一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法

1.本发明涉及煤矿充填开采领域，特别是涉及一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法。


背景技术：

2.煤炭高强度开采后形成的冒落区容易产生二次沉降、煤层自燃、有害气体积聚、矿井突水等灾害，同时伴生产物煤矸石及煤化工深加工过程中产生诸如粉煤灰、脱硫石膏之类的煤基固废占地堆放，会污染周边大气和水体。充填采矿法可有效解决以上问题，借鉴膏体充填技术，近些年冒落区流态化充填技术被广泛应用。
3.冒落区流态化充填技术是将矸石等煤基固废破碎后按照一定比例进行简单胶结或直接加水制浆泵送充填至井下已冒落冒落区的新型充填技术。针对冒落区充填，现有技术公开有一种煤矿冒落区分段胶结注浆充填方法(申请号：202210441681.x)，一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法(申请号：202210876397.5)等，可以发现目前已有的技术注浆层位选择在回采工作面冒落区及嗣后空间，通过本煤层两巷直接向冒落区注浆，通过隔离煤柱在另一工作面两巷开展邻位注浆，或者在工作面直接打钻孔向冒落区注浆，开展高位注浆(朱磊,etal."冒落区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望."煤炭科学技术.doi:10.13199/j.cnki.cst.2022-1725.)。有研究发现冒落区残余空间存在“空洞—空隙—孔隙”分布规律(本技术中统称冒落区残余空间分布规律)，可以通过按顶板岩层冒落量及矸石密集程度划分为特定区域(李亮，etal.“煤矸石井下处理与冒落区流态化充填技术”西安科技大学学报42.05(2022):865-873.doi:10.13800/j.cnki.xakjd xxb.2022.0504.)。
4.可以发现现有的研究涉及的充填方法仅仅只是通过冒落区空间空隙分布规律来测算注充空间，没有考虑到合理利用冒落区残余空间分布规律来开展多层位立体化注浆；同时对于随采随跨型顶板，邻位注浆及工作面直接打钻孔向冒落区注浆会存在堵管风险，且高位注浆充填成本太高。
5.有鉴于此，如何提供一种能够部分或全部解决上述技术问题的注浆方法是本领域人员亟需解决的一个技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，以解决上述现有技术存在的问题，使冒落区注浆时能够多层位、立体化注浆。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，包括以下步骤：
8.第一步：按冒落区残余空间分布规律、顶板岩层(包括伪顶、直接顶、基本顶及以上所有岩层)冒落量及矸石密集程度将冒落区划分为i区、ii区和iii区三个不同的注浆区域，确定所述i区、ii区、iii区的区域范围，区域范围包括高度、长度和宽度；
9.第二步：确定高位注浆硐室距停采线的距离、距煤层的高度及石门的起坡位置和长度，所述高位注浆硐室布设层位为硬岩底板；
10.第三步：确定所述i区、ii区、iii区所对应的注浆长钻孔的布设层位、终孔位置和水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔之间的夹角；其中，所述注浆长钻孔的布设层位和终孔位置如下：从所述高位注浆硐室沿着硬岩底板水平开设多个注浆长钻孔使其终孔位于所述iii区的上方；沿软岩互层开设多个倾斜向下且终孔靠近基本顶顶板的注浆长钻孔，使其终孔位于所述ii区的上方；沿软岩互层和基本顶开设多个倾斜向下且终孔靠近直接顶顶板的注浆长钻孔，使其终孔位于所述i区的上方；所述高位注浆硐室与每个所述注浆长钻孔均连通，在每个所述注浆长钻孔的终孔处安装无缝花管；
11.第四步：从地面注浆站布设注浆管路至所述高位注浆硐室，所述注浆管路为泵送充填浆液的管路；
