一种无煤柱采空区汇水防治方法

1.本发明涉及无煤柱采空区汇水防治方法，可以防止采空区汇水波及工作面安全回采，同时起到无煤柱巷道加固稳定作用。


背景技术：

2.目前，我国许多矿区主要采用全部垮落法管理采空区，致使相邻采空区互相连通，从而形成大面积的复合采空区，加之受煤层倾角影响，积水往往难以完全疏排，部分工作面面临复合采空区积水汇入生产工作面的技术难题。在造成矿井排水成本上升的同时，安全生产也面临威胁。因此适用于各种矿井条件的涌水封堵技术方法相继被研究开发。
3.相较于普通地下工程的裂隙、断层注浆环境，矿井采空区由垮落后松散的岩石堆积而成，内部空隙贯通程度复杂，加之受积水环境影响，在实际工程应用中亟需一套综合考虑采空区封闭抗渗效果、注浆隔离体布设参数及强度、注浆材料扩散特性及动水注浆压力的注浆封堵方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种无煤柱采空区汇水波及工作面安全回采的解决方法，采用无煤柱侧钻孔注浆、构筑速凝挡墙+充填隔体的方式，解决无煤柱采空区汇水问题。
5.为达到发明的目的，本发明的技术方案是这样解决的：
6.一种无煤柱采空区汇水防治方法，包括以下步骤：
7.s1、根据采高、采深、顶板强度上述因素确定无悬顶区的隔离墙体的位置、厚度与高度，所述隔离墙体包括速凝挡墙和充填隔体；
8.s2、在采空区留巷侧布设输水管、短注浆管和长注浆管，输水管终口位置始终处于所述的隔离墙体边界外1～2m；
9.s3、滞后工作面1～2个周期来压步距，通过所述短注浆管自下而上注入粗骨料、速凝浆料直到达到注浆终压以形成速凝挡墙；
10.s4、步骤s3速凝挡墙注毕30min后，在所述的长注浆管内自下而上注入充填浆料直到达到注浆终压以形成充填隔体，最终完成整个隔离墙体；
11.s5、通过输水管进行隔离墙体布设后的采空区汇水疏排。
12.所述的隔离墙体的位置、厚度与高度的确定方法为：
13.s11、获取目标注浆采空区所处的采深、煤层采高、顶板强度数据；
14.s12、按照目标注浆采空区所处位置的采深依次划分为采深《300m的浅埋、采深处于300m～600m的中等埋深和深度》600m的深埋；
15.s13、按照目标注浆采空区所处位置的煤层采高依次划分为层厚《1.3m的薄煤层、层厚处于1.3m～3.5m的中厚煤层、层厚》3.5m的厚煤层；
16.s14、以岩石普氏硬度系数为依据，按照目标注浆采空区所处位置的顶板强度依次划分为强度《3的软弱顶板、强度处于3～6的中硬顶板、强度》6的坚硬顶板；
17.s15、综合采高、采深、顶板强度因素，确定隔离墙体的位置、厚度与高度，具体标准如表a～c所述：
18.a.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为浅埋：
[0019][0020]
b.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为中等埋深：
[0021][0022]
c.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为深埋：
[0023][0024]
根据最大允许空区水头高度确定速凝挡墙厚度，如下表：
[0025][0026][0027]
所述的粗骨料终压、速凝挡墙的注浆终压根据空区水头高度和浆液扩散范围确定，如下表：
[0028][0029]
所述的充填隔体注浆终压根据空区水头高度和浆液扩散范围确定，如下表：
[0030][0031]
所述速凝挡墙的注浆采用分段构筑方法，沿巷帮由下至上交错布置注浆钻孔，首先向下部注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成下位速凝挡墙；其次向中位注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成中位速凝挡墙；再次向上位注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成上位速
