一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下防止采煤工作面顶板透水的方法，具体是一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，属于矿山安全技术领域。

背景技术

在地下矿产开采中，矿山井工地下开采仍是主要的开采方式，以煤炭开采为例，井工地下开采占世界煤矿生产的60％。矿井在建设和生产过程中，人为地下工程不可避免地会造成围岩地质条件发生变化而产生裂隙、断层、塌陷区等地质变化，而地表水和地下水往往会通过裂隙、断层、塌陷区等通道进入矿井，因此矿井建设和生产过程中必须实施相应的防治水措施，若由于防治水措施不到位而导致地表水和地下水无控制地涌入矿井工作面，则会造成作业人员伤亡或矿井财产损失的水灾事故，通常也称为透水事故，且透水事故往往以通过矿井工作面顶板的裂隙或断层涌入为主要形式。

在采场覆盖的岩层中存在多个岩层时，各个层面之间的承载能力和抗渗透能力并不相同，隔水关键层是指水最后必须经过的那部分岩层。地质构造中的天然通道和采动裂隙贯通是水突破隔水关键层的两种主要方式。避免透水事故的关键是不要在采动的时候破坏隔水关键层，并维护隔水关键层保持完整。然而一方面，井工地下开采过程中将地下矿层开采完成后往往留下大面积的井下采空区，在上覆压力和地下水等因素的作用下，矿柱和开采区两侧的矿层软化、失去强度，往往容易导致上覆岩体沉陷、冒落、形成滑坡，进而容易造成隔水关键层的破坏；另一方面，在矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影响易导致岩体裂隙发育而破坏隔水关键层，甚至贯通地表或连通老窑积水、进而引发透水事故。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，能够最大限度地降低采动过程对隔水关键层的破坏，进而实现最大限度地降低顶板透水事故发生的几率。

为实现上述目的，本可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法具体包括以下步骤：

a.建井准备：探测确定待采矿层的埋深、厚度及埋藏范围，并探测确定待采矿层上覆岩层的数量、埋深、厚度及岩性，确定主关键层和隔水关键层的层位位置和深度，构建地质数学模型；以地质数学模型为基础，根据隔水关键层的深度、隔水关键层上方各个上覆岩层的数量及岩性计算确定对应待采矿层埋藏范围的锚固立井的井径、锚固立井的数量、阵列排距以及与锚固立井配合的锚固注浆管的尺寸，以隔水关键层的底端为起始点，至少根据主关键层与隔水关键层之间各个岩层的数量、埋深、厚度及岩性计算确定沿锚固立井分层设置的多个岩层锚固穴的数量、位置及空间尺寸，选用灌浆锚固剂后，根据灌浆锚固剂的设计锚固强度生成包括岩层锚固穴、锚固注浆管和锚固浆液充填体的各个锚固立井单元组合体承载数学模型，将各个锚固立井单元组合体承载数学模型与地质数学模型拟合生成整体岩层锚固承载数学模型；

b.建井施工：根据整体岩层锚固承载数学模型自地面向隔水关键层打设各个锚固立井，并分别在岩层锚固穴的设定位置进行造穴作业，将对应的锚固注浆管分别置入各个锚固立井内，保证锚固注浆管的底端位于锚固立井的井底后进行固井作业；

c.岩层锚固施工及矿层开采：采取在对待采矿层进行开采前或开采过程中采用压力注浆的方式向锚固立井内的锚固注浆管内注入锚固浆液，采取对待采矿层进行开采的过程中进行压力注浆时，工作面推进过程中每经过一个锚固立井底端对应的矿层区域范围、即采用压力注浆的方式向该锚固立井内的锚固注浆管内注入锚固浆液；锚固浆液完全充满整个锚固立井空间后，持续进行压力注浆；待锚固浆液完全固化后，撤除压力注浆设备。

作为本发明的进一步改进方案，步骤c中工作面推进过程中，采取工作面一边向前推进、一边对后方形成的采空区进行充填的方式，或者采取工作面一边向前推进、一边对后方形成的采空区的顶板进行支护的方式。

作为本发明的进一步改进方案，至少位于主关键层与隔水关键层之间的锚固注浆管管段是包括多个沿径向方向贯穿管壁的径向通孔的花管结构。

作为本发明的优选方案，岩层锚固穴的结构是包括上拱顶结构和下拱底结构的贝壳形结构。

作为本发明的进一步改进方案，岩层锚固穴对应设置在各个岩层中。

作为本发明的进一步改进方案，根据各个岩层的岩性和厚度，同一大厚度岩层中的岩层锚固穴设置为多个。

作为本发明的进一步改进方案，根据各个岩层的岩性和厚度，同一大厚度岩层中的岩层锚固穴沿锚固立井的轴向方向采取大数量、小空间尺寸的方式，或者沿锚固立井的轴向方向采取小数量、大空间尺寸的方式。