12.第五步：当工作面开采至所述i区边界时，冒落区空间空隙分布出现所述i区，ii区，iii区的区域特征后，开启位于所述iii区上方的所述注浆长钻孔的阀门，充填浆液沿着软岩互层和基本顶之间的空隙流动到基本顶下方的冒落空间；当iii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于所述iii区上方的注浆长钻孔的阀门，开启位于所述ii区上方的注浆长钻孔的阀门，充填浆液沿着基本顶和直接顶之间的空隙流动到直接顶下方的冒落空间；当ii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于所述ii区上方的注浆长钻孔的阀门，开启位于所述i区上方的注浆长钻孔的阀门，充填浆液沿着直接顶和煤层顶板之间的空隙流动到工作面架后的冒落区。
13.进一步的，所述i区、ii区、iii区的区域范围根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律和流态化料浆的扩散性能确定，详细步骤如下：
14.(1)根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律、冒落区岩块的分布状态和受力特征形成采场上覆岩层下沉曲线；(其原理可参考李亮,etal.“矸石流态化充填冒落区四级分区模型研究”采矿与安全工程学报40.01(2023):11-16.doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0024。)
15.(2)根据采场上覆岩层下沉曲线推导出冒落岩块随工作面推进时间的受力关系，推导计算后确定冒落区稳定性系数随工作面推进时间的关系；(其原理可参考李亮,etal.“矸石流态化充填冒落区四级分区模型研究”采矿与安全工程学报40.01(2023):11-16.doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0024。)
16.(3)按照冒落区稳定性系数随工作面推进时间的关系建立冒落区“走向-倾向”的分区模型；
17.(4)根据冒落区“走向-倾向”的分区模型确定冒落区可充填区域，从而确定所述i区、ii区、iii区的区域范围。该区域的长度为工作面的长度，宽度根据稳定性系数随工作面推进时间的关系确定，推进时间乘以推进速度即为宽度，高度分别为煤层底板到伪顶底板(i区)、直接顶底板(ii区)、基本顶底板(iii区)的距离。流态化料浆的扩散性能表征主要通过料浆的扩散半径，该项参数的作用是验证上述步骤最终确定的所述i区、ii区、iii区的区域范围。
18.进一步的，所述高位注浆硐室设置在停采线超前支撑压力影响范围之外，所述高位注浆硐室距煤层高度为硬岩底板距工作面正中央的垂直距离；所述石门起坡位置根据所
述高位注浆硐室确定，所述石门起坡位置和所述注浆硐室两点成一线并垂直工作面风巷设置，所述石门长度根据煤层倾角和高位注浆硐室距煤层高度通过几何三角换算得出。例如超前支撑压力影响范围为0-10m，则高位注浆硐室需要布置在距停采线10m之外。
19.进一步的，水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔之间的夹角根据煤层的上覆岩层顶、底板岩性、“三带”高度确定。水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔之间的夹角在20-70
°
之间。
20.进一步的，所述无缝花管长度为所述注浆长钻孔长度的十分之一，材质为dn180无缝刚花管，所述无缝花管和所述注浆长钻孔之间采用内套管焊接。无缝花管的作用是在注浆长钻孔的注浆端口形成“花洒”般的注浆喷出效果，增加注浆范围，将其长度设置为所述注浆长钻孔长度的十分之一目的在于保证注浆范围充足，为注浆效率提供保障。
21.进一步的，在第五步中，充填浆液采用间歇性注浆，多次注浆时采用的充填浆液水固比由低到高，所述充填浆液中含有增粘剂
，
采用上述方案能够避免大剂量注浆或高水固比注浆造成注浆长钻孔突发性堵塞，增粘剂主要用于注浆后使浆体快速凝固支撑顶板，实现地面减沉的效果，间歇性注浆前用清水冲洗注浆长钻孔，可防止通道堵塞。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)充分利用了冒落区空间空隙分布特征和规律，将注浆充填和冒落区空间空隙分布特征和规律联系起来，按顶板岩层冒落量及矸石密集程度划分为不同的注浆区域来开展多层位立体化注浆，可以充分利用注充空间，有效增大采注比。
