CN113279811A - 一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法及施工方法 - Google Patents

一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法及施工方法，包括：步骤1：设置巷道充填孔，巷道充填孔按照孔间距80～100m沿巷道走向中心线布置，巷道充填孔距离巷道端部距离不大于20m；巷道充填孔钻进后对巷道充填孔进行填充，填充包括灌注骨料和注浆；步骤2：设置采空区充填孔；以排为单位，采空区充填孔按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m；且采空区充填孔实行钻进一排填充一排的形式进行，填充包括灌注骨料和注浆。本发明是在老空区的巷道和采空区范围内，从地面布置钻孔，通过灌注骨料和加压注浆的方式充填巷道和采空区的空洞，实现顶板再造和水、瓦斯隐患的治理的双重目标，为下分层煤开采提供安全保障。

Description

一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法及施工方法
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法及施工方法。
背景技术
煤炭作为不可再能源的主体，最大限度地提高问收率，实现煤炭的安全高效开采是我国能源保障体系建设和可持续发展战略实施的重要组成部分。由于历史原因，我国部分矿区小煤窑采厚弃薄、挖顶弃底、采肥丢瘦、采优弃劣、采易弃难的开采方式导致煤层完整性遭到严重破坏，造成大量的煤炭资源浪费。据不完全统计，全国范围内遗弃煤炭资源储量约1200亿吨，可采储量约为403亿吨，资源储量巨大，遗煤复采将增加我国30％的可采储量，其中厚煤层遗弃资源更是广泛赋存。我国厚煤层储量十分丰富，厚 (煤厚大于3.5m)及特厚煤层(煤厚大于8m)是我国煤矿高产高效开采的主体煤层，储量占全国的45％。近年来，随着煤炭资源整合的进行，厚煤层遗弃资源成为资源整合矿井主要开采对象。资源整合后的厚煤层一般采用综放开采方式进行开采，随着特厚煤层大采高综放开采的围岩控制理论、综放开采技术和装备的进步，解决了复杂条件大断面煤巷支护与工作面安全保障技术难题，可以实现14～20m特厚煤层的安全高效开采。为了落实提高资源利用率的煤炭产业政策，开采下层煤炭资源，需要重新开启封闭的采区，开采下层煤，然而现如今采空区内水、有毒有害气体聚集和顶板坍塌破碎等情况不明，采区重新开启可能发生突水、着火、中毒和坍塌事故，风险极大，需要对老旧采空区和巷道进行充填，排除水和有毒有害气体，固结坍塌破碎的岩层，为下分层煤炭资源开采提供地质保障。
发明内容
本发明是一种特厚煤层上分层老空区顶板再造的方法，解决现有特厚煤层开采上分层后，封闭采空区内水、瓦斯聚集，顶板塌落破碎，重新开启会发生突水、着火和坍塌事故。本发明利用钻孔对采空区和采掘巷道进行充填加固，实现上分层采空区水、有毒有害气体治理和顶板再造，保障下层煤安全开采。
为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：
一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，包括：
步骤1：设置巷道充填孔，巷道充填孔按照孔间距80～100m沿巷道走向中心线布置，巷道充填孔距离巷道端部距离不大于20m；巷道充填孔钻进后对巷道充填孔进行填充，填充包括灌注骨料和注浆；
步骤2：设置采空区充填孔；以排为单位，采空区充填孔按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m；且采空区充填孔实行钻进一排填充一排的形式进行，填充包括注浆和/或灌注骨料。
可选的，所述的巷道充填孔的填充包括：
灌注骨料：灌注骨料的水流量为60～100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1或选择单骨料，砂的粒径为0.2～0.5mm，矸石粒径5～15mm，水与骨料的质量比为12～8：1，负压小于0.04MPa停止灌注；
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达 1.0～1.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。
可选的，采空区充填孔的填充包括：
所述的采空区充填孔包括采空区充填一序孔和采空区充填二序孔，采空区充填一序孔和采空区充填二序孔按照邻排插空间隔布置，沿采空区走向每隔150～200m一列采空区充填二序孔为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼推进式充填；
注浆：每钻进10～15m为一个注浆段；注入水泥和粉煤灰质量比为7：3或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.5～2.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注；当钻井液消耗量大于50m3/h 或注浆量大于40t/h，灌注骨料。
可选的，所述的填充按照相邻采空区充填一序孔和中间采空区充填二序孔为施工单位；
先进行相邻采空区充填一序孔的分别填充，再进行空区充填二序孔的填充。
可选的，巷道充填孔孔径：开孔孔径311mm～215.9mm，钻至巷道和采空区上方 10～15m，透巷采用152mm～127mm孔径；
巷道充填孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每10～20m进行1次测斜。
一种特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，包括：
