CN109162736B - 一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气‑水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，对综采工作面顶板注浆孔(钻孔)进行分段循环式施工，即根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，首先施工位于孔口的第1个分段，施工包括顺序的钻孔和注浆工作，待第1个分段施工完成后施工第2个分段，如此循环直至完成n个分段的施工。采用地质钻机在综采工作面顶板上按设定的位置施工注浆孔，保证注浆孔的终孔位置落在综采工作面顶板泥岩或夹矸内。本发明采用单号与双号注浆孔间隔交替注浆工艺，可在注浆孔周边形成一定的泄压区，及时将裂隙中的水或气体排出，降低了浆液在裂隙中扩散的阻力，提高了水泥基类浆液的流动性，扩大了注浆扩散半径，保证了微裂隙注浆效果。

Description

一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法

技术领域

本发明涉及一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，适用于煤矿、铁矿、有色金属矿山、隧道等地下工程，是一种安全高效的微裂隙煤岩体注浆施工方法。

背景技术

煤炭是基本燃料和工业粮食，我国是世界上煤炭资源丰富的国家之一，在一次能源消费中所占比例较大。采煤方法是煤炭工业的关键生产技术，是建设现代化矿井的基础。由于煤层赋存条件的复杂性和多变性，直接影响着煤炭企业的经济效益。如何在不同开采环境下，采取相应的技术措施，提高煤炭资源回收率，延长矿井生产寿命，实现安全高效生产是煤炭企业一直关心的重要问题。长壁综合机械化采煤技术(简称综采技术)在我国得到了快速发展和广泛应用，大幅度地提高了采煤工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭生产成本；尤其大采高综采技术具有生产能力大、回采工艺和巷道布置简化、回采率高、安全性好、经济效益高等特点，使得它成为国内外今后厚煤层开釆的首选采煤工艺，为矿井实现安全高效生产发挥了积极用。但是，我国煤层的赋存条件多样，煤炭开采条件比较复杂，往往在综采工作面顶板赋存薄层的泥岩或夹矸(厚度约为1～3m，岩石强度低，整体性差，软弱松散)，采煤后顶板易下沉或大面积冒落，造成综采支架被顶板煤岩体压住而不能移动(压机现象)，严重影响了工作面的推进速度；并且，极易发生冒顶事故，无法满足安全生产的需要。

注浆技术是加固破碎煤岩体的有效途径，在煤矿井下巷道与硐室加固中广泛应用。通过注浆孔向煤岩体注入起充填胶结作用的浆液，待浆液凝结、硬化后，可将破碎的煤岩体固结成完整性相对较好的煤岩体，达到注浆加固的目的，为煤炭资源的安全高效综采的实施提供了技术保障。大量工程实践表明，注浆材料的选取在很大程度上决定了注浆的成败，以聚氨酯为代表的有机系注浆材料可注性好，但造价高、加固体强度低；以水泥为代表的无机系注浆材料价格低、结石体强度高，但可注性差(当煤岩体中的孔隙直径或裂隙开度小于0.2mm时，水泥浆液难以注入)。综采工作面顶板赋存薄层的泥岩或夹矸的裂隙开度小、孔隙率低、可注性差，普通水泥浆液难以注入、注浆效果差。为保证微裂隙水泥基类浆液的注浆效果，目前对煤岩体微裂隙注浆有2种主要做法，一类是压水扩缝工艺(水压致裂技术)，通过向煤岩体中注入高压水，将其微裂隙扩张开，但水对围岩有一定的软化作用，造成煤岩体吸水后的强度降低；对于含有蒙脱石、伊利石和高岭石的岩石具有膨胀性，若遇水则发生明显的膨胀，造成岩石膨胀破坏，极不利于综采工作面顶板的稳定，造成压水扩缝工艺的适用性受到限制。另一类，高压劈裂注浆方法，通过提高注浆压力，将煤岩体中的微裂隙扩张开，但当注浆孔较深时(尤其煤矿综采工作面的宽度较大，约为200～300m)，注浆压力在注浆孔内的衰减明显(随着注浆距离的增大，注浆压力逐渐较小)，造成注浆扩散半径不大、流动距离缩短，无法达到预期要求。因此，亟需探索一种增压扩缝驱动注浆流动的微裂隙煤岩体注浆新工艺，将煤岩体中微裂隙的开度扩大，提高水泥基类浆液在微裂纹中的流动扩散效果，达到加固综采工作面顶板泥岩或夹矸中微裂隙的目的，保证我国煤炭资源安全高效开采。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，该方法是一种简便可行、经济适用、安全高效、气液结合的微裂隙煤岩体注浆新工艺。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，对综采工作面顶板注浆孔(钻孔)进行分段循环式施工，即根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，首先施工位于孔口的第1个分段，施工包括顺序的钻孔和注浆工作，待第1个分段施工完成后施工第2个分段，如此循环直至完成n个分段的施工。采用地质钻机在综采工作面顶板上按设定的位置施工注浆孔，保证注浆孔的终孔位置落在综采工作面顶板泥岩或夹矸内。