24.(2)通过不同注浆区域注浆先后顺序改变上覆岩层的冒落规律，加速注充材料对于上覆岩层的承载，从而减弱上覆岩层的下沉，正向影响多层位立体化注浆，有效提高冒落区的注浆量。
25.(3)通过布置下行注浆孔避免了随采随跨型顶板注浆充填时的堵管，采用长钻孔注浆避免了施工高位巷道造成的注浆成本增加问题，减缓地表下沉。
26.(4)该方法操作简便、安全、经济，具有广阔的应用前景，对煤矿冒落区注浆充填领域有重要的现实意义。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明的立体结构示意图；
29.图2为本发明的剖面示意图；
30.图3为本发明的充填效果示意图；
31.图4为本发明的俯视图；
32.其中，1为停采线，2为高位注浆硐室，3为工作面，4为石门，5为注浆长钻孔，501为1-1注浆长钻孔，502为1-2注浆长钻孔，503为1-3注浆长钻孔，504为2-1注浆长钻孔，505为2-2注浆长钻孔，506为2-3注浆长钻孔，507为3-1注浆长钻孔，508为3-2注浆长钻孔，509为3-3注浆长钻孔，6为地面注浆站，7为注浆管路，8为无缝花管。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.参照附图，本发明提供一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，包括以下步骤：
36.第一步：按冒落区残余空间分布规律、顶板岩层冒落量及矸石密集程度将冒落区划分为i区、ii区和iii区三个不同的注浆区域，确定i区、ii区、iii区的区域范围，区域范围包括高度、长度和宽度；i区、ii区、iii区的区域范围根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律和流态化料浆的扩散性能确定，详细步骤如下：根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律、冒落区岩块的分布状态和受力特征形成采场上覆岩层下沉曲线；根据采场上覆岩层下沉曲线推导出冒落岩块随工作面3推进时间的受力关系，推导计算后确定冒落区稳定性系数随工作面3推进时间的关系；按照冒落区稳定性系数随工作面3推进时间的关系建立冒落区“走向-倾向”的分区模型；根据冒落区“走向-倾向”的分区模型确定冒落区可充填区域，从而确定i区、ii区、iii区的区域范围。该区域的长度为工作面3的长度，宽度根据稳定性系数随工作面3推进时间的关系确定，推进时间乘以推进速度即为宽度，高度分别为煤层底板到伪顶底板(i区)、直接顶底板(ii区)、基本顶底板(iii区)的距离。
37.第二步：确定高位注浆硐室2距停采线1的距离、距煤层的高度及石门4的起坡位置和长度，高位注浆硐室2布设层位为硬岩底板；高位注浆硐室2设置在停采线1超前支撑压力影响范围之外，高位注浆硐室2距煤层高度为硬岩底板距工作面3正中央的垂直距离；石门4起坡位置根据高位注浆硐室2确定，石门4起坡位置和注浆硐室两点成一线并垂直工作面3风巷设置，石门4长度根据煤层倾角和高位注浆硐室2距煤层高度通过几何三角换算得出。
38.第三步：确定i区、ii区、iii区所对应的注浆长钻孔5的布设层位、终孔位置和水平方向相邻的两个注浆长钻孔5之间的夹角；其中，注浆长钻孔5的布设层位和终孔位置如下：从高位注浆硐室2沿着硬岩底板水平开设三个注浆长钻孔5使其终孔位于iii区的上方，分别为1-1注浆长钻孔501，1-2注浆长钻孔502，1-3注浆长钻孔503；沿软岩互层开设多个倾斜向下且终孔靠近基本顶顶板的注浆长钻孔5，使其终孔位于ii区的上方，分别为2-1注浆长钻孔504，2-2注浆长钻孔505，2-3注浆长钻孔506；沿软岩互层和基本顶开设多个倾斜向下且终孔靠近直接顶顶板的注浆长钻孔5，使其终孔位于i区的上方，分别为3-1注浆长钻孔507，3-2注浆长钻孔508，3-3注浆长钻孔509，水平方向相邻的两个注浆长钻孔5之间的夹角为20
°
；高位注浆硐室2与每个注浆长钻孔5均连通，在每个注浆长钻孔5的终孔处安装无缝花管8；
39.第四步：从地面注浆站6布设注浆管路7至高位注浆硐室2，注浆管路7为泵送充填浆液的管路；
