CN110685688B - 一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，通过对需改性的岩体(坚硬岩层或破碎围岩)先进行钻孔施工，然后进一步将化学试剂(软化剂或盐酸和碳酸钠结合)注入钻孔中，从而改变岩体的硬度及整体性，使其弱化或硬化，避免坚硬岩层在工作面后方形成大面积悬顶，减小初次来压步距和周期来压步距，从而避免了因工作面后方坚硬顶板瞬间冒落而发生的空气冲击和顶板冲击事故，解决巷道顶板积聚的能量释放、应力转移、和其他巷道附近需弱化的煤层坚硬顶板等难题，同时也解决松散、破碎围岩体加固的问题，因此有效保证煤巷后续的安全开采。另外本发明方法简单，成本低，使用方便，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿围岩控制方法，具体是一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法。
背景技术
在煤炭开采期间，当煤层上方顶板整体性好、自稳能力强、强度高、节理裂隙构造不发育时，会使初次来压步距和周期来压步距增大，从而导致采空区上方产生大面积悬顶。这种情况下的顶板在瞬间冒落时会形成空气冲击和顶板冲击，使井下人员、机械设备等形成极大的安全隐患。我国目前有1/3的煤矿属于坚硬顶板煤层，为了使煤炭安全高效的生产，必须减小顶板悬漏面积，防止顶板的大面积来压，且为了使煤炭资源回收率提高，沿空留巷、切顶卸压自动成巷等无煤柱开采技术发展迅速，这些技术的关键点和难点之一即是顶板弱化。目前，煤矿坚硬顶板弱化主要有三种方法，分别为通过设计的***方法对顶板的整体性进行弱化的***法；采用高压注水对坚硬顶板进行压裂，以扩大岩体中的裂隙，增加岩体中的弱面的水压致裂法；将气相压裂装置推送至顶板钻孔内进行预裂***弱化顶板的气相压裂法；将以上三种方法进行结合并综合应用的综合弱化方法。
上述顶板弱化方法都有局限性，***法存在***带来的安全隐患问题和顶板预裂范围有限问题；水力压裂法不适用于有粘土岩、泥岩、页岩夹层的坚硬岩层和有地质破坏带的区域，而且需消耗大量的水资源；气相压裂法存在工艺较为复杂，经济成本较高的问题；传统加固方法不但消耗大量的人力、物力，且加固效果不持久。
另外在巷道掘进完成后，巷道周围的围岩应力重新分布，由于断层等地质构造的影响，导致巷道围岩破碎、松散，承载能力下降，造成冒顶片帮，对井下安全开采造成极大的安全隐患。据相关统计，在开采工作期间，冒顶片帮是最常见的事故，约占采矿井下事故的40％，因此必须对破碎的松软巷道围岩体进行加固。传统加固方法是锚杆补强、补喷、架设金属支架、注浆等方式。这些方式不仅施工难度较大，而且效果较差。
因此亟需研究一种更加安全高效且成本较低的煤矿围岩体改性的控制方法，使其不仅能对煤巷顶板进行有效弱化，同时能对巷道周围的松软围岩进行加固。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，不仅能对坚硬岩层进行弱化处理，而且能对破碎围岩进行加固处理，从而保证煤巷的安全开采。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，该方法的具体步骤为：
A、对巷道掘进完成后，对巷道上方的坚硬岩层进行硬度检测，若坚硬岩层的普氏硬度系数超过8，则进入步骤B，否则进入步骤D；
B、在巷道内壁向坚硬岩层施工多排弱化钻孔，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻弱化钻孔之间的间距为0.5m～5m；
C、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个弱化钻孔内注入软化剂并封孔，封孔时间为1小时，使软化剂与坚硬岩层充分反应，然后重复注入软化剂并封孔，直至使坚硬岩层的普式硬度系数降低至3停止；
D、对巷道四周的围岩进行硬度检测，若围岩的普氏硬度系数小于1，则进入步骤E，否则完成煤矿围岩的控制过程；
E、在巷道内壁向两侧的围岩施工多排加固钻孔，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻加固钻孔之间的间距为0.5m～5m；
F、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个加固钻孔内注入盐酸并封孔，使盐酸与围岩中破碎的胶结物质(碳酸盐、硫酸盐)充分反应生成对应的氯化物，封孔1小时后，再次向各个加固钻孔内注入碳酸钠并封孔，碳酸钠会先中和首次加入的多余盐酸，再与各类氯化物反应生成对应的碳酸根沉淀胶结物，使破碎岩石中的微沉淀胶结物转变成强胶结物质；重复上述步骤直至使围岩的普氏硬度系数达到5停止；完成煤矿围岩的控制过程。
进一步，所述弱化钻孔的直径及加固钻孔的直径均在50mm～100mm范围内。在这个范围内的钻孔直径最合适，若钻孔直径过大会导致施工不便且浪费软化剂或硬化剂；若钻孔直径太小会导致软化剂或硬化剂与坚硬岩层或围岩内岩石成分反应的接触面变小，从而增加了该工序的时间。
进一步，所述弱化钻孔的末端处于坚硬岩层的1/2厚度处；加固钻孔的末端处于围岩的1/2厚度处。采用这种位置的设置能增大注入的软化剂或硬化剂与坚硬岩层或围岩内岩石成分的接触面，从而充分保证其产生化学反应，最终实现对坚硬岩层的弱化和对围岩的加固。
进一步，所述软化剂为浓度为80％的浓磷酸，其注入坚硬岩层后能与岩石中二氧化硅、碳酸钙反应生成对应的盐和水，降低坚硬岩石的普式硬度系数，以达到坚硬岩层软化的目的。