凝挡墙；
[0032]
所述充填隔离墙体注浆顺序与速凝墙体注浆顺序一致，但是滞后一段距离进行，两者最终形成稳定的隔离墙体。
[0033]
注浆钻孔布置前，采用钻孔的方式布置输水管道，输水管终口位置始终处于隔离墙体边界外1～2m，管道入水口进行防堵塞处理，出水口布置水压传感器及阀门。
[0034]
注浆孔按照上、中、下交错布置，孔间距与浆液扩散半径相等，中位注浆孔与下位注浆孔交错间距一个扩散半径布置，上位注浆孔与下位注浆孔垂直布置。
[0035]
分别按照5～10m和15～25m间距埋设短注浆管和长注浆管，在步骤s1所述位置布设对应深度的长注浆管和短注浆管，
[0036]
本发明的有益效果：
[0037]
本发明的无煤柱采空区汇水防治方法，与现有的采空区垂直注浆技术及防治水措施相比，具有以下特点与优点：
[0038]
1、采用无煤柱采空区侧水平注浆方式构筑一定长度、宽度、高度的隔离墙体，避免了从某一层位垂直向采空区打孔进行大范围注浆所造成的打孔周期长、注浆盲目性高、浆液材料损耗大等弊端，可以精准、快速、便捷的构筑稳定的隔离墙体；
[0039]
2、以滞后工作面1～2个周期来压步距，深入采空区一定深度的方式构筑“速凝挡墙+充填隔体”，能够实现动水、动压环境下的采空区汇水有效隔离，保证受重复采动影响下隔离墙体的长期稳定性；
[0040]
3、利用采空区原有空间，无需煤柱留设，以粗骨料填充、速凝挡墙隔水、充填隔体加固的方式构筑隔离墙体，配合输水管进行汇水疏排，施工工艺系统、简单，防治水成本低；
[0041]
4、根据埋深、煤厚、顶板强度、水头高度等参数，合理的确定速凝挡墙与充填隔体的位置、高度、宽度、注浆终压等参数，从而普适性的运用于各类地质条件矿井采空区防治水过程中，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0042]
图1为实施本发明的采空区留巷侧速凝挡墙施工效果示意图(沿工作面走向剖面)；
[0043]
图2为速凝挡墙注浆钻孔布设施工图(沿工作面走向剖面)；
[0044]
图3为实施本发明的采空区留巷侧充填隔体施工效果示意图(沿工作面走向剖面)；
[0045]
图4为充填隔体注浆钻孔布设施工图(沿工作面走向剖面)；
[0046]
图5为采空区注浆管参数图；
[0047]
图6为本发明无煤柱采空区汇水防治方法流程图；
[0048]
其中：
[0049]
1留巷巷道；2采空区；3输水管；4下位速凝注浆孔；5中位速凝注浆孔；6上位速凝注浆孔；
[0050]
7下位速凝挡墙；7-1第一下位速凝挡墙；7-2第二下位速凝挡墙；7-3第三下位速凝挡墙；7-4第四下位速凝挡墙；7-5第五下位速凝挡墙；7-6第六下位速凝挡墙；
[0051]
8中位速凝挡墙；8-1第一中位速凝挡墙；8-2第二中位速凝挡墙；8-3第三中位速凝
挡墙；8-4第四中位速凝挡墙；
[0052]
9上位速凝挡墙；9-1第一上位速凝挡墙；9-2第二上位速凝挡墙；9-3第三上位速凝挡墙；9-4第四上位速凝挡墙；
[0053]
10下位充填注浆孔；11中位充填注浆孔；12上位充填注浆孔；
[0054]
13下位充填隔体；13-1第一下位充填隔体；13-2第二下位充填隔体；13-3第三下位充填隔体；
[0055]
14中位充填隔体；14-1第一中位充填隔体；14-2第二中位充填隔体；14-3第三中位充填隔体；
[0056]
15上位充填隔体；15-1第一上位充填隔体；15-2第二上位充填隔体；
[0057]
16注浆管；17注浆管两侧注浆孔；18注浆管下位注浆孔。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图和实例对发明内容进一步说明：
[0059]