40.第五步：当工作面3开采至i区边界时，冒落区空间空隙分布出现i区，ii区，iii区
的区域特征后，开启位于iii区上方的注浆长钻孔5的阀门，充填浆液沿着软岩互层和基本顶之间的空隙流动到基本顶下方的冒落空间；当iii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于iii区上方的注浆长钻孔5的阀门，开启位于ii区上方的注浆长钻孔5的阀门，充填浆液沿着基本顶和直接顶之间的空隙流动到直接顶下方的冒落空间；当ii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于ii区上方的注浆长钻孔5的阀门，开启位于i区上方的注浆长钻孔5的阀门，充填浆液沿着直接顶和煤层顶板之间的空隙流动到工作面3架后的冒落区。
41.在本实施例中，高位注浆硐室2具有一个九通的出料口，出料口与各个注浆长钻孔5连通，连通处设置有法兰，出料口和各个注浆长钻孔5的内径一致，均为180mm，在各个注浆长钻孔5距离出料口约10cm处分别安装一个阀门用于单独控制各个注浆长钻孔5的充填浆液流量和启停；高位注浆硐室2的进料口与注浆管路7连通，连通处设置有法兰，在注浆管路7距离进料口约20cm处设置有一个总管路闸阀来整体控制充填浆液的流量和启停；无缝花管8长度为注浆长钻孔5长度的十分之一，材质为dn180无缝刚花管，无缝花管8和注浆长钻孔5之间采用内套管焊接。
42.在本实施例中，在第五步中，充填浆液采用间歇性注浆，多次注浆时采用的充填浆液水固比由低到高，充填浆液中含有增粘剂。
43.本发明提供了一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，充分利用了冒落区空间空隙分布特征和规律，将注浆充填和冒落区空间空隙分布特征和规律联系起来，按顶板岩层冒落量及矸石密集程度划分为不同的注浆区域来开展多层位立体化注浆，可以充分利用注充空间，有效增大采注比；通过不同注浆区域注浆先后顺序改变上覆岩层的冒落规律，加速注充材料对于上覆岩层的承载，从而减弱上覆岩层的下沉，正向影响多层位立体化注浆，有效提高冒落区的注浆量；通过布置下行注浆孔避免了随采随跨型顶板注浆充填时的堵管，采用长钻孔注浆避免了施工高位巷道造成的注浆成本增加问题，减缓地表下沉；该方法操作简便、安全、经济，具有广阔的应用前景，对煤矿冒落区注浆充填领域有重要的现实意义。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，而不是指示或暗示所指的装置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。
45.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：按冒落区残余空间分布规律、顶板岩层冒落量及矸石密集程度将冒落区划分为i区、ii区和iii区三个不同的注浆区域，确定所述i区、ii区、iii区的区域范围，区域范围包括高度、长度和宽度；第二步：确定高位注浆硐室(2)距停采线(1)的距离、距煤层的高度及石门(4)的起坡位置和长度，所述高位注浆硐室(2)布设层位为硬岩底板；第三步：确定所述i区、ii区、iii区所对应的注浆长钻孔(5)的布设层位、终孔位置和水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔(5)之间的夹角；其中，所述注浆长钻孔(5)的布设层位和终孔位置如下：从所述高位注浆硐室(2)沿着硬岩底板水平开设多个注浆长钻孔(5)使其终孔位于所述iii区的上方；沿软岩互层开设多个倾斜向下且终孔靠近基本顶顶板的注浆长钻孔(5)，使其终孔位于所述ii区的上方；沿软岩互层和基本顶开设多个倾斜向下且终孔靠近直接顶顶板的注浆长钻孔(5)，使其终孔位于所述i区的上方；所述高位注浆硐室(2)与每个所述注浆长钻孔(5)均连通，在每个所述注浆长钻孔(5)的终孔处安装无缝花管(8)；第四步：从地面注浆站(6)布设注浆管路(7)至所述高位注浆硐室(2)，所述注浆管路(7)为泵送充填浆液的管路；第五步：当工作面(3)开采至所述i区边界时，冒落区空间空隙分布出现所述i区，ii区，iii区的区域特征后，开启位于所述iii区上方的所述