S1：施工巷道充填孔；
巷道充填孔按照孔间距80～100m沿巷道走向中心线布置，巷道充填孔距离巷道端部距离不大于20m；巷道充填孔钻进后对巷道充填孔进行填充，填充包括灌注骨料和注浆；
S2：施工采空区充填孔；
以排为单位，采空区充填孔按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m；且采空区充填孔实行钻进一排填充一排的形式进行，填充包括灌注骨料和注浆。
可选的，所述的巷道充填孔的填充包括：
灌注骨料：灌注骨料的水流量为60～100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1或选择单骨料，砂的粒径为0.2～0.5mm，矸石粒径5～15mm，水与骨料的质量比为12～8：1，负压小于0.04MPa停止灌注；
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达 1.0～1.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。
可选的，采空区充填孔的填充包括：
所述的采空区充填孔包括采空区充填一序孔和采空区充填二序孔，采空区充填一序孔和采空区充填二序孔按照邻排插空间隔布置，沿采空区走向每隔150～200m一列采空区充填二序孔为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼推进式充填；
注浆：每钻进10～15m为一个注浆段；注入水泥和粉煤灰质量比为7：3或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.5～2.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注；当钻井液消耗量大于50m3/h 或注浆量大于40t/h，灌注骨料。
可选的，巷道充填孔孔径：开孔孔径311mm～215.9mm，钻至巷道和采空区上方 10～15m，透巷采用152mm～127mm孔径；
巷道充填孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每10～20m进行1次测斜；
套管深度：套管下至巷道顶板和采空区上方10～15m；
施工顺序：将每条巷道按照400～500m的间距分为N个施工段，每个施工段先施工最低处的钻孔透巷后作为排水排气孔，然后由巷道低处向高处逐个施工段施工，每个施工段的钻孔跳孔施工。
可选的，所述的填充按照相邻采空区充填一序孔和中间采空区充填二序孔为施工单位；
先进行相邻采空区充填一序孔的分别填充，再进行空区充填二序孔的填充。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明是在老空区的巷道和采空区范围内，从地面布置钻孔，通过灌注骨料和加压注浆的方式充填巷道和采空区的空洞，置换出里面的水和有毒有害气体，同时将松散破碎的岩石胶结成较为完整的固结体，实现顶板再造和水、瓦斯隐患的治理的多重目标，为下分层开采提供安全地质保障。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是顶板再造钻孔布置平面图；
图2是采空区顶板再造钻孔布置剖面图；
图3是巷道充填示意图；
图4是水平巷道充填示意图；
图中，1-巷道、2-巷道充填钻孔、3-采空区、4-采空区充填一序孔、5-采空区充填二序孔、6-套管、7-上层煤、8-下层煤、9-骨料堆积体、10-浆液充填体、11-排水排气孔、 12-检查孔。
具体实施方式
以下将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明。
步骤1：收集地质及采矿资料，包括地层结构，巷道1的分布和标高，采高，采深，采空区3的范围和标高。
步骤2：确定钻孔位置。巷道充填钻孔2按照孔间距80～100m沿巷道1走向中心线布置，钻孔距离巷道1两端不大于20m；采空区充填一序孔4和采空区充填二序孔5按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m。
步骤3：进行巷道1充填。
钻孔定位：钻孔孔口测量放样精度要求是与设计坐标的误差不大于1m。
钻孔孔径：开孔孔径311mm～215.9mm，钻至巷道和采空区上方10～15m，透巷采用152mm～127mm孔径。
钻孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每10～20m进行1次测斜。保证能够准确透巷。
套管深度：套管6下至巷道顶板上10～15m，水泥固井。
施工顺序：将每条巷道1按照400～500m的间距分为N个施工段，每个施工段先施工最低处的钻孔透巷后作为排水排气孔11，然后由巷道1的低处向高处逐个施工段施工，每个施工段的钻孔跳孔施工。
透巷：完成套管6之后进行钻孔透巷，出现掉钻、放空或钻井液大量漏失即表示完成透巷。
灌注骨料：透巷完成后，提出钻杆，在孔口安装负压表、管路及漏斗，通过水流携带骨料的方式降灌注。灌注前进行注水试验，同时观测排水排气孔11水位判断巷道1 连通性，灌注骨料的水流量为60～100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1或选择单骨料，砂的粒径为0.2～0.5mm，矸石粒径5～15mm，水与骨料质量比为(12：1)～(8：1)。负压小于0.04MPa停止灌注。在巷道中形成骨料堆积体9。
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达 1.0～1.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。在巷道中形成浆液充填体10。
