CN115126506A - 一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,所述第四含水层的上方为上覆松散层,所述第四含水层直接覆盖在基岩层上,所述保护煤柱位于所述基岩层内,所述注浆改造方法包括如下步骤:S1,确定保护煤柱范围;S2,钻孔取芯,确定第四含水层、上覆松散层和基岩层的信息;S3,对所述S2步骤中获得的所述钻孔压水试验;S4,对所述S2步骤中获得的所述钻孔注浆试验;S5,确定注浆范围,在注浆范围内布设注浆孔;S6,划分注浆孔的层段;S7,注浆;S8,停止注浆。该方法能够在确保工作面安全生产前提下,提高保水煤柱的开采上限,提高煤炭的回收率。
Description
技术领域
本发明涉及地下采矿方法领域,特别涉及一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法。
背景技术
我国东部矿区煤系发育,蕴藏大量优质煤炭资源,但煤系上部发育松散含水层,富水性较强,矿井生产过程中受到不同程度的水害威胁,且大部分煤层属于深部开采水压较大,因此采前水害治理成为东部地区矿井安全生产首要问题,亦是煤矿安全生产以及科学研究中的技术难题。为了防止煤层上部含水层的水害危害,传统煤矿开采中需要留设大量的保水煤柱以保证工作面的安全生产。这样,就使得大量的煤炭资源留在井下无法回收,尤其是优质煤炭资源,造成了煤炭资源的巨大浪费。我国仅华东、华北留设的松散层防水煤岩柱就有50亿吨之多,能源紧张的缓解,煤炭资源回采率的最大限度提高,成为了当前煤炭行业的迫切任务,因此提高煤矿的开采上限以及对矿井上部开采水平的水体下、建筑物下和铁路下等“三下”压煤进行开采,对促进煤炭生产效益,提高煤炭资源回采率,缓解能源紧张有重要意义。
由于部分东部老矿区的开采资源日渐减少,到上世纪80年代后期,业内的许多专家学者都十分关注煤矿在中、厚松散含水层下采煤提高开采上限的研究,从而尽可能多的达到解放煤炭储量的目的。虽然,在淮南、淮北和兖州等有矿区回收了部分保水煤柱,但其提高保水煤柱开采上限的范围有限,回收效率较低,水体下压煤占“三下”压煤总量的25%左右,并且受水害的危险程度还较高。现阶段主要有调整采煤方法(如分层、限高、条带和充填开采等)和回采过程中对导水裂缝带顶部封堵注浆等方法回采保水煤柱。采前调整采煤方法仍然是以牺牲大量煤炭资源得来的方法,不满足煤炭资源高效开发需求;回采过程中对导水裂缝带封堵注浆极易造成大量浆液流入采空区,致使注浆量大、封堵效果差,而且该方法同样属于造成覆岩含水层破坏扰动的被动处理方式。
鉴于目前针对“四含”底部保护煤柱开采方面尚无有效、可行、科学的解放开采方法,为提高“四含”下煤炭资源回采率,缓解东部矿区煤炭能源紧张,并进一步完善国内东部和西部矿区水体下采煤方法、实现采煤保水目标,研发一种安全、高效、实用的改造“四含”结构以解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法迫在眉睫,具有十分重要的意义和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,针对目前第四含水层保水煤柱回收中所面临的一系列问题,为了克服现有技术的不足,该方法能够在确保工作面安全生产前提下,提高保水煤柱的开采上限,提高煤炭的回收率,保护矿区的水资源,合理利用工业的固体废弃物对我国煤炭行业的健康、可持续发展,对生态社会的构建具有重大意义。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,所述第四含水层的上方为上覆松散层,所述第四含水层直接覆盖在基岩层上,所述保护煤柱位于所述基岩层内,所述注浆改造方法包括如下步骤:S1,确定保护煤柱范围; S2,钻孔取芯,确定第四含水层、上覆松散层和基岩层的信息;S3,对所述 S2步骤中获得的所述钻孔压水试验;S4,对所述S2步骤中获得的所述钻孔注浆试验;S5,确定注浆范围,在注浆范围内布设注浆孔;S6,划分注浆孔的层段;S7,注浆;S8,停止注浆。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S1中,保护煤柱范围为所述保护煤柱的外端相连后围成的区域,定义所述保护煤柱范围为F1,所述保护煤柱范围的横截面为四边形,四边形的四个顶点对应的地面位置为点a、点b、点c和点d,四边形的中心点对应的地面位置为点O;优选地,所述保护煤柱范围的横截面为矩形。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S2中,分别在所述点a、所述点b、所述点c、所述点d和所述点O处钻孔取芯,所述第四含水层的信息包括厚度、初始水位压力p0,所述上覆松散层的信息包括厚度,所述基岩层的信息包括厚度、基岩顶面深度,优选地,所述钻孔取芯为注浆前取芯,所述钻孔取芯在所述第四含水层和所述基岩层上部的风化带取芯。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S3中,压水试验为多级压水试验,每级压水试验的压力为pwi,每级压水试验的压力pwi均大于所述第四含水层的初始水位压力p0,设定 pwi=1.2*p0、1.4*p0和1.6*p0;某一级压水试验压力为pwi时测定对应稳定状态下的水流量为Qwi,通过公式(1)计算获得每个钻孔中待注浆深度范围内的某一试段在不同压水压力下的透水率:
