阅读说明：本技术 一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法 (Large-mining-width thick coal seam mining composite grouting method ) 是由 霍超 赵明 齐宽 朱开成 杜金龙 晏嘉 潘海洋 赵岳 殷榕蔚 张志军 苗建 贺 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及地质灾害防治技术领域,公开了一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法,包括：从地表布设钻孔从上往下穿过采空区上方覆岩中的多个目标离层区；通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充；其中,所述目标离层区为位于采空区上方覆岩中关键层下方的离层空间。本发明提供的一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法,通过向离层空间进行注浆充填,地表的钻孔可只需穿至离层空间即可,无需穿至下方采空区,可以减少钻探工程量,从而可减少工程量以及工程造价,较适用于大采宽厚煤层的开采治理；向采空区上方覆岩中的多个离层空间中进行注浆填充,还可提高注浆量和注采比,更好的满足地表减沉要求,提高注浆效率。(The invention relates to the technical field of geological disaster prevention and control, and discloses a large-mining-width thick coal seam mining composite grouting method, which comprises the following steps: distributing drill holes from the ground surface, and enabling the drill holes to penetrate through a plurality of target separation layer areas in overlying strata above the goaf from top to bottom; performing composite grouting filling on the target separation layer areas through drilling holes; and the target separation layer area is a separation layer space below a key layer in the overlying strata above the goaf. According to the composite grouting method for mining the large-mining-width thick coal seam, the grouting filling is carried out on the separation space, the drill hole in the earth surface can only penetrate through the separation space without penetrating through the goaf below, and the drilling engineering amount can be reduced, so that the engineering amount and the engineering cost can be reduced, and the method is more suitable for mining and governing of the large-mining-width thick coal seam; and grouting filling is carried out in a plurality of separation space in overlying strata above the goaf, so that the grouting amount and the grouting-mining ratio can be improved, the requirement of earth surface subsidence reduction is better met, and the grouting efficiency is improved.)

一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法

技术领域

本发明涉及地质灾害防治技术领域，特别是涉及一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法。

背景技术

煤炭的开采和利用对我国的经济发展起到巨大的推动作用，但采煤沉陷也给人类的生存环境产生一系列的消极影响，采煤沉陷区的生态恢复与治理直接关系到矿区的经济、社会和生态环境的可持续发展，是我国矿区所面临的一个亟待解决的难题。截止2016年全国已有开采沉陷地面积约9×10³km²，并且随着煤炭资源的开采，采煤塌陷范围以每年200km²的速度递增。对采煤沉陷区进行综合治理，恢复矿区生态环境，同时在煤炭开采时和地表沉陷控制一并考虑，实施绿色开采将是今后我国煤炭开采的重要工作。

目前用于“三下”采煤的充填方法主要有条带开采、采空区固体充填、膏体充填、超高水充填开采等方法，这些充填方法存在初期投资大、充填成本较高、采充作业相互干扰、单产能力及工效较低等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法，用于解决或部分解决现有采煤充填方法存在初期投资大、充填成本较高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法，包括：从地表布设钻孔从上往下穿过采空区上方覆岩中的多个目标离层区；通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充；其中，所述目标离层区为位于采空区上方覆岩中关键层下方的离层空间。

在上述方案的基础上，根据上下相邻地层的岩性、厚度及力学性质确定目标离层区，以使得在对多个目标离层区进行注浆填充的过程中上方覆岩保持稳定。

在上述方案的基础上，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充具体包括：钻孔中目标离层区上方采用石油套管固井，目标离层区处下入花管以便于在多个目标离层区注浆；从地表向钻孔中进行高压注浆。

在上述方案的基础上，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充还包括：利用高压注浆将目标离层区下方的岩层压实至煤层底板。

在上述方案的基础上，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充与煤层开采同步进行。

在上述方案的基础上，还包括：在煤层开采之前，从地表布设钻孔从上往下穿过位于采空区上方覆岩中的多个目标离层区；预先向钻孔中注入一定压力的液体，并通过液体的压力变化实时监测目标离层区形成时间，进而确定注浆时机。

在上述方案的基础上，从地表布设钻孔从上往下穿过采空区上方覆岩中的多个目标离层区具体包括：根据前期地质勘探成果，判断关键层位置，确定目标离层区位置；根据目标离层区处关键层破断距和浆液扩散半径，确定钻孔部署位置及数量。

在上述方案的基础上，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充具体包括：对多个目标离层区注入粉煤灰浆液，且粉煤灰浆液中的水灰比为35％-45％。

