿开采技术领域，它在勘探、排水的基础上，首先把陷落柱划分成：顶板加固区、截割区和底板加固区；再根据陷落柱形状、大小、位置和相应区域的加固厚度合理布置钻孔，并在各区域分别注入相应材料配比的浆液，注浆提高了陷落柱内部岩石的胶结性，从而使不同区域的陷落柱岩石达到所需的力学性能和承载能力；然后在工作面接近陷落柱时降低采高来减缓顶板活动的剧烈程度，降低对陷落柱的超前支承压力，使综采工作面可直接通过陷落柱。该方法与现有的注浆加固陷落柱使综采工作面直过陷落柱的方法相比大大地减少了工作量、材料浪费和费用，提高了生产效率和安全性。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体是一种分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法。

背景技术

煤系地层下伏可溶性灰岩经地下水长期冲刷、溶蚀形成溶洞，在上覆岩层重力和地质构造力的作用下，溶洞顶部地层逐步破碎塌陷，最终形成了陷落柱，又称无炭柱。

陷落柱是煤矿生产中常见的一种地质灾害体，广泛分布在我国华北石炭二叠纪煤系地层中。陷落柱的存在破坏了煤的连续性，严重影响了煤矿的正常生产。因此，寻找一种使综采工作面直接通过陷落柱的方法在煤矿开采中变得刻不容缓。

目前，在煤矿开采过程中综采工作面通过陷落柱的方法主要有搬家跳采、开掘绕巷和直接硬过三种。对于含水性较强的陷落柱，为了保证安全需要留设保护煤柱，一般采用搬家跳采、开掘绕巷的方式通过，但是对于一些含水性弱的陷落柱来说，直接硬过具有煤炭损失少，对生产影响小，煤炭资源利用率和经济效益高等优点。根据陷落柱岩石的强度，直接硬过的方法可大致分为通过硬陷落柱和软陷落柱两种。

目前，对于直接过硬陷落柱的方法研究较多，公开的方法大致可分为物理方法和化学方法。主要的物理方法有①预裂松动法；②钻孔弱化法。预裂松动法是采用爆破、高压电脉冲破碎等手段对陷落柱实施预裂松动或破碎后工作面直接通过。对于爆破松动来说，爆破不仅工艺复杂影响施工进度，并且飞石损害支架等问题。对于高压电脉冲破碎岩体来说，主要应用油气井深部岩体的破碎，对于存在瓦斯、煤尘等易爆气体和有人工作的采煤工作面来说，应用的安全性尚不可知。钻孔弱化法通过对陷落柱钻孔使其弱化后工作面直接通过，但存在钻孔施工数量多，工程量大，工程进度慢的问题。常见的化学方法是对陷落柱注入化学溶液，利用化学溶液溶解陷落柱岩石矿物成分，使其强度降低后切割通过，但是化学溶液的注入量、化学溶液的渗透和溶解控制难度大，同时化学溶液可能腐蚀或影响采煤机械，减少寿命。

目前，对直接通过软陷落柱的方法只有注浆加固后再通过，由于软陷落柱内常被一些泥质物充填胶结，但胶结性差，整体力学性能非常差，自身不具有承载能力，所以直接通过会出现溃泄现象，造成工作面冒顶事故的发生，同时在支架通过时由于陷落柱底板松软承载能力差导致支架底座下陷而难以通过，严重影响安全和生产进度。现在所用的陷落柱注浆方法通常是对陷落柱进行不加区分的注浆，即，注浆时间、浆液种类和加固区域都不区分，这造成了诸多问题。对于注浆时间，由于陷落柱柱体及周围岩层完整性及应力状态区别于普通岩层，在工作面接近陷落柱时会引起陷落柱体内应力变化，造成柱体扰动破坏，如果注浆时间不合适，则起不到加固的效果。对于注入的浆液和加固区域，如果加固的区域实施注入同一种浆液，虽然陷落柱强度得到了提高，但是陷落柱截割区和对应的顶底板的强度相等，提高了截割区的难度，甚至形成了人为的“硬陷落柱”，还需利用硬陷落柱直接硬过方法进行二次处理。整体注浆如果强度过大难以切割，强度过小不足以保证安全通过这大大增加了工作量和费用、浪费了材料，降低了效率和安全性。因此，寻找一种经济实用、简便快捷、安全可靠的方法使得综采工作面直接通过软陷落柱是十分必要的。