其中,qwi为透水率,Lu;L为试段长度,m,试段是在钻孔的高度方向上选取一段;pwi为压水试验的压力值,MPa;Qwi为压水试验的水流量,L/min;
通过公式(2)计算获得每个钻孔中各试段在不同压水压力下的渗透系数:
其中,Kwi为渗透系数,m/d;r0为钻孔的半径,
优选地,通过压水试验计算所获得的透水率对所述第四含水层和基岩进行可注性评价,具体评价方法如下:透水率qwi在5Lu以上时,表明岩体的可注性较好;透水率qwi在1~5Lu之间时,表明岩体的可注性一般;透水率 qwi小于1Lu时,表明岩体的可注性较差。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S4中,根据浆液可注性指标获得注浆的起注压力P1和窜浆压力 P2,实际注浆压力psi介于起注压力P1和窜浆压力P2之间,所述注浆试验的注浆压力值设定x个等级,x优选为5-10;注浆试验的注浆压力值psi均为初始水位压力p0的倍数;优选地,注浆压力psi依次为: p0→1.2p0→1.4p0→1.6p0→1.8p0→2p0……;记录注浆压力值psi对应的实际浆液流量Qsi;
通过公式(3)计算获得注浆试验在不同注浆压力值psi下的透浆率:
其中,qsi为透浆率,Lu;L为试段长度,m;psi为注浆试验的注浆压力值,MPa;Qsi为注浆试验的实际浆液流量,L/min;优选地,取透浆率qsi大于1Lu时的注浆压力值psi作为起注压力P1,对应的实际浆液流量为Q1,优选地,注浆试验过程中,以某一级注浆压力注浆引起邻近孔出现窜浆时的注浆压力值为窜浆压力P2,对应的实际浆液流量为Q2。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S5中,所述注浆范围为最外侧的注浆孔的圆心相连后围成的区域,定义所述注浆范围为F2,所述注浆范围的横截面为四边形,所述注浆范围F2的边界在所述保护煤柱范围F1的边界外面,所述注浆范围F2的边界与所述保护煤柱范围F1的边界之间的距离为注浆扩散半径R的2~4倍;优选地,所述注浆孔包括第一类注浆孔和第二类注浆孔,多个所述第一类注浆孔依次排列形成一行,多个所述第二类注浆孔依次排列形成另一行,在所述注浆范围F2的边界先设置一行所述第一类注浆孔,再设置一行所述第二类注浆孔,再设置一行所述第一类注浆孔,直到所述注浆范围F2的中线位置处,然后将上述所述第一类注浆孔和所述第二类注浆孔的设置镜像直至注浆范围F2的另一侧边界,相邻的一行中的所述第一类注浆孔与另一行中的所述第二类注浆孔错开设置,相邻的一行中的所述第一类注浆孔的圆心与另一行中的所述第二类注浆孔的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍,施工时,先施工所述第一类注浆孔,再施工所述第二类注浆孔,优选地,同一行中的相邻的两个所述注浆孔的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍;优选地,所述注浆孔为地面直孔或定向斜孔,优选地,所述注浆范围的横截面为矩形,所述注浆范围的中心点对应的地面位置为点O。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S6中,所述注浆孔包括两个开段,分别为一开段和二开段,所述一开段由地表开始至所述第四含水层的顶面以下5m结束,所述二开段由所述第四含水层顶面以下5m开始至所述基岩层的顶面以下10m结束;所述二开段内设置有N个注浆段,每个注浆段的长度为4~8m,将N个注浆段划分为三个改造段,分别为上改造段、中改造段和下改造段,所述上改造段由所述第四含水层的顶面以下5m开始至N/3注浆段的底面结束,所述中改造段由N/3注浆段的底面开始至2*N/3注浆段的底面结束,所述下改造段由 2*N/3注浆段的底面开始至N注浆段的底面结束。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S7中,对所述二开段进行的注浆采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法进行注浆治理;优选地,注浆过程中采用连续与间歇注浆相结合的注浆工艺;