注浆长钻孔(5)的阀门，充填浆液沿着软岩互层和基本顶之间的空隙流动到基本顶下方的冒落空间；当iii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于所述iii区上方的注浆长钻孔(5)的阀门，开启位于所述ii区上方的注浆长钻孔(5)的阀门，充填浆液沿着基本顶和直接顶之间的空隙流动到直接顶下方的冒落空间；当ii区的空隙及冒落空间完全充填后，关闭位于所述ii区上方的注浆长钻孔(5)的阀门，开启位于所述i区上方的注浆长钻孔(5)的阀门，充填浆液沿着直接顶和煤层顶板之间的空隙流动到工作面(3)架后的冒落区。2.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，所述i区、ii区、iii区的区域范围根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律和流态化料浆的扩散性能确定，详细步骤如下：(1)根据采场顶板砌体梁理论、冒落区上覆岩层下沉规律、冒落区岩块的分布状态和受力特征形成采场上覆岩层下沉曲线；(2)根据采场上覆岩层下沉曲线推导出冒落岩块随工作面(3)推进时间的受力关系，推导计算后确定冒落区稳定性系数随工作面(3)推进时间的关系；(3)按照冒落区稳定性系数随工作面(3)推进时间的关系建立冒落区“走向-倾向”的分区模型；(4)根据冒落区“走向-倾向”的分区模型确定冒落区可充填区域，从而确定所述i区、ii区、iii区的区域范围。3.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，所述高位注浆硐室(2)设置在停采线(1)超前支撑压力影响范围之外，所述高位注浆硐室(2)距煤层高度为硬岩底板距工作面(3)正中央的垂直距离；所述石门(4)起坡位置根据所述高位注浆硐室(2)确定，所述石门(4)起坡位置和所述注浆硐室两点成一线并垂直工作面(3)风巷设置，所述石门(4)长度根据煤层倾角和高位注浆硐室(2)距煤层高度通过几何
三角换算得出。4.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔(5)之间的夹角根据煤层的上覆岩层顶、底板岩性、“三带”高度确定。5.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，水平方向相邻的两个所述注浆长钻孔(5)之间的夹角在20-70
°
之间。6.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，所述无缝花管(8)长度为所述注浆长钻孔(5)长度的十分之一，材质为dn180无缝刚花管，所述无缝花管(8)和所述注浆长钻孔(5)之间采用内套管焊接。7.根据权利要求1所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，在第五步中，充填浆液采用间歇性注浆，多次注浆时采用的充填浆液水固比由低到高，所述充填浆液中含有增粘剂。8.根据权利要求7所述的一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，其特征在于，间歇性注浆前用清水冲洗注浆长钻孔(5)。

技术总结
本发明公开一种基于冒落区空间空隙分布的立体化注浆方法，按冒落区残余空间分布规律、顶板岩层冒落量及矸石密集程度将冒落区划分为I区、II区和III区，确定高位注浆硐室距停采线的距离、距煤层的高度及石门的起坡位置和长度，确定I区、II区、III区所对应的注浆长钻孔的布设层位、终孔位置和夹角，从地面注浆站布设注浆管路至高位注浆硐室，充填浆液填入冒落区；充分利用了冒落区空间空隙分布特征和规律，将注浆充填和冒落区空间空隙分布特征和规律联系起来，按顶板岩层冒落量及矸石密集程度划分为不同的注浆区域来开展多层位立体化注浆，可以充分利用注充空间，有效增大采注比，具有广阔的应用前景，对煤矿冒落区注浆充填领域有重要的现实意义。有重要的现实意义。有重要的现实意义。


技术研发人员：张继强 杨科 何祥 张连富 魏祯 赵新元 于祥 方珏静
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/9