加固：注浆结束后扫孔，钻进至巷道1底板下1～2m，起钻再一次进行补充注浆加固，补充注浆选择纯水泥浆。
由低处向高处依次施工各施工段，直至完成所有巷道1的充填。
步骤4：对采空区3进行充填。
巷道1充填完成后，采空区3形成密闭空间，避免了浆液流失，这时开始施工采空区充填孔，钻孔分两序施工，先施工采空区充填一序孔4，后施工采空区充填二序孔5，套管6均下至采空区3上方10～15m。首先沿采空区3走向每隔150～200m施工一列采空区充填二序孔5作为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼“挤牙膏式”地推进。工作面较长的可以分多个施工段同时施工。比如，填充按照相邻采空区充填一序孔4和中间采空区充填二序孔5为施工单位；先进行相邻采空区充填一序孔4的分别填充，再进行空区充填二序孔5的填充。
注浆段长：进入采空区3后每钻进10～15m为一个注浆段。
注浆：采用“孔口止浆纯压式静压连续注浆法”注入水泥和粉煤灰质量比为7：3 或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达 1.5～2.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。当注浆量大或采空区空隙较大时，注入骨料，方式同步骤3中的骨料灌注。
步骤5：施工检查孔12，增加施工钻孔总数10％～15％的钻孔作为检查孔。通过简易压水试验和岩芯强度试验检查充填体的渗透性和强度。检验标准：压水试验透水率小于1Lu，充填体岩芯饱和抗压强度2～5MPa。
实施例一：
步骤1：收集地质及采矿资料，上分层巷道和采空区分布平面图如图1所示，煤层厚度9m，上层煤7已采厚度3m，下层煤8待采厚度6m。
步骤2：如图所示，确定钻孔位置。巷道充填钻孔2按照孔间距80m沿巷道走向中心线布置，钻孔距离巷道1两端15m；空区充填一序孔4和采空区充填二序孔5按照邻排插空间隔布置，孔间距60m，排距30m。
步骤3：如图1、图3和图4所示，进行巷道1充填。
钻孔定位：根据设计的钻孔孔口坐标进行放样定位，放样坐标与设计坐标的误差不大于1m；
钻孔：开孔孔径215.9mm，钻进至巷道1顶板上10m，下入Φ177.8×8.05mm套管6，完成固井后，用152mm孔径透巷。
钻孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每20m进行1次测斜，配置直螺杆钻孔垂直，能够准确透巷。
施工顺序：将每条巷道1按照400m的间距分为N个施工段，每个施工段先施工最低处的钻孔透巷后作为排水排气孔11，由巷道1的低处向高处逐个施工段施工，每个施工段的钻孔跳孔施工。
透巷：完成套管6之后进行钻孔透巷，出现掉钻、放空或钻井液大量漏失即表示完成透巷。
灌注骨料：透巷完成后，提出钻杆，在孔口安装负压表、管路及下料漏斗，通过水流携带骨料的方式降灌注。灌注前进行注水试验，同时观测排水排气孔11水位判断巷道连通性，灌注骨料的水流量为100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1的混合料，砂为粒径0.2～0.5mm的细砂-中砂，矸石粒径5～15mm，水骨料质量比为10：1。负压小于 0.04MPa停止灌注。在巷道中形成骨料堆积体9。
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道1，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5的混合浆液，混合浆液比重1.7，注浆流量400L/min，孔口压力达1.5MPa后减小注浆流量至52L/min，待压力稳定15min后停注。在巷道中形成浆液充填体10。
加固：注浆结束后扫孔，钻进至巷道1底板下2m，起钻再一次进行补充注浆加固，补充注浆选择纯水泥浆，比重1.7，注浆流量250L/min，孔口压力达1.5MPa后减小注浆流量至52L/min，待压力稳定15min后停注。
由低处向高处依次施工各施工段，直至完成所有巷道1的充填。
步骤4：如图1和图2所示，对采空区3进行充填。
巷道1充填完成后，采空区3形成密闭空间，避免了浆液流失，这时开始施工采空区充填孔，钻孔分两序施工，钻孔套管6下至采空区3上方10m。
首先沿采空区走向每隔200m施工一列采空区充填二序孔5作为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼“挤牙膏式”地推进，先施工采空区充填一序孔4，后施工采空区充填二序孔5对一序孔之间区段进行检验和加固。
注浆段长：进入采空区3后每钻进10m为一个注浆段。
注浆：采用“孔口止浆纯压式静压连续注浆法”注入水泥和粉煤灰质量比为6：4 的混合浆液，混合浆液比重1.7，注浆流量300L/min，孔口压力达1.5MPa后减小注浆流量至52L/min，待压力稳定15min后停注。当注浆量大于40t/h或采空区钻井液消耗量大于50m3/h时，注入骨料，方式同步骤3中的骨料灌注。
步骤5：施工检查孔12，增加施工钻孔总数10％的钻孔作为检查孔12。通过简易压水试验和岩芯强度试验检查充填体的渗透性和强度。检验结果压水试验透水率均小于1Lu，充填体岩芯饱和抗压强度均大于2MPa。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，其特征在于，包括：
步骤1：设置巷道充填孔，巷道充填孔按照孔间距80～100m沿巷道走向中心线布置，巷道充填孔距离巷道端部距离不大于20m；巷道充填孔钻进后对巷道充填孔进行填充，填充包括灌注骨料和注浆；
步骤2：设置采空区充填孔；以排为单位，采空区充填孔按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m；且采空区充填孔实行钻进一排填充一排的形式进行，填充包括注浆和/或灌注骨料。