注浆时,将所述二开段视作均质地层,获得不同注浆压力目标值P1或 P2下的浆液扩散半径R满足公式(3):
其中,R为浆液扩散半径、m;k为受注土层渗透系数、m/h,由室内试验测定;t为浆液扩散所需时间、h,由注浆试验测定;h为采用水柱高度表示注浆压力、m,由注浆试验测定;r0为注浆管半径、m;n为受注煤岩体有效孔隙率,由室内试验测定;μw为水的黏度、mPa·s;μs0为浆液初始黏度、 mPa·s;α为浆液黏度时变系数;A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数; e是自然常数,其值为2.71828。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S7中,注浆材料为矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰混合浆液,优选地,按质量比,所述上改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的40%~60%,按质量比,所述中改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的20%~40%,按质量比,所述下改造段内的注浆材料中不掺入粉煤灰,采用纯矿渣硅酸盐水泥浆注浆,优选地,采用下行式封口静压注浆套管进行注浆,所述一开段孔径为Φ216mm,下入Φ177.8×8.05mm注浆套管,水泥固井,所述二开段孔径Φ152mm,优选地,先对所述注浆范围F2 最外侧的注浆孔进行注浆,再注浆其他的所述第一类注浆孔,最后注浆所述第二类注浆孔;优选地,所述注浆区域F2除最外侧的注浆孔外的其他注浆孔及中改造段和下改造段采用正常注浆压力P进行注浆,所述注浆范围F2 最外侧的注浆孔以及上改造段将注浆终压降低为P-△P,所述△P为0.5-1.0MPa,控制浆液扩散范围。
进一步地,在上述的的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法中,在所述步骤S8中,采用注浆终压和注浆量双重标准进行停止注浆控制;优选地,所述注浆终压不低于受注试段静水压力的1.5倍;当注浆压力达到结束标准后,逐次换档降低泵量,直至泵量达到60L/min,并维持30min之后进行压水,单位吸水率不得大于1Lu,同时满足上面两个标准的情况下,停止注浆。
分析可知,本发明公开一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,填补了目前尚无有效、可行、科学的解放浅部第四含水层保护煤柱方法的空白,通过第四含水层保护煤柱范围钻孔取芯勘察确定覆岩结构特征和第四含水层可注性指标,可实现注浆参数、注浆材料、注浆顺序科学设计和注浆层段划分优化,对后续开展第四含水层下煤柱留设方法研究、确定第四含水层下煤柱开采上限具有重要的理论意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。其中:
图1为本发明一实施例的注浆改造方法的流程图。
图2为本发明一实施例的原理示意图。
图3为本发明一实施例的注浆范围内布设的注浆孔示意图。
图4为本发明一实施例的注浆孔的两个开段示意图。
图5为本发明一实施例的N个注浆段划分示意图。
附图标记说明:1上覆松散层;2第四含水层;3基岩层;4保护煤柱;5 煤层;6改造区域;8改造前导水裂隙带;9改造后导水裂隙带;10第一类注浆孔;11第二类注浆孔;12一开段;13二开段;14注浆段,15第四含水层的顶部,16第四含水层的底部;F1保护煤柱范围;F2注浆范围。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上,本领域的技术人员将清楚,在不脱离本发明的范围或精神的情况下,可在本发明中进行修改和变型。例如,示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例,以产生又一个实施例。因此,所期望的是,本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间部件间接相连;可以是有线电连接、无线电连接,也可以是无线通信信号连接,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样,用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用,以将一个构件与另一个区分开,且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1至图5所示,根据本发明的实施例,提供了一种解放浅部第四含水层2保护煤柱4的注浆改造方法,所述第四含水层2的上方为上覆松散层 1,所述第四含水层2直接覆盖在基岩层3上,所述保护煤柱4位于所述基岩层3内,所述注浆改造方法包括如下步骤:
S1,确定保护煤柱4范围;
在所述步骤S1中,保护煤柱4范围为所述保护煤柱4的外端相连后围成的区域,如图2和图3所示,定义所述保护煤柱4范围为F1,所述保护煤柱4范围的横截面为四边形,四边形的四个顶点对应的地面位置为点a、点b、点c和点d,四边形的中心点对应的地面位置为点O。优选地,所述保护煤柱4范围的横截面为矩形。保护煤柱4范围根据现有《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017版)和采区工作面资料确定,比如可以采用垂直断面法、垂线法、数字标高投影法和变形预计法等。
S2,钻孔取芯,确定第四含水层2、上覆松散层1和基岩层3的信息;
在所述步骤S2中,如图3所示,分别在所述点a、所述点b、所述点c、所述点d和所述点O处钻孔取芯,所述第四含水层2的信息包括厚度、初始水位压力p0,
所述上覆松散层1的信息包括厚度,所述基岩层3的信息包括厚度、基岩顶面深度,优选地,所述钻孔取芯为注浆前取芯,所述钻孔取芯在所述第四含水层2和所述基岩层3上部的风化带取芯。基岩层3风化带是基岩层3 中最上面的部分,基岩层3中最上面的部分未完全成岩,属于基岩层3风化带。
钻孔取芯确定所述第四含水层2厚度、初始水位压力p0、上覆松散层1 的厚度、基岩层3的厚度和基岩顶面深度,为后续的步骤做准备。
S3,对所述S2步骤中获得的所述钻孔压水试验;
在所述步骤S3中,对所述S2步骤中获得的所述钻孔进行压水试验,获得所述压水试验压力、压入量等参数,通过分析确定第四含水层2和基岩层 3风化带的渗透特性,计算对应的可注性指标,进行可注性评价。
压水试验为多级压水试验,每级压水试验的压力为pwi,
每级压水试验的压力pwi均大于所述第四含水层2的初始水位压力p0,设定pwi=1.2*p0、1.4*p0和1.6*p0;
某一级压水试验压力为pwi时测定对应稳定状态下的水流量为Qwi,通过公式(1)计算获得每个钻孔中待注浆深度范围内的某一试段在不同压水压力下的透水率:
其中,qwi为透水率,Lu;L为试段长度,m,试段是在钻孔的高度方向上选取一段;pwi为压水试验的压力值,MPa;Qwi为压水试验的水流量,L/min;
通过公式(2)计算获得每个钻孔中各试段在不同压水压力下的渗透系数:
其中,Kwi为渗透系数,m/d;r0为钻孔的半径,
优选地,通过压水试验计算所获得的透水率对所述第四含水层2和基岩层3进行可注性评价,具体评价方法如下:
透水率qwi在5Lu以上时,表明第四含水层2和基岩层3风化带的可注性较好;
透水率qwi在1~5Lu之间时,表明第四含水层2和基岩层3风化带的可注性一般;
透水率qwi小于1Lu时,表明第四含水层2和基岩层3风化带的可注性较差。
根据上述三种不同情况对浆液水灰比和注浆压力进行调整,可注性较好的时候,适当降低水灰比;可注性较差的时候,适当增加水灰比。根据上述三种不同调节粉煤灰的掺入量,可注性较好的时候,适当增加粉煤灰的掺入量;可注性较差的时候,适当降低粉煤灰掺入量。
S4,对所述S2步骤中获得的所述钻孔注浆试验;
在所述步骤S4中,对所述S2步骤中获得的所述钻孔进行注浆试验,获得所述注浆试验压力与浆液压入量对应关系,通过分析确定第四含水层2和基岩层3风化带的浆液可注性指标,获得实际注浆工程参数。可注性指标主要通过步骤S3的压水试验获得,可注性指标配合注浆试验验证后更准确。同时,根据步骤S3的压水试验获得的可注性评价,可优化注浆试验,如果压水试验表明可注性较差,则注浆试验的第一级注浆压力需要提高,总注浆压力等级也应提高。
根据浆液可注性指标获得注浆的起注压力P1和窜浆压力P2,实际注浆压力psi介于起注压力P1和窜浆压力P2之间,
所述注浆试验的注浆压力值设定x个等级,x优选为5-10;注浆试验的注浆压力值psi均为初始水位压力p0的倍数;
优选地,注浆压力psi依次为:p0→1.2p0→1.4p0→1.6p0→1.8p0→2p0……;
记录注浆压力值psi对应的实际浆液流量Qsi;
通过公式(3)计算获得注浆试验在不同注浆压力值psi下的透浆率:
其中,qsi为透浆率,Lu;L为试段长度,m;psi为注浆试验的注浆压力值,MPa;Qsi为注浆试验的实际浆液流量,L/min;
优选地,取透浆率qsi大于1Lu时的注浆压力值psi作为起注压力P1,对应的实际浆液流量为Q1,