综上所述，在现有技术条件下，注浆加固陷落柱使综采工作面直接通过软陷落柱的主要问题是加固时间和加固强度和区域的不区分所带来的工作量、材料浪费和费用的增加，生产效率的降低和安全性较差。因此，寻找亟需一种经济实用、简便快捷、安全可靠的方法对陷落柱进行分级分区加固，提高其相应力学性能和承载能力，确保综采工作面直接通过软陷落柱。

发明内容

本发明提供一种分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法，以解决注浆加固陷落柱使综采工作面直接通过软陷落柱的主要问题即加固时间和加固强度和区域的不区分所带来的工作量、材料浪费和费用的增加，生产效率的降低和安全性较差等。

一种分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法，包括下述步骤：

步骤一、通过物探或钻探确定陷落柱的边界和陷落柱内含水情况，并排水；

步骤二、取样分析：即对陷落柱岩石进行钻孔取样，测定试样的天然单轴抗压强度、孔隙率、含水率和渗透系数；  

步骤三、分区并预测各区加固后的物理力学参数：即根据顶板加固厚度，底板加固厚度和采煤机截割厚度将陷落柱在垂直方向划分为底板加固区、截割区和顶板加固区；

采用弹性理论的计算结果得出陷落柱各区的加固厚度为：顶板加固区厚度为煤层厚度范围内，计算顶板加固后的力学参数时，以顶板加固区自身稳定所需的阻力和液压支架工作阻力相等作为临界条件反推陷落柱加固后固结体的临界的容重、内摩擦角、抗压强度等物理力学参数；底板加固厚度：底板加固厚度为煤层厚度的1/3～2/3，且底板加固厚度要承载底板所承受的压力，底板所承受的压力为液压支架重量及顶板传递的顶板压力之和，以液压支架不下陷为准反推陷落柱加固后固结体的抗压强度等物理力学参数；截割区整体加固，且需要保证注浆后固结体的硬度要小于采煤机截割的最大硬度，并反推陷落柱加固后固结体的抗剪强度等物理力学参数；

步骤四、模拟注浆试验：根据步骤三得出的3个区域的固结体的物理力学参数，再通过所取的陷落柱试样与不同类型和配比浆液进行模拟注浆试验，确定浆液的类型和配比。

步骤五、根据步骤二中测定的陷落柱的孔隙率和渗透系数确定顶板加固区注浆钻孔的间排距，进而确定凝结时间和注浆压力，选择注浆机具。

步骤六、分级分区进行注浆：即先在陷落柱相应的截割区注入快速固结的化学浆液，再在其他两区注入步骤四所确定的相应浆液；

截割区注浆需要先在上下边界采用密集钻孔，注入快速凝结的化学浆液，封堵截割区陷落柱岩体的孔裂隙系统，形成隔离层，后在中部进行注浆；截割区注浆结束后进行底板注浆；最后进行顶板加固区注浆；

步骤七、利用观测矿压实测数据和结合数值模拟的方法判断综采工作面对陷落柱的应力的影响程度和影响距离，以此判断对陷落柱加固的时机；

步骤八、在根据综采工作面的条件制定相应减弱矿压显现的措施使综采工作面通过陷落柱。

本发明根据陷落柱的形状、大小、位置，布置钻孔、分级分区注浆加固，提高其相应的力学性能和承载能力。当工作面通过陷落柱时，工作面顶底板稳定，从而使工作面可直接通过溃泄型陷落柱。