实施案例
[0060]
某矿井煤层倾向平均倾角为6
°
，走向平均倾角为4
°
，工作面切眼位置地势较低，煤层平均厚度1.6m，直接顶为平均厚度5.27m的粉砂质粘土岩，基本顶为平均厚度4.79m的燧石灰岩，埋深450m，回采巷道高2.5m，宽5.2m。由于整体采用无煤柱开采，工作面垮落法开采后，大面积的采空区积水汇集，致使下区段工作面的回采持续受到上区段采空区汇水的威胁，目前回采的工作面采空区侧平均涌水量50m3/h，工作面下巷切眼起200m范围巷道内积水平均深度500mm左右，静水压力小于0.1mpa，若不进行封堵，积水将汇入下一工作面。结合图1、图2、图3、图4所示，一种无煤柱开采采空区汇水防治方法，该方法按照以下步骤进行：
[0061]
实施例目标注浆采空区所处的采深为450m、煤层采高为1.6m、顶板为粉砂质粘土岩、燧石灰岩，因此目标注浆采空区所处位置的采深确定为中等埋深(300～600m)，目标注浆采空区所处位置的煤层采高确定为中厚煤层(1.3～3.5m)，目标注浆采空区所处位置的顶板强度确定为坚硬顶板(普氏强度系数》6)。
[0062]
综合实施例采高、采深、顶板强度因素，确定隔离墙体位置距无煤柱巷帮15m，隔离墙体厚度4m，隔离墙体高度1.6m。
[0063][0064]
实施例隔离墙体厚度4m下，确定速凝挡墙厚度1.5m，充填隔离墙体厚度2.5m，允许空区水头高度15m，满足实施例需求。
[0065][0066]
实施例速凝挡墙注浆扩散范围为10m，静水水压小于0.1mpa，粗骨料注浆终压确定
为0.7mpa，速凝浆料注浆终压确定为1.3mpa。
[0067][0068]
实施例充填隔体注浆扩散范围为20m，静水水压小于0.1mpa，注浆终压确定为1.5mpa。
[0069][0070]
实施例粗骨料选择破碎的岩石及河砂，粒径处于5～10mm之间，通过速凝注浆管注入，达到0.7mpa注浆终压结束注浆。
[0071]
实施例选择水泥-水玻璃双液速凝浆，具体的要求为：水泥浆液水灰比为1:1.2(质量比)，水玻璃模数为2.8，浓度为38～42
°bé
，水泥浆：水玻璃体积比为1:0.6，加入3％质量的白灰[ca(oh)2]加快凝结，注浆速度控制在30m3/h，达到1.3mpa注浆终压结束注浆。
[0072]
实施例选择矸石-粉煤灰为骨料的水泥充填浆料，具体的要求为：矸石：粉煤灰：水泥＝14:10:1，水灰比为0.8:1，破碎的煤矸石粒径小于0.08mm的需占煤矸石材料的16％以上；注浆速度控制在60m3/h，达到1.5mpa注浆终压结束注浆。
[0073]
速凝挡墙构筑工艺流程
[0074]
如图1所示，在无煤柱留巷巷道1临近采空区2一侧距底板0.6m布置注浆钻孔4，距底板1.2m布置注浆钻孔5，距底板1.8m布置注浆钻孔6。钻孔深度16m，直径32mm。下入直径32mm、长度5m的无缝钢管作为套管进行护壁，下入长度16m、直径28mm的注浆管进行注浆，注浆材料为配置的速凝浆液，形成一道速凝挡墙，成型后的速凝墙体厚度为1.5m。
[0075]
如图2所示，注浆顺序按照图中标记序号，依次为：首先向下部注浆孔4注入速凝浆液，稳定后形成第一下位速凝挡墙7-1、第二下位速凝挡墙7-2；其次向中位注浆孔5注入速凝浆液，稳定后形成第一中位速凝挡墙8-1；再次向下位注浆孔4注入速凝浆液，稳定后形成第三下位速凝挡墙7-3；从次向中位注浆孔5注入速凝浆液，稳定后形成第二中位速凝挡墙8-2；最后向上位注浆孔6注入速凝浆液，稳定后形成第一上位速凝挡墙9-1。之后按照第四下位速凝挡墙7-4、第三中位速凝挡墙8-3、第二上位速凝挡墙9-2、第五下位速凝挡墙7-5、第四中位速凝挡墙8-4-、第三上位速凝挡墙9-3
…
顺序依次进行注浆，从而完成整个速凝挡墙的布设。
[0076]
充填隔体构筑工艺流程
[0077]