优选地,注浆试验过程中,以某一级注浆压力注浆引起邻近孔出现窜浆时的注浆压力值为窜浆压力P2,对应的实际浆液流量为Q2。
S5,确定注浆范围,在注浆范围内布设注浆孔;
在所述步骤S5中,所述注浆范围为最外侧的注浆孔的圆心相连后围成的区域,定义所述注浆范围为F2,如图3所示,所述注浆范围的横截面可以为四边形,
所述注浆范围F2的边界在所述保护煤柱4范围F1的边界外面,
所述注浆范围F2的边界与所述保护煤柱4范围F1的边界之间的距离为注浆扩散半径R的2~4倍;
优选地,所述注浆孔包括第一类注浆孔10和第二类注浆孔11,
多个所述第一类注浆孔10依次排列形成一行,多个所述第二类注浆孔 11依次排列形成另一行,
在所述注浆范围F2的一侧边界先设置一行所述第一类注浆孔10,再设置一行所述第二类注浆孔11,再设置一行所述第一类注浆孔10,直到所述注浆范围F2的中线位置处,然后将上述第一类注浆孔10和第二类注浆孔11 的设置镜像直至注浆范围F2的另一侧边界。
相邻的一行中的所述第一类注浆孔10与另一行中的所述第二类注浆孔 11错开设置,如图3所示,横向为行、纵向为列。由注浆范围F2的横向边界开始,依次穿插排列一行第一类注浆孔10、一行第二类注浆孔11,……最后一行为第一类注浆孔10。由注浆范围F2的纵向边界开始,依次穿插排列一列第一类注浆孔10、一列第二类注浆孔11,……最后一列为第一类注浆孔 10。同行或同列中的注浆孔均为第一类注浆孔10或第二类注浆孔11,同行或同列中的注浆孔的圆心在一条直线上。这样设置利于钻孔施工、利于形成注浆帷幕、能保证在注浆范围内的注浆均匀,充分利用邻近注浆孔实现窜空泄压,控制注浆量,保证注浆效果。
相邻的一行中的所述第一类注浆孔10的圆心与另一行中的所述第二类注浆孔11的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍,施工时,先施工所述第一类注浆孔10,再施工所述第二类注浆孔11,优选地,同一行中的相邻的两个所述注浆孔的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍;优选地,所述注浆孔为地面直孔或定向斜孔,优选地,所述注浆范围的横截面为矩形,所述注浆范围的中心点对应的地面位置为点O。
S6,划分注浆孔的层段;
在所述步骤S6中,如图4所示,所述注浆孔包括两个开段,分别为一开段12和二开段13,所述一开段12由地表开始至所述第四含水层2的顶面以下5m结束,所述二开段13由所述第四含水层2顶面以下5m开始至所述基岩层3的顶面以下10m结束;
所述二开段13内设置有N个注浆段14,如图5所示,每个注浆段14 的长度为4~8m,图5中15指向的线条代表第四含水层2的顶部,16指向的线条代表第四含水层2的底部。
将N个注浆段14划分为三个改造段,分别为上改造段、中改造段和下改造段,优选地,N是3的倍数,所述上改造段由所述第四含水层2的顶面以下5m开始至N/3注浆段14的底面结束,
所述中改造段由N/3注浆段14的底面开始至2*N/3注浆段14的底面结束,
所述下改造段由2*N/3注浆段14的底面开始至N注浆段14的底面结束,
如果按照实际地层(上覆松散层1的厚度)划分注浆段14后,N非3 的倍数,可适当调整,取整数。假设N为10,则可上面3个注浆段14为上改造段、中间的3个注浆段14为中改造段、下面4个注浆段14为下改造段。
将N个注浆段14划分为上改造段、中改造段和下改造段是为后面的注浆步骤做准备。
S7,注浆;
在所述步骤S7中,
对所述二开段13进行的注浆采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法进行注浆治理;
优选地,注浆过程中采用连续与间歇注浆相结合的注浆工艺;
注浆时,将所述二开段13视作均质地层,获得不同注浆压力目标值P1或P2下的浆液扩散半径R满足公式(3):
其中,R为浆液扩散半径、m;k为受注土层渗透系数、m/h,由室内试验测定;t为浆液扩散所需时间、h,由注浆试验测定;h为采用水柱高度表示注浆压力、m,由注浆试验测定;r0为注浆管半径、m;n为受注煤岩体有效孔隙率,由室内试验测定;μw为水的黏度、mPa·s;μs0为浆液初始黏度、 mPa·s;α为浆液黏度时变系数;A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数; e是自然常数,其值为2.71828。
在所述步骤S7中,注浆材料为矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰混合浆液,
优选地,按质量比,所述上改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的40%~60%,