在上述方案的基础上，从地表向钻孔中进行高压注浆的注浆压力为3-6Mpa。

(三)有益效果

本发明提供的一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法，通过向离层空间进行注浆充填，地表的钻孔可只需穿至离层空间即可，无需穿至下方采空区；且离层空间相对采空区较小，可相应减少钻孔的数量，从而可减少工程量以及工程造价，较适用于大采宽厚煤层的开采治理；向采空区上方覆岩中的多个离层空间中进行注浆填充，即进行复合注浆，可填充多个离层空间以更好的消除残余空间，还可提高注浆量和注采比，更好的满足地表减沉要求，提高注浆效率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中采空区上方覆岩的结构示意图。

附图标记说明：

1—弯曲下沉带； 2—裂隙带； 3—冒落带；

4—覆岩载荷； 5—钻孔； 6—关键层；

7—目标离层区； 8—隔离煤柱； 9—采空区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法，参考图1，该方法包括：从地表布设钻孔从上往下穿过采空区上方覆岩中的多个目标离层区；通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充；其中，所述目标离层区为位于采空区上方覆岩中关键层下方的离层空间。

本实施例提供的大采宽厚煤层开采复合注浆方法，提出在覆岩中的离层空间进行注浆。一般情况下，煤层开采后采空区上覆岩层弯曲带关键层下方会出现离层空间，即关键层与下方岩层脱离形成的间隙。多个关键层下方会出现多个离层空间。通过向离层空间进行注浆充填，地表的钻孔可只需穿至离层空间即可，无需穿至下方采空区；且离层空间相对采空区较小，可相应减少钻孔的数量，从而可减少工程量以及工程造价，较适用于大采宽厚煤层的开采治理。

进一步地，该方法提出向采空区上方覆岩中的多个离层空间中进行注浆填充，即进行复合注浆，可填充多个离层空间以更好的消除残余空间，还可提高注浆量和注采比，更好的满足地表减沉要求，提高注浆效率。

进一步地，该方法并不是在每个离层空间中均进行注浆，而是在离层空间中确定若干个较适宜注浆的空间作为目标离层区，在目标离层区内进行注浆填充。从地表向下的钻孔可依次穿过多个目标离层区，并穿至最下方的目标离层区内。钻孔的深度以能实现对多个目标离层区进行注浆为目的。

进一步地，采空区上方覆岩的结构如图2所示，从地表向下依次为覆岩载荷4、弯曲下沉带1、裂隙带2和冒落带3。其中，弯曲下沉带1中包含多个关键层6；冒落带3下方中间为采空区9，两边为隔离煤柱8。钻孔5从地表向下穿过多个目标离层区7。

进一步地，大采宽指采煤工作面宽度大于等于300米的煤层；厚煤层指厚度大于等于3.5米的煤层。

在上述实施例的基础上，进一步地，根据上下相邻地层的岩性、厚度及力学性质确定目标离层区，以使得在对多个目标离层区进行注浆填充的过程中上方覆岩保持稳定。

进行注浆的目标离层区应适宜注浆，不会在注浆过程中产生地质松动、坍塌等现象。可预先进行地质勘探，了解采空区上方覆岩中各岩层的厚度、硬度以及力学性能，选择适宜注浆的离层空间作为目标离层区。目标离层区上下岩层应具有一定的厚度和硬度，能够承受一定的压力，避免选择上下岩层较为松软的离层空间作为目标离层区。

在上述实施例的基础上，进一步地，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充具体包括：钻孔中目标离层区上方采用石油套管固井，目标离层区处下入花管以便于在多个目标离层区注浆；从地表向钻孔中进行高压注浆。

钻孔穿过多个目标离层区，钻孔内设有石油套管用于连接地表注浆泵向目标离层区注浆。石油套管穿过目标离层区的管段可设置为花管，即侧壁上设有开孔，便于浆液流出至目标离层区；石油套管穿过目标离层区以外的其他部位可设置为普通管，阻止浆液流出。可实现同一个钻孔对多个目标离层区的注浆，减少工程量和工程造价。

进一步地，还可在钻孔中位于最上方的目标离层区的上方设置石油套管，石油套管的底部连接花管，花管从最上方的目标离层区穿至最下方的目标离层区。

进一步地，采用高压注浆高压作用主要体现为可上托上覆地层，不让关键层发生破断；下压下部地层，消除裂隙带和冒落带残余空间；以能够更好的消除残余空间，满足地表减沉要求，提高注浆效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充还包括：利用高压注浆将目标离层区下方的岩层压实至煤层底板。即填充满采空区，可形成稳定的压实区，消除地层中的剩余变形，实现煤矿开采过程中地面减沉。

在上述实施例的基础上，进一步地，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充与煤层开采同步进行。即边开采煤层边进行注浆，而并不是等到煤层全部开采完毕之后再进行注浆。可开采出一段煤层之后即在开采完的部分进行注浆。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法还包括：在煤层开采之前，从地表布设钻孔从上往下穿过位于采空区上方覆岩中的多个目标离层区；预先向钻孔中注入一定压力的液体，并通过液体的压力变化实时监测目标离层区形成时间，进而确定注浆时机。