如图3所示，按照速凝挡墙的构筑工艺流程，在无煤柱留巷巷道1临近采空区2一侧距底板0.6m布置注浆钻孔4，距底板1.2m布置注浆钻孔5，距底板1.8m布置注浆钻孔6。钻孔深度18m，直径32mm。下入直径32mm、长度5m的无缝钢管作为套管进行护壁，下入长度16m、直径28mm的注浆管进行注浆，注浆材料为配置的充填浆液，形成充填隔离体，成型后的充填墙体厚度为2.5m。
[0078]
如图4所示，注浆顺序按照图中标记序号同速凝挡墙一致，即：首先向下部注浆孔10注入充填浆液，稳定后形成第一下位充填隔体13-1、第二下位充填隔体13-2；其次向中位注浆孔11注入充填浆液，稳定后形成第一中位充填隔体14-1；再次向下位注浆孔10注入充
填浆液，稳定后形成第三下位充填隔体13-3；从次向中位注浆孔11注入充填浆液，稳定后形成第二中位充填隔体14-2；最后向上位注浆孔12注入充填浆液，稳定后形成第一上位充填隔体15-1。之后按照第四下位充填隔体13-4、第三中位充填隔体14-3、第二上位充填隔体15-2、第五下位充填隔体13-5、第四中位充填隔体14-4-、第三上位充填隔体15-3
…
顺序依次进行注浆，从而完成整个充填隔体的布设。需要注意的是，充填隔体注浆自始至终需要滞后速凝挡墙注浆一段距离。
[0079]
注浆孔布置
[0080]
如图2所示，注浆孔按照上、中、下交错布置，孔间距的设置必须满足扩散浆液覆盖整个范围内的采空区，实施例速凝浆液扩散半径为5m，因此注浆孔间距为5m，中位注浆孔与下位注浆孔交错间距2.5m布置，上位注浆孔与下位注浆孔垂直布置。实施例充填浆液扩散半径为10m，因此注浆孔间距为10m，中位注浆孔与下位注浆孔交错间距5m布置，上位注浆孔与下位注浆孔垂直布置。
[0081]
注浆管参数
[0082]
如图5所示，注浆管16管道头封闭，管道前段分别在两侧17及下部18打孔，打孔间距100mm，孔径7mm，打孔长度与施工的隔离墙体厚度一致，速凝挡墙1.5m，充填隔体2.5m。
[0083]
输水管布置
[0084]
如图1所示，注浆钻孔布置前，在无煤柱留巷巷道1临近采空区2一侧距离底板20cm位置，采用钻孔的方式布置输水管道3，钻孔深度20m，直径32mm，采用直径32mm的无缝钢管作为输水管，管壁厚度根据巷道围岩压力调节。管道入水口进行防堵塞处理，出水口布置水压传感器及阀门。
[0085]
实施例构筑墙体长度为200m，因此输水管间隔50m布置一个，通过水压换算积水高度，当高度达到隔离墙体高度的三分之二时，打开阀门，连通输水管线进行采空区汇水疏排。
[0086]
本发明实施案例所带来的效益：在实际实施案例中隔离墙体长度200m，有效隔离高度1.7m，施工周期21天。施工后采空区汇水得到有效控制，积水通过输水管连接管路进行定期疏排，有效防止了无煤柱开采采空区汇水涌入下一工作面。同时，隔离墙体保证了回采巷道的稳定性，使得矿井实现了安全回采。
[0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种无煤柱采空区汇水防治方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据采高、采深、顶板强度上述因素确定无悬顶区的隔离墙体的位置、厚度与高度，所述隔离墙体包括速凝挡墙和充填隔体；s2、在采空区留巷侧布设输水管、短注浆管和长注浆管，输水管终口位置始终处于所述的隔离墙体边界外1～2m；s3、滞后工作面1～2个周期来压步距，通过所述短注浆管自下而上注入粗骨料、速凝浆料直到达到注浆终压以形成速凝挡墙；s4、步骤s3速凝挡墙注毕30min后，在所述的长注浆管内自下而上注入充填浆料直到达到注浆终压以形成充填隔体，最终完成整个隔离墙体；s5、通过输水管进行隔离墙体布设后的采空区汇水疏排。2.