按质量比,所述中改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的20%~40%,
按质量比,所述下改造段内的注浆材料中不掺入粉煤灰,采用纯矿渣硅酸盐水泥浆注浆,
随着粉煤灰掺量的增加,浆体结石率提高,凝结时间增大,粉煤灰掺量在20%~30%以下时,随掺量增大,结石体抗压强度降低缓慢,大于30%时结石体抗压强度降低明显;掺量相同时,水灰比越大,结石率越低,浆体的凝结时间越长。结石体水的增加,意味着固体物质颗粒间距的增大,更不易形成骨架结构。
优选地,采用下行式封口静压注浆套管进行注浆,
所述一开段12孔径为Φ216mm,下入Φ177.8×8.05mm注浆套管(钢级 J55),水泥固井,所述二开段13孔径Φ152mm。
优选地,先对所述注浆范围F2最外侧的注浆孔进行注浆,对注浆范围F2的区域进行“锁边”,减少无效扩散。再注浆其他的所述第一类注浆孔 10,最后注浆所述第二类注浆孔11;优选地,所述注浆区域F2除最外侧的注浆孔外的其他注浆孔及中改造段和下改造段采用正常注浆压力P进行注浆,所述注浆范围F2最外侧的注浆孔以及上改造段将注浆终压降低为P-△P,所述△P为0.5-1.0MPa,控制浆液扩散范围。
注浆范围F2最外侧的注浆孔的内侧浆液扩散范围由内部的注浆孔的注浆浆液约束,最外侧的注浆孔的外侧无约束;上改造段所处地层压力小,对应的注浆层位孔隙率大,可注性好。对注浆范围F2最外侧的注浆孔以及上改造段这两部分采用减压停注,可避免浆液的无效扩散,控制浆液的用量,经济效益显著。
根据注浆改造含水层的目的:解放浅部第四含水层2保护煤柱4,确定二开段13为注浆段14,对所述第四含水层2顶面以下5m开始至所述基岩层3的顶面以下10m进行注浆,通过加压注浆,压密第四含水层2内的流沙,挤走第四含水层2孔裂隙水,劈裂改造第四含水层2,在第四含水层2中形成骨架结构,降低改造区域6(如图2所示,改造区域6是由平面为注浆范围F2和竖直方向上为二开段13区域共同形成的三维空间)内第四含水层2 的富水性,将第四含水层2变为有效隔水层或者接近疏干的Ⅲ类水体,解放浅部第四含水层2保护煤柱4资源。改造前导水裂隙带8和改造后导水裂隙带9如图2所示。注浆改造后,提高了第四含水层2强度,可开采第四含水层2保护煤柱4,所产生的导水裂隙带不会波及第四含水层2。从而避免采掘影响造成的第四含水层2溃水溃沙,造成生产事故,解放受第四含水层2压覆的可采煤炭资源。
S8,停止注浆;
在所述步骤S8中,采用注浆终压和注浆量双重标准进行停止注浆控制;
优选地,所述注浆终压不低于受注试段静水压力的1.5倍;当注浆压力达到结束标准后,逐次换档降低泵量,直至泵量达到60L/min,并维持30min 之后进行压水,单位吸水率不得大于1Lu,否则,要求复注直至小于标准值为止。即注浆直到单位吸水率不得大于1Lu,否则需要继续注浆。只有同时满足上面两个标准的情况下,才能认为受注段达到注浆结束标准,可以停止注浆。
由于注浆工程的特殊性,考虑松散层注浆可能引起相邻孔串浆、地面变形等情况,因此注浆压力可根据现场实际情况进行调整,原则上总压力不低于受注层位静水压力的1.5倍。
第四含水层保护煤柱4开采产生的导水裂隙带即改造前导水裂隙带8可波及到第四含水层2。为解放浅部第四含水层保护煤柱4以提高开采上限,对第四含水层2进行注浆改造,注浆改造后再对第四含水层保护煤柱4下方的煤层进行开采时产生的导水裂隙带即改造后导水裂隙带9不会波及到第四含水层2。
从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果:填补了目前尚无有效、可行、科学的解放浅部第四含水层2保护煤柱4方法的空白,通过第四含水层保护煤柱4范围钻孔取芯勘察确定覆岩结构特征和第四含水层2可注性指标,可实现注浆参数、注浆材料、注浆顺序科学设计和注浆层段划分优化,对后续开展第四含水层2下煤柱留设方法研究、确定第四含水层2下方煤柱开采上限具有重要的理论意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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。
Claims (10)
1.一种解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,所述第四含水层的上方为上覆松散层,所述第四含水层直接覆盖在基岩层上,所述保护煤柱位于所述基岩层内,其特征在于,
所述注浆改造方法包括如下步骤:
S1,确定保护煤柱范围;
S2,钻孔取芯,确定第四含水层、上覆松散层和基岩层的信息;
S3,对所述S2步骤中获得的所述钻孔压水试验;