优选的，在第1个分段钻孔工作完成后，在孔口位置安装孔口钢管，可起到防止注浆孔坍塌的作用，亦可保证后续在注浆孔内的扫孔工作。

优选的，在注浆工作阶段，首先将通过高压大容量空气压缩机输出的气体和通过高压注浆泵泵出的浆液同时送入气-浆混合器，形成气-水泥浆液混合物，气-水泥浆液混合物通过注浆管注入到注浆孔内；在注浆工作前，在孔口钢管内安装止浆塞，避免气-水泥浆液混合物倒流造成浪费。通过高压大容量空气压缩机输出的高压气体，一方面可将综采工作面顶板泥岩或夹矸中的微裂隙的开度扩大(压气致裂扩缝作用)，提高了水泥基类浆液的可注性和注浆效果；另一方面可降低裂隙表面减缓浆液流动的摩阻力，增大水泥基类浆液在钻孔内的流动距离(压气驱使流动作用)，提高了水泥基类浆液的流动性和扩大了注浆扩散半径。通过高压注浆泵泵出的高压浆液，将顶板泥岩或夹矸中的微裂隙不断受力扩展，可由微裂隙形成开度较大的裂隙网络或通道(高压劈裂扩缝作用)，提高了水泥基类浆液在微裂隙中的扩散流动效果，进而达到加固煤岩体的目的。

优选的，在综采工作面顶板施工一个以上注浆孔；对所有注浆孔的第1个分段施工完成后，对所有注浆孔的第2个分段进行施工，如此循环，直至所有注浆孔的所有个分段都施工完成；在对所有注浆孔的每一个分段的施工过程中，先完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作，然后再完成所有注浆孔当前分段的注浆工作。

优选的，在综采工作面顶板施工一排注浆孔，由该排注浆孔的一端开始，对注浆孔进行顺序编号，在对所有注浆孔的每一个分段的施工过程中，先由小到大依次施工每个注浆孔的钻孔工作，待完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作后，先由小到大依次施工单号/双号注浆孔的注浆工作，待完成所有单号/双号注浆孔当前分段的注浆工作后，再由小到大依次施工双号/单号注浆孔的注浆工作。

优选的，在综采工作面顶板施工M排注浆孔，第m排施工N_m个注浆孔，M≥2，N_m≥2，m＝1,2,3...M；由位于侧边的一排开始，对注浆孔所处排顺序编号(1,2,3...M)，对于第m排注浆孔，由统一的一端开始，对注浆孔进行顺序编号(1,2,3...N_m)；对所有注浆孔当前分段的钻孔工作中，按由小到大顺序按排依次施工，对于每一排，按由小到大顺序逐个施工，直至完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作；在对所有注浆孔当前分段的注浆工作中，分M个轮回进行：第一个轮回从第一排的第一个注浆孔开始施工第m排的第m个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；第二个轮回从第一排的第二个注浆孔开始施工第m排的第m+1个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；第三个轮回从第一排的第三个注浆孔开始施工第m排的第m+2个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；如此循环，直至施工完所有注浆孔，当排尾部不足的注浆孔使用前部未施工的注浆孔补充。这样可保证在任意单号或双号注浆孔进行注浆施工时，其相邻两侧下方或上方的注浆孔可形成一定范围的泄压区，可将注浆孔周边裂隙中的水或气体及时排出，降低了浆液在裂隙中流动扩散的阻力，提高了微裂隙煤岩体注浆效果。

一种具体的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，包括如下步骤：

步骤一：在综采工作面顶板施工两排注浆孔；根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，每个分段的长度为10～30m；

步骤二：施工第1个分段的钻孔工作

将地质钻机放置在综采工作面一侧或两侧的顺槽内，在综采工作面的顶板煤岩体上按设定位置施工第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔工作，钻孔的直径为100～120mm，保证第1个分段的终孔位置落在顶板煤岩体内，待钻孔工作完成后，在第1个分段内安装孔口钢管；