2.根据权利要求1所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，其特征在于，所述的巷道充填孔的填充包括：
灌注骨料：灌注骨料的水流量为60～100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1或选择单骨料，砂的粒径为0.2～0.5mm，矸石粒径5～15mm，水与骨料的质量比为12～8：1，负压小于0.04MPa停止灌注；
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.0～1.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。
3.根据权利要求1或2所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，其特征在于，采空区充填孔的填充包括：
所述的采空区充填孔包括采空区充填一序孔和采空区充填二序孔，采空区充填一序孔和采空区充填二序孔按照邻排插空间隔布置，沿采空区走向每隔150～200m一列采空区充填二序孔为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼推进式充填；
注浆：每钻进10～15m为一个注浆段；注入水泥和粉煤灰质量比为7：3或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.5～2.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注；当钻井液消耗量大于50m3/h或注浆量大于40t/h，灌注骨料。
4.根据权利要求3所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，其特征在于，所述的填充按照相邻采空区充填一序孔和中间采空区充填二序孔为施工单位；
先进行相邻采空区充填一序孔的分别填充，再进行空区充填二序孔的填充。
5.根据权利要求1或2所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造方法，其特征在于，巷道充填孔孔径：开孔孔径311mm～215.9mm，钻至巷道和采空区上方10～15m，透巷采用152mm～127mm孔径；
巷道充填孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每10～20m进行1次测斜。
6.一种特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，其特征在于，包括：
S1：施工巷道充填孔；
巷道充填孔按照孔间距80～100m沿巷道走向中心线布置，巷道充填孔距离巷道端部距离不大于20m；巷道充填孔钻进后对巷道充填孔进行填充，填充包括灌注骨料和注浆；
S2：施工采空区充填孔；
以排为单位，采空区充填孔按照邻排插空间隔布置，孔间距40～60m，排距20～30m；且采空区充填孔实行钻进一排填充一排的形式进行，填充包括灌注骨料和注浆。
7.根据权利要求6所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，其特征在于，所述的巷道充填孔的填充包括：
灌注骨料：灌注骨料的水流量为60～100m3/h，骨料中砂：矸石质量比为1：1或选择单骨料，砂的粒径为0.2～0.5mm，矸石粒径5～15mm，水与骨料的质量比为12～8：1，负压小于0.04MPa停止灌注；
注浆：骨料灌注完成后，扫孔至巷道，注入P.O32.5水泥和二级粉煤灰的质量比为5：5或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.0～1.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注。
8.根据权利要求6或7所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，其特征在于，采空区充填孔的填充包括：
所述的采空区充填孔包括采空区充填一序孔和采空区充填二序孔，采空区充填一序孔和采空区充填二序孔按照邻排插空间隔布置，沿采空区走向每隔150～200m一列采空区充填二序孔为排水排气孔，然后按照由低到高、由停采线到切眼推进式充填；
注浆：每钻进10～15m为一个注浆段；注入水泥和粉煤灰质量比为7：3或6：4的混合浆液，混合浆液比重1.4～1.7，注浆流量400～250L/min，孔口压力达1.5～2.5MPa后减小注浆流量至40～60L/min，待压力稳定15～20min后停注；当钻井液消耗量大于50m3/h或注浆量大于40t/h，灌注骨料。
9.根据权利要求6或7所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，其特征在于，巷道充填孔孔径：开孔孔径311mm～215.9mm，钻至巷道和采空区上方10～15m，透巷采用152mm～127mm孔径；
巷道充填孔孔斜：孔底偏差不大于2m，钻进过程中每10～20m进行1次测斜；
套管深度：套管下至巷道顶板和采空区上方10～15m；
施工顺序：将每条巷道按照400～500m的间距分为N个施工段，每个施工段先施工最低处的钻孔透巷后作为排水排气孔，然后由巷道低处向高处逐个施工段施工，每个施工段的钻孔跳孔施工。
10.根据权利要求1或2所述的特厚煤层上分层老空区顶板再造施工方法，其特征在于，所述的填充按照相邻采空区充填一序孔和中间采空区充填二序孔为施工单位；
先进行相邻采空区充填一序孔的分别填充，再进行空区充填二序孔的填充。
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