S4,对所述S2步骤中获得的所述钻孔注浆试验;
S5,确定注浆范围,在注浆范围内布设注浆孔;
S6,划分注浆孔的层段;
S7,注浆;
S8,停止注浆。
2.根据权利要求1所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S1中,保护煤柱范围为所述保护煤柱的外端相连后围成的区域,定义所述保护煤柱范围为F1,所述保护煤柱范围的横截面为四边形,四边形的四个顶点对应的地面位置为点a、点b、点c和点d,四边形的中心点对应的地面位置为点O;
优选地,所述保护煤柱范围的横截面为矩形。
3.根据权利要求2所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S2中,分别在所述点a、所述点b、所述点c、所述点d和所述点O处钻孔取芯,
所述第四含水层的信息包括厚度、初始水位压力p0,
所述上覆松散层的信息包括厚度,
所述基岩层的信息包括厚度、基岩顶面深度,
优选地,所述钻孔取芯为注浆前取芯,所述钻孔取芯在所述第四含水层和所述基岩层上部的风化带取芯。
4.根据权利要求3所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S3中,压水试验为多级压水试验,每级压水试验的压力为pwi,
每级压水试验的压力pwi均大于所述第四含水层的初始水位压力p0,设定pwi=1.2*p0、1.4*p0和1.6*p0;
某一级压水试验压力为pwi时测定对应稳定状态下的水流量为Qwi,通过公式(1)计算获得每个钻孔中待注浆深度范围内的某一试段在不同压水压力下的透水率:
其中,qwi为透水率,Lu;L为试段长度,m,试段是在钻孔的高度方向上选取一段;pwi为压水试验的压力值,MPa;Qwi为压水试验的水流量,L/min;
通过公式(2)计算获得每个钻孔中各试段在不同压水压力下的渗透系数:
其中,Kwi为渗透系数,m/d;r0为钻孔的半径,
优选地,通过压水试验计算所获得的透水率对所述第四含水层和基岩进行可注性评价,具体评价方法如下:
透水率qwi在5Lu以上时,表明岩体的可注性较好;
透水率qwi在1~5Lu之间时,表明岩体的可注性一般;
透水率qwi小于1Lu时,表明岩体的可注性较差。
5.根据权利要求1所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S4中,根据浆液可注性指标获得注浆的起注压力P1和窜浆压力P2,实际注浆压力psi介于起注压力P1和窜浆压力P2之间,
所述注浆试验的注浆压力值设定x个等级,x优选为5-10;注浆试验的注浆压力值psi均为初始水位压力p0的倍数;
优选地,注浆压力psi依次为:p0→1.2p0→1.4p0→1.6p0→1.8p0→2p0……;
记录注浆压力值psi对应的实际浆液流量Qsi;
通过公式(3)计算获得注浆试验在不同注浆压力值psi下的透浆率:
其中,qsi为透浆率,Lu;L为试段长度,m;psi为注浆试验的注浆压力值,MPa;Qsi为注浆试验的实际浆液流量,L/min;
优选地,取透浆率qsi大于1Lu时的注浆压力值psi作为起注压力P1,对应的实际浆液流量为Q1,
优选地,注浆试验过程中,以某一级注浆压力注浆引起邻近孔出现窜浆时的注浆压力值为窜浆压力P2,对应的实际浆液流量为Q2。
6.根据权利要求1所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S5中,所述注浆范围为最外侧的注浆孔的圆心相连后围成的区域,定义所述注浆范围为F2,所述注浆范围的横截面为四边形,
所述注浆范围F2的边界在所述保护煤柱范围F1的边界外面,
所述注浆范围F2的边界与所述保护煤柱范围F1的边界之间的距离为注浆扩散半径R的2~4倍;
优选地,所述注浆孔包括第一类注浆孔和第二类注浆孔,
多个所述第一类注浆孔依次排列形成一行,多个所述第二类注浆孔依次排列形成另一行,
在所述注浆范围F2的边界先设置一行所述第一类注浆孔,再设置一行所述第二类注浆孔,再设置一行所述第一类注浆孔,直到所述注浆范围F2的中线位置处,然后将上述所述第一类注浆孔和所述第二类注浆孔的设置镜像直至注浆范围F2的另一侧边界,
相邻的一行中的所述第一类注浆孔与另一行中的所述第二类注浆孔错开设置,
相邻的一行中的所述第一类注浆孔的圆心与另一行中的所述第二类注浆孔的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍,
施工时,先施工所述第一类注浆孔,再施工所述第二类注浆孔,
优选地,同一行中的相邻的两个所述注浆孔的圆心之间的距离为注浆扩散半径R的2倍;
优选地,所述注浆孔为地面直孔或定向斜孔,
优选地,所述注浆范围的横截面为矩形,所述注浆范围的中心点对应的地面位置为点O。