逐个施工完第一排当前分段的钻孔，然后逐个施工完第二排当前分段的钻孔；

步骤二：施工第1个分段的注浆工作

将强度等级为32.5～42.5普通硅酸盐水泥与水按照0.6～0.8的水灰比在搅拌与储浆器中搅拌均匀形成水泥浆液，水泥浆液通过耐高压软管流入到高压注浆泵；通过高压大容量空气压缩机输出的气体与高压注浆泵泵出的水泥浆液通过耐高压软管流入到气-浆混合器中，再通过注浆管将气-水泥浆液注入到第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔中；在注浆前在孔口钢管内安装止浆塞，以防止浆液倒流；通过压力表监测浆液与气体的压力，注浆压力为10～30MPa，气体压力5～15MPa；

按照第一排第一个、第二排第二个、第一排第三个……的顺序交错施工完第一排的单数号注浆孔和第二排双数号注浆孔的注浆工作，再按照第二排第一个、第一排第二个、第二排第三个……的顺序交错施工完第二排的单数号注浆孔和第一排双数号注浆孔的注浆工作；

步骤三：施工第2～n个分段的钻孔工作

按照施工第1个分段的注浆工作的顺序和方法，依此施工第2～n个分段的钻孔工作。

优选的，注浆工作时，注入浆液为水泥类注浆材料；注入气体为空气。

益效果：本发明提供的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，能够适用于煤矿、铁矿、有色金属矿山、隧道等地下工程，是一种安全高效的微裂隙煤岩体注浆施工方法。

附图说明

图1为钻孔与注浆施工工艺顺序示意图；

图2为综采工作面顶板注浆孔(钻孔)布设断面图。

包括：1-顶板煤岩体，2-第1段注浆孔(钻孔)，3-孔口钢管，4-高压大容量空气压缩机，5-耐高压软管，6-压力表，7-气-浆混合器，8-搅拌与储浆器，9-高压注浆泵，10-注浆管，11-止浆塞，12-第2段注浆孔(钻孔)，13-第n段注浆孔(钻孔)，14-综采工作面，15-综采工作面顶板，16-形成的注浆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，包括如下步骤：

步骤一：在综采工作面顶板施工两排注浆孔；根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，每个分段的长度为10～30m。

步骤二：施工第1个分段的钻孔工作

将地质钻机放置在综采工作面一侧或两侧的顺槽内，在综采工作面的顶板煤岩体上按设定位置施工第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔工作，钻孔的直径为100～120mm，保证第1个分段的终孔位置落在顶板煤岩体内，待钻孔工作完成后，在第1个分段内安装孔口钢管。

逐个施工完第一排当前分段的钻孔，然后逐个施工完第二排当前分段的钻孔。

如图2所示，钻孔的顺序为：

I-1→I-2→I-3→I-4→I-5→I-6→II-1→II-2→II-3→II-4→II-5→II-6→II-7

步骤二：施工第1个分段的注浆工作

将强度等级为32.5～42.5普通硅酸盐水泥与水按照0.6～0.8的水灰比在搅拌与储浆器中搅拌均匀形成水泥浆液，水泥浆液通过耐高压软管流入到高压注浆泵；通过高压大容量空气压缩机输出的气体与高压注浆泵泵出的水泥浆液通过耐高压软管流入到气-浆混合器中，再通过注浆管将气-水泥浆液注入到第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔中；在注浆前在孔口钢管内安装止浆塞，以防止浆液倒流；通过压力表监测浆液与气体的压力，注浆压力为10～30MPa，气体压力5～15MPa。

逐个施工完第一排单数号钻孔的注浆工作，再逐个施工完第二排双数号钻孔的注浆工作，然后逐个施工完第一排双数号钻孔的注浆工作，最后逐个施工完第二排单数号钻孔的注浆工作。