与现有的技术相比，本发明减少了工作量、材料浪费和费用，提高了生产效率和安全性，是一种经济实用、简便快捷、安全可靠的使综采工作面直接通过软陷落柱的方法。

附图说明

图1是本发明某矿综采工作面与陷落柱的位置平面示意图；

图2是本发明某矿综采工作面对陷落柱注浆孔布置平面示意图；

图3是本发明某矿综采工作面对陷落柱注浆孔布置剖面示意图；

图4是本发明某矿回风平巷帮注浆孔布置平面示意图；

图5是本发明某矿回风平巷顶注浆孔布置平面示意图。

图中：1、开切眼；2、运输平巷；3、回风平巷；4、陷落柱；5、注浆钻孔；6、顶板加固区；7、截割区；8、底板加固区。

具体实施方式

以下针对某矿地质情况结合附图由实施例对本发明的具体实施方式进一步说明。

步骤一、如图2所述，通过物探和钻探方法确定某矿陷落柱的形状、大小、位置以及综采工作面前方的地质情况。

经测定陷落柱4形状近似椭圆形，长轴是26.0m，短轴是23.0m，平面面积是441m²，且陷落柱距离回风平巷3比距离运输平巷2近；

进一步陷落柱内有涌水现象，进行排水作业；首先在回风平巷3向工作面内侧及陷落柱上方施工了两个探放水钻孔（终孔位置位于巷道上方50米处）将水量疏干，使柱体内的松散体不能形成泥石流为止，同时在陷落柱上方垂深50米处施工监测孔，监测陷落柱上方导水情况，并且按要求完善回风平巷的排水系统以及配备泥浆泵；

步骤二、对陷落柱岩石进行钻探取样，将岩样制成标准试件。测得其岩石的天然单轴抗压强度、孔隙率、含水率和渗透系数。

步骤三、将陷落柱在垂直方向根据顶板加固厚度，底板加固厚度和采煤机截割厚度划分为底板加固区、截割区和顶板加固区；

采用弹性理论的计算结果得出陷落柱各区的加固厚度为：顶板加固区厚度为煤层厚度范围内，计算顶板加固后的力学参数时，以顶板加固区自身稳定所需的阻力和液压支架工作阻力相等作为临界条件反推陷落柱加固后固结体的临界的容重、内摩擦角、抗压强度等物理力学参数；底板加固厚度：底板加固厚度为煤层厚度的1/3～2/3，且底板加固厚度要承载底板所承受的压力，底板所承受的压力为液压支架重量及顶板传递的顶板压力之和，以液压支架不下陷为准反推陷落柱加固后固结体的抗压强度等物理力学参数；截割区整体加固，且需要保证注浆后固结体的硬度要小于采煤机截割的最大硬度，并反推陷落柱加固后固结体的抗剪强度等物理力学参数；因为该矿煤层厚度为6.4m，采高为2.8m,所以并且钻孔的终孔位置在工作面支架以上垂高10m处和在底板以下垂高1～2m处；

步骤四、根据步骤三得出的3个区域的固结体物理力学参数，再通过所取的陷落柱试样与不同类型和配比浆液进行模拟注浆试验，确定浆液的类型和配比。

进一步综采工作面过陷落柱时注浆加固材料的选择原则为: 陷落柱的截割区经注浆加固以后要方便采煤机截割，所以陷落柱经注浆加固以后的强度不能太高，与煤层的强度相似即可；陷落柱的顶底板岩层经注浆加固后强度要满足工作面通过时顶底板稳定，即通过调节水灰比和发泡倍数，满足其不同强度要求。此外，充填料必须具有较好的流动性、渗透性、凝固时间短、无毒无害、成本低廉和易于购买。

进一步通过实验室试验比较，一种新型的硅基脲酸脂材料瑞米无机密闭Ⅰ号凝固时间5～10min，具有较好的流动性和渗透性，且强度达到设计要求，所以综采工作面过陷落柱时截割区注浆材料选用瑞米密闭Ⅰ号；525号水泥抗压强度满足过陷落柱时顶底板岩层的强度，因此过陷落柱时顶底板岩层注浆加固材料选择525号水泥。

进一步根据以下公式估算每个注浆孔的注浆量：

式中，Q为注浆量，m³；V为需要充填的体积，m³；n为充填体孔隙率，砂层n=25%~40%，空洞n=1；a为浆液损失系数，取a=1.1~1.3。

总注浆量为单孔注浆量乘以钻浆数目，通过计算该矿总注浆量为1784.5m³，注浆孔5的直径为75mm；注浆花管采用φ25mm的无缝钢管，顶端呈圆锥形，周边呈梅花形布置，间距15cm长的花孔，孔径φ10mm。