7.根据权利要求1所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S6中,所述注浆孔包括两个开段,分别为一开段和二开段,所述一开段由地表开始至所述第四含水层的顶面以下5m结束,所述二开段由所述第四含水层顶面以下5m开始至所述基岩层的顶面以下10m结束;
所述二开段内设置有N个注浆段,每个注浆段的长度为4~8m,
将N个注浆段划分为三个改造段,分别为上改造段、中改造段和下改造段,
所述上改造段由所述第四含水层的顶面以下5m开始至N/3注浆段的底面结束,
所述中改造段由N/3注浆段的底面开始至2*N/3注浆段的底面结束,
所述下改造段由2*N/3注浆段的底面开始至N注浆段的底面结束。
8.根据权利要求7所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S7中,
对所述二开段进行的注浆采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法进行注浆治理;
优选地,注浆过程中采用连续与间歇注浆相结合的注浆工艺;
注浆时,将所述二开段视作均质地层,获得不同注浆压力目标值P1或P2下的浆液扩散半径R满足公式(3):
其中,R为浆液扩散半径、m;k为受注土层渗透系数、m/h,由室内试验测定;t为浆液扩散所需时间、h,由注浆试验测定;h为采用水柱高度表示注浆压力、m,由注浆试验测定;r0为注浆管半径、m;n为受注煤岩体有效孔隙率,由室内试验测定;μw为水的黏度、mPa·s;μs0为浆液初始黏度、mPa·s;α为浆液黏度时变系数;A为与浆液黏度时变系数α有关的积分参数;e是自然常数,其值为2.71828。
9.根据权利要求7所述的解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S7中,注浆材料为矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰混合浆液,
优选地,按质量比,所述上改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的40%~60%,
按质量比,所述中改造段内的注浆材料中的粉煤灰掺入量为矿渣硅酸盐水泥的20%~40%,
按质量比,所述下改造段内的注浆材料中不掺入粉煤灰,采用纯矿渣硅酸盐水泥浆注浆,
优选地,采用下行式封口静压注浆套管进行注浆,
所述一开段孔径为Φ216mm,下入Φ177.8×8.05mm注浆套管,水泥固井,
所述二开段孔径Φ152mm,
优选地,先对所述注浆范围F2最外侧的注浆孔进行注浆,再注浆其他的所述第一类注浆孔,最后注浆所述第二类注浆孔;
优选地,所述注浆区域F2除最外侧的注浆孔外的其他注浆孔及中改造段和下改造段采用正常注浆压力P进行注浆,
所述注浆范围F2最外侧的注浆孔以及上改造段将注浆终压降低为P-△P,所述△P为0.5-1.0MPa,控制浆液扩散范围。
10.如权利要求1所述的,解放浅部第四含水层保护煤柱的注浆改造方法,其特征在于,
在所述步骤S8中,采用注浆终压和注浆量双重标准进行停止注浆控制;
优选地,所述注浆终压不低于受注试段静水压力的1.5倍;
当注浆压力达到结束标准后,逐次换档降低泵量,直至泵量达到60L/min,并维持30min之后进行压水,单位吸水率不得大于1Lu,
同时满足上面两个标准的情况下,停止注浆。
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CN117252033A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-19 | 山东科技大学 | 一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法 |
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CN117252033A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-19 | 山东科技大学 | 一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法 |
CN117252033B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-03-15 | 山东科技大学 | 一种考虑热流固耦合的粗糙裂隙浆液扩散过程描述方法 |
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