如图2所示，注浆的顺序为：

I-1→II-2→I-3→II-4→I-5→II-6→II-1→I-2→II-3→I-4→II-5→I-6→II-7

步骤三：施工第2～n个分段的钻孔工作

按照施工第1个分段的注浆工作的顺序和方法，依此施工第2～n个分段的钻孔工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，其特征在于：对综采工作面顶板注浆孔进行分段循环式施工，即根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，首先施工位于孔口的第1个分段，施工包括顺序的钻孔和注浆工作，待第1个分段施工完成后施工第2个分段，如此循环直至完成n个分段的施工；在综采工作面顶板施工一个以上注浆孔；对所有注浆孔的第1个分段施工完成后，对所有注浆孔的第2个分段进行施工，如此循环，直至所有注浆孔的所有个分段都施工完成；在对所有注浆孔的每一个分段的施工过程中，先完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作，然后再完成所有注浆孔当前分段的注浆工作；在注浆工作阶段，首先将通过高压大容量空气压缩机输出的气体和通过高压注浆泵泵出的浆液同时送入气-浆混合器，形成气-水泥浆液混合物，气-水泥浆液混合物通过注浆管注入到注浆孔内；在注浆工作前，在孔口钢管内安装止浆塞。

2.根据权利要求1所述的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，其特征在于：在第1个分段钻孔工作完成后，在孔口位置安装孔口钢管。

3.根据权利要求1所述的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，其特征在于：在综采工作面顶板施工一排注浆孔，由该排注浆孔的一端开始，对注浆孔进行顺序编号，在对所有注浆孔的每一个分段的施工过程中，先由小到大依次施工每个注浆孔的钻孔工作，待完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作后，先由小到大依次施工单号/双号注浆孔的注浆工作，待完成所有单号/双号注浆孔当前分段的注浆工作后，再由小到大依次施工双号/单号注浆孔的注浆工作。

4.根据权利要求1所述的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，其特征在于：在综采工作面顶板施工M排注浆孔，第m排施工N _m 个注浆孔，M≥2，N _m ≥2，m=1,2,3...M；由位于侧边的一排开始，对注浆孔所处排顺序编号（1,2,3...M），对于第m排注浆孔，由统一的一端开始，对注浆孔进行顺序编号（1,2,3...N _m ）；对所有注浆孔当前分段的钻孔工作中，按由小到大顺序按排依次施工，对于每一排，按由小到大顺序逐个施工，直至完成所有注浆孔当前分段的钻孔工作；在对所有注浆孔当前分段的注浆工作中，分M个轮回进行：第一个轮回从第一排的第一个注浆孔开始施工第m排的第m个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；第二个轮回从第一排的第二个注浆孔开始施工第m排的第m+1个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；第三个轮回从第一排的第三个注浆孔开始施工第m排的第m+2个注浆孔，施工完所有排后呈V型反向顺序施工，形成规则的W波浪线顺序；如此循环，直至施工完所有注浆孔，当排尾部不足的注浆孔使用前部未施工的注浆孔补充。

5.根据权利要求1所述的气-水泥浆液混合式深孔循环高压劈裂注浆方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在综采工作面顶板施工两排注浆孔；根据注浆孔的长度，将注浆孔分为n个分段，每个分段的长度为10~30 m；

步骤二：施工第1个分段的钻孔工作

将地质钻机放置在综采工作面一侧或两侧的顺槽内，在综采工作面的顶板煤岩体上按设定位置施工第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔工作，钻孔的直径为100~120 mm，保证第1个分段的终孔位置落在顶板煤岩体内，待钻孔工作完成后，在第1个分段内安装孔口钢管；

逐个施工完第一排当前分段的钻孔，然后逐个施工完第二排当前分段的钻孔；

步骤三：施工第1个分段的注浆工作

将强度等级为32.5~42.5普通硅酸盐水泥与水按照0.6~0.8的水灰比在搅拌与储浆器中搅拌均匀形成水泥浆液，水泥浆液通过耐高压软管流入到高压注浆泵；通过高压大容量空气压缩机输出的气体与高压注浆泵泵出的水泥浆液通过耐高压软管流入到气-浆混合器中，再通过注浆管将气-水泥浆液注入到第一排第一个注浆孔的第1个分段的钻孔中；在注浆前在孔口钢管内安装止浆塞，以防止浆液倒流；通过压力表监测浆液与气体的压力，注浆压力为10~30 MPa，气体压力5~15 MPa；

按照第一排第一个、第二排第二个、第一排第三个……的顺序交错施工完第一排的单数号注浆孔和第二排双数号注浆孔的注浆工作，再按照第二排第一个、第一排第二个、第二排第三个……的顺序交错施工完第二排的单数号注浆孔和第一排双数号注浆孔的注浆工作；

步骤四：施工第2~n个分段的钻孔工作

按照施工第1个分段的注浆工作的顺序和方法，依此施工第2~n个分段的钻孔工作。