与现有技术相比，本发明通过对需改性的岩体(坚硬岩层或破碎围岩)先进行钻孔施工，然后进一步将化学试剂(软化剂或盐酸和碳酸钠结合)注入钻孔中，从而改变岩体的硬度及整体性，使其弱化或硬化，避免坚硬岩层在工作面后方形成大面积悬顶，减小初次来压步距和周期来压步距，从而避免了因工作面后方坚硬顶板瞬间冒落而发生的空气冲击和顶板冲击事故，解决巷道顶板积聚的能量释放、应力转移、和其他巷道附近需弱化的煤层坚硬顶板等难题，同时也解决松散、破碎围岩体加固的问题，因此有效保证煤巷后续的安全开采。另外本发明方法简单，成本低，使用方便，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明对坚硬岩层进行弱化处理的钻孔示意图；
图2是本发明对围岩进行加固处理的钻孔示意图；
图3是图2中加固钻孔在巷道内壁上的平面示意图。
图中：1、煤层，2、巷道，3、弱化钻孔，4、坚硬岩层，5、加固钻孔，6、围岩。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的具体步骤为：
A、对巷道2掘进完成后，对巷道2上方的坚硬岩层4进行硬度检测，若坚硬岩层4的普氏硬度系数超过8，则进入步骤B，否则进入步骤D；
B、在巷道内壁向坚硬岩层4施工多排弱化钻孔3，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻弱化钻孔3之间的间距为0.5m～5m；
C、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个弱化钻孔3内注入软化剂并封孔，封孔时间为1小时，使软化剂与坚硬岩层4充分反应，然后重复注入软化剂并封孔，直至使坚硬岩层4的普式硬度系数降低至3停止；
D、对巷道2四周的围岩6进行硬度检测，若围岩6的普氏硬度系数小于1，则进入步骤E，否则完成煤矿围岩的控制过程；
E、在巷道内壁向两侧的围岩6施工多排加固钻孔5，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻加固钻孔5之间的间距为0.5m～5m；
F、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个加固钻孔5内注入盐酸并封孔，使盐酸与围岩6中破碎的胶结物质(碳酸盐、硫酸盐)充分反应生成对应的氯化物，封孔1小时后，再次向各个加固钻孔5内注入碳酸钠并封孔，碳酸钠会先中和首次加入的未反应盐酸，再与各类氯化物反应生成对应的碳酸根沉淀胶结物，使破碎岩石中的微沉淀胶结物转变成强胶结物质；重复上述步骤直至使围岩的普氏硬度系数达到5停止；完成煤矿围岩的控制过程。
进一步，所述弱化钻孔3的直径及加固钻孔5的直径均在50mm～100mm范围内。在这个范围内的钻孔直径最合适，若钻孔直径过大会导致施工不便且浪费软化剂或硬化剂(盐酸和碳酸钠结合)；若钻孔直径太小会导致软化剂或硬化剂与坚硬岩层或围岩内岩石成分反应的接触面变小，从而增加了该工序的时间。
进一步，所述弱化钻孔4的末端处于坚硬岩层4的1/2厚度处；加固钻孔5的末端处于围岩6的1/2厚度处。采用这种位置的设置能增大注入的软化剂或硬化剂与坚硬岩层4或围岩6内岩石成分的接触面，从而充分保证其产生化学反应，最终实现对坚硬岩层4的弱化和对围岩6的加固。
进一步，所述软化剂为浓度为80％的浓磷酸，其注入坚硬岩层后能与岩石中二氧化硅、碳酸钙反应生成对应的盐和水，降低坚硬岩石的普式硬度系数，以达到坚硬岩层软化的目的。
Claims (4)
1.一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
A、对巷道掘进完成后，对巷道上方的坚硬岩层进行硬度检测，若坚硬岩层的普氏硬度系数超过8，则进入步骤B，否则进入步骤D；
B、在巷道内壁向坚硬岩层施工多排弱化钻孔，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻弱化钻孔之间的间距为0.5m～5m；
C、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个弱化钻孔内注入软化剂并封孔，封孔时间为1小时，使软化剂与坚硬岩层充分反应，然后重复注入软化剂并封孔，直至使坚硬岩层的普式硬度系数降低至3停止；
D、对巷道四周的围岩进行硬度检测，若围岩的普氏硬度系数小于1，则进入步骤E，否则完成煤矿围岩的控制过程；
E、在巷道内壁向两侧的围岩施工多排加固钻孔，相邻排之间的排距为1～10m；每排中相邻加固钻孔之间的间距为0.5m～5m；
F、采用后退式注浆方法，以大于2.5个静水压力依次对各个加固钻孔内注入盐酸并封孔，使盐酸与围岩中破碎的胶结物质充分反应生成对应的氯化物，封孔1小时后，再次向各个加固钻孔内注入碳酸钠并封孔，碳酸钠会先中和首次加入的未反应盐酸，再与各类氯化物反应生成对应的碳酸根沉淀胶结物，使破碎岩石中的微沉淀胶结物转变成强胶结物质；重复该步骤的以上操作直至使围岩的普氏硬度系数达到5停止；完成煤矿围岩的控制过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，其特征在于，所述弱化钻孔的直径及加固钻孔的直径均在50mm～100mm范围内。
3.根据权利要求1所述的一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，其特征在于，所述弱化钻孔的末端处于坚硬岩层的1/2厚度处；加固钻孔的末端处于围岩的1/2厚度处。
4.根据权利要求1所述的一种基于化学改性的煤矿围岩控制方法，其特征在于，所述软化剂为浓度为80％的浓磷酸。
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