[发明专利]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

说明书

本发明公开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；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。

技术领域

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。

发明内容

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。