进一步根据浆液的扩散半径确定注浆孔的排间距和钻孔布置方式，两孔的孔距应保证注浆后浆液渗透范围有一定的交叉，排间距所以应小于2倍的扩散半径，最佳取2倍扩散半径的0.8倍；

步骤五、根据步骤二中测定的陷落柱的孔隙率和渗透系数等参数计算出浆液的扩散半径，利用浆液的扩散半径确定顶板加固区注浆钻孔的间排距，进而确定凝结时间和注浆压力，选择注浆机具；

进一步浆液的扩散半径根据现场围岩的力学性质、裂隙状况、浆液性质及注浆压力等情况确定。根据围岩的破碎程度确定注浆压力：围岩严重破碎时可选用0.5MPa的注浆压力，较破碎时取1.0MPa左右，裂隙较小时取1.0～2.0MPa，最高不超过3MPa。如果围岩强度较低，注浆压力不超过其抗压强度的1/3。

步骤六、注浆顺序分级分区进行，先在截割区注快速固结的化学浆，再在其他两区注所确定的浆液；截割区注浆需要先在上下边界采用密集钻孔，注入快速凝结的化学浆，封堵截割区孔裂隙系统，形成隔离层，再在中部正常工艺注浆；底板注浆在截割区注浆结束后进行，顶板加固区最后进行；由以上方法该矿的注浆孔5沿巷道走向方向排间距为2m布置（见图3），在垂直于巷道的剖面上，在巷帮和巷顶的钻孔布置如图3、4、5所示，如遇特殊情况可适当加密，注浆方式要按钻孔排列顺序先截割区的3、7、4、6、5,再底板加固区的1、2,最后顶板加固区的8、10、9、11分区间隔进行。

步骤七、利用观测实测矿压数据和结合数值模拟的方法判断工作面对陷落柱的应力的影响程度和影响距离，以此判断对陷落柱加固的时机；

根据矿压实测数据和数值模拟研究，工作面过陷落柱时对工作面前方和陷落柱应力的数值模拟研究，发现根据影响距离和程度可以将采动应力和陷落柱体应力的相互影响分为3个主要阶段：弱影响阶段，中影响阶段、强影响阶段。应该在弱影响阶段到来前加固了陷落柱体，在强影响阶段加强了工作面的顶板管理。工作面距离陷落柱150m时，开始对陷落柱体应力产生影响，开始在回风平巷3内通过注浆孔5向陷落柱进行超前注浆加固。

步骤八、在根据工作面的条件制定相应减弱矿压显现的技术措施的条件下使综采工作面通过陷落柱。

在工作面距陷落柱50m时，陷落柱开始对工作面采动应力产生较大影响。因此，从工作面接近陷落柱50m开始加强液压支架的管理，保证初撑力和额定工作阻力。从工作面接近陷落柱20m开始附近的架液压支架逐渐减少采高以减缓顶板活动的剧烈程度，降低对陷落柱的影响。根据陷落柱加固的情况确定通过陷落柱的工作面采高为2.8m，从而达到综采工作面安全、高效、快速通过陷落柱的效果。

本发明实施例提供的分级分区注浆加固陷落柱使综采面直过软陷落柱的方法，在勘探、排水的基础上，首先把陷落柱划分成：顶板加固区、截割区和底板加固区；再根据陷落柱形状、大小、位置和相应区域的加固厚度合理布置钻孔，并在各区域分别注入相应材料配比的浆液，注浆提高了陷落柱内部岩石的胶结性，从而使不同区域的陷落柱岩石达到所需的力学性能和承载能力；然后在工作面接近陷落柱时降低采高来减缓顶板活动的剧烈程度，降低对陷落柱的超前支承压力，使综采工作面可直接通过陷落柱。该方法与现有的注浆加固陷落柱使综采工作面直过陷落柱的方法相比大大地减少了工作量、材料浪费和费用，提高了生产效率和安全性，是一种经济实用、简便快捷、安全可靠的使综采工作面直接通过软陷落柱的方法，具有较强的推广和应用价值。