煤层开采形成采空区就会在上方覆岩中产生离层空间。可根据预先判断出的目标离层区的部位进行钻孔，并在钻孔中注入一定压力的液体对地下煤层的开采状态进行监测。在钻孔下方的煤层开采之后，在上方覆岩中形成了离层空间，钻孔中的液体会沿着离层空间渗透泄露，从而液体的压力会下降。在钻孔中液体的压力下降至预设值时，说明下方的煤层已经开采，即可进行注浆。

对多个目标离层区进行注浆填充与煤层开采的同步进行，可在煤层开采的过程中即进行沉陷治理，可对地表起到更好的支撑作用，有利于保证地表的稳定。

在上述实施例的基础上，进一步地，从地表布设钻孔从上往下穿过采空区上方覆岩中的多个目标离层区具体包括：根据前期地质勘探成果，判断关键层位置，确定目标离层区位置；根据目标离层区处关键层破断距和浆液扩散半径，确定钻孔部署位置及数量。

根据离层空间上下岩层的硬度、厚度以及力学性质例如关键层破断距来判断目标离层区的部位及大小。在目标离层区的部位及大小的基础上还可结合浆液扩散半径来布设钻孔。钻孔的数量及部位应使得通过钻孔注入的浆液能够填充满目标离层区。

在上述实施例的基础上，进一步地，通过钻孔对多个目标离层区进行复合注浆填充具体包括：对多个目标离层区注入粉煤灰浆液，且粉煤灰浆液中的水灰比为35％-45％。

在上述实施例的基础上，进一步地，从地表向钻孔中进行高压注浆的注浆压力为3-6Mpa。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种大采宽厚煤层开采复合注浆方法采用复合注浆，属覆岩离层注浆范畴。一般情况下，根据煤炭开采时，在上覆岩层弯曲带关键层下方会出现多个离层区，对离层区进行复合注浆主要用于煤矿开采引起的地面沉陷灾害综合治理。

该复合注浆方法向多个目标离层区进行注浆，注浆层位多，从空间守恒定律来看，能够很好的消除残余空间；多个注浆层位注浆量大，注采比高，能够很好的满足地表减沉要求；注浆效率高。

现有向采空区的注浆充填技术多应用于适当采宽薄煤层开采地表减沉，针对大采宽厚煤层开采应用较少，且减沉效果有限。本实施例针对注浆充填技术在大采宽厚煤层开采时地表减沉应用中存在的问题，选择关键层下多个离层空间进行复合注浆，以最大限度达到地表减沉的效果。

该复合注浆方法在现有注浆基础上改进注浆方法，尤其针对大采宽厚煤层开采，采动空间向上发展速度较快，范围较广，在裂隙带上方容易短期内同时形成多个可以注浆的离层空间，在地面建设注浆站，从地表布设钻孔钻穿多个目标离层区，通过高压泵将粉煤灰浆液通过管路和钻孔注入到形成的离层空间，在离层带内粉煤灰沉淀形成压实体，起到充填减沉作用，进而有效控制地表沉陷。其中高压作用主要体现为上托上覆地层，不让关键层发生破断；下压下部地层，消除裂隙带和冒落带残余空间。

可通过地面钻探，找到采空区上方(裂隙带上方一定距离)相对较硬砂岩与相对较软泥页岩离层位置，通过高压注浆泵将带有添加剂的粉煤灰注浆(水灰比35％-45％)压入离层，在保持上覆岩层稳定同时，通过流体压力将注浆层位下部岩层压实至煤层底板，形成稳定的压实区，消除地层中的剩余变形。上部通过高压作用，使原来因地层运动而产生的层间缝隙密实，从而消除地层中的残余变形，进而实现煤矿开采过程中地面减沉。

该复合注浆的注浆时机：在煤炭开采过程中，只要合适的位置产生离层，就可以开始注浆，不用等到特定的某一关键层层下产生离层；注浆层位：为多层注浆；注采比：由于采用复合注浆，注入的浆液量大大增加，提高了注采比，根据空间守恒，注入的浆液量越多，残余空间越小，地表下沉量越小。地质条件适应性：若只在单一层位注浆时，若选定的关键层不连续，就不会产生离层，没有注浆空间，而复合注浆可在其它关键层下方离层区继续注浆，能够保证注浆量。

复合注浆适应性强，根据注浆减沉需要或关键层分布不连续时，可以在多个关键层下方离层区实施注浆，进而保障注浆量。复合注浆能够减弱地层自下而上发展破断速度，可以避免注浆孔损坏，有助于注浆工程持续进行。采用离层复合注浆，注浆量大大增加，提高了注采比，减少了残余空间，减沉效果突出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。