根据权利要求1所述的无煤柱采空区汇水防治方法，其特征在于，所述的隔离墙体的位置、厚度与高度的确定方法为：s11、获取目标注浆采空区所处的采深、煤层采高、顶板强度数据；s12、按照目标注浆采空区所处位置的采深依次划分为采深<300m的浅埋、采深处于300m～600m的中等埋深和深度>600m的深埋；s13、按照目标注浆采空区所处位置的煤层采高依次划分为层厚<1.3m的薄煤层、层厚处于1.3m～3.5m的中厚煤层、层厚>3.5m的厚煤层；s14、以岩石普氏硬度系数为依据，按照目标注浆采空区所处位置的顶板强度依次划分为强度<3的软弱顶板、强度处于3～6的中硬顶板、强度>6的坚硬顶板；s15、综合采高、采深、顶板强度因素，确定隔离墙体的位置、厚度与高度，具体标准如表a～c所述：a.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为浅埋：b.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为中等埋深：b.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为中等埋深：c.目标注浆采空区所处位置的煤层埋深为深埋：
3.根据权利要求1所述的一种无煤柱采空区汇水防治方法，其特征在于：根据最大允许空区水头高度确定速凝挡墙厚度，如下表：4.根据权利要求1所述的一种无煤柱采空区汇水防治方法，其特征在于：所述的粗骨料终压、速凝挡墙的注浆终压根据空区水头高度和浆液扩散范围确定，如下表：5.根据权利要求1所述的一种无煤柱采空区汇水防治方法，其特征在于：所述的充填隔体注浆终压根据空区水头高度和浆液扩散范围确定，如下表：6.根据权利要求1所述的一种无煤柱开采采空区汇水防治方法，其特征在于：所述速凝挡墙的注浆采用分段构筑方法，沿巷帮由下至上交错布置注浆钻孔，首先向下部注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成下位速凝挡墙；其次向中位注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成中位速凝挡墙；最后向上位注浆孔内注入速凝浆液，稳定后形成上位速凝挡墙；所述充填隔离墙体注浆顺序与速凝墙体注浆顺序一致，但是滞后一段距离进行，两者最终形成稳定的隔离墙体。7.根据权利要求1所述的一种无煤柱开采采空区汇水防治方法，其特征在于：注浆钻孔布置前，采用钻孔的方式布置输水管道，输水管终口位置始终处于隔离墙体边界外1～2m，管道入水口进行防堵塞处理，出水口布置水压传感器及阀门。8.根据权利要求1所述的一种无煤柱开采采空区汇水防治方法，其特征在于：注浆孔按照上、中、下交错布置，孔间距与浆液扩散半径相等，中位注浆孔与下位注浆孔交错间距一个扩散半径布置，上位注浆孔与下位注浆孔垂直布置。9.根据权利要求1所述的一种无煤柱开采采空区汇水防治方法，其特征在于：分别按照5～10m和15～25m间距埋设短注浆管和长注浆管，在步骤s1所述位置布设对应深度的长注浆管和短注浆管。

技术总结
本发明实施例涉及煤矿开采防治水技术领域，公开了一种无煤柱采空区汇水防治方法。包括以下步骤：S1根据采高、采深、顶板强度上述因素确定无悬顶区的隔离墙体的位置、厚度与高度；S2在采空区留巷侧布设输水管、短注浆管和长注浆管；S3滞后工作面1~2个周期来压步距，通过所述短注浆管自下而上注入粗骨料、速凝浆料直到达到注浆终压以形成速凝挡墙；S4速凝挡墙注毕后，在所述的长注浆管内自下而上注入充填浆料直到达到注浆终压以形成充填隔体，最终完成整个隔离墙体；S5进行采空区汇水疏排。本发明满足墙体上方无悬顶且强度能抵抗矿压影响的基础上，解决无煤柱开采过程中采空区水汇集造成的生产干扰甚至矿井水灾等问题。造成的生产干扰甚至矿井水灾等问题。造成的生产干扰甚至矿井水灾等问题。


技术研发人员：范钢伟 郭文豪 张东升 刘雨涛
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/7/5