作为本发明的进一步改进方案，锚固注浆管的外表面和/或内表面上设有可增加锚固连接强度的凸起结构。

作为本发明的进一步改进方案，凸起结构是沿锚固注浆管轴向方向均布设置的凸环结构、或者是沿锚固注浆管轴向方向布置的螺旋凸起结构。

步骤a中的具体计算方法如下：

当工作面向前推进L距离时，由于岩层在走向方向上的破碎角(θ

倾斜方向上关键层的悬挂宽度(b

S

S

式中，a

假设锚固注浆管的间距为L

则每根锚固注浆管的需要承载的重量为

式中，

假设岩体与粘结材料为性质相同的弹性材料，利用Mindlin问题的位移解，岩体视为半空间，锚固注浆管为半无限长，在孔口处岩体的位移与锚杆体的总伸长量相等，导出全长粘结式锚固注浆管的极限拉拔力Pu为

式中，E为岩体的弹性模量；μ为岩体的泊松比；E

则锚固注浆管需要承载的重量为

式中，k为锚固环境影响系数。

与现有技术相比，本可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法根据待采矿层的埋藏范围，在矿层开采前采取先自地面向隔水关键层打设多个阵列排列的锚固立井、并在隔水关键层上方的各个上覆岩层中造穴形成岩层锚固穴，再将对应的锚固注浆管分别置入各个锚固立井内后进行固井作业，最后在对待采矿层进行开采前或开采过程中采用持续压力注浆的方式向锚固立井内的锚固注浆管内注入锚固浆液进行锚固，锚固浆液完全固化后形成沿隔水关键层埋深深度方向上的全长锚固的方式以解决因后期矿层开采的采动而造成对隔水关键层产生破坏影响的问题，对应待采矿层埋藏范围内的阵列结构布置的各个锚固立井单元组合体，锚固立井的井径、锚固注浆管的尺寸及岩层锚固穴的空间尺寸根据承载位置的不同可以存在不同，由于采取在对待采矿层进行开采前对锚固立井进行持续压力注浆进行锚固、或开采过程中工作面推进每经过一个锚固立井底端对应的矿层区域范围即对锚固立井进行持续压力注浆锚固，因此能够具有充足的锚固硬化时间，可保证隔水关键层上方各个上覆岩层的锚固强度和效果，不仅每个锚固立井单元组合体均是沿锚固立井的全长锚固，而且每个锚固立井单元组合体均包括多个由锚固浆液充填岩层锚固穴而形成的岩层锚固凸环结构，每个岩层锚固凸环结构不仅可以提供所在岩层的托载支撑力、而且可以将载荷均匀施加在整个包括锚固注浆管和锚固浆液充填体的锚固立井单元锚固支撑体上，且对应待采矿层埋藏范围内的所有按设定排距阵列布置的锚固立井单元组合体共同对隔水关键层上方的上覆岩层形成群锚作用，可大大降低矿层开采采动对隔水关键层的破坏影响，进而实现最大限度地降低顶板透水事故发生的几率。

附图说明

图1是本发明打设锚固立井及造穴的结构示意图；

图2是本发明锚固注浆管置入锚固立井内后的结构示意图；

图3是本发明采取工作面一边向前推进、一边对后方形成的采空区进行充填的结构示意图；

图4是矿层开采时上覆岩层载荷原理图。

图中：1、锚固立井，2、锚固注浆管，3、岩层锚固穴，4、主关键层，5、隔水关键层，6、待采矿层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法包括以下步骤：

a.建井准备：探测确定待采矿层6的埋深、厚度及埋藏范围，并探测确定待采矿层6上覆岩层的数量、埋深、厚度及岩性，确定主关键层4和隔水关键层5的层位位置和深度，构建地质数学模型；以地质数学模型为基础，根据隔水关键层5的深度、隔水关键层5上方各个上覆岩层的数量及岩性计算确定对应待采矿层6埋藏范围的锚固立井1的井径、锚固立井1的数量、阵列排距以及与锚固立井1配合的锚固注浆管2的尺寸，以隔水关键层5的底端为起始点，至少根据主关键层4与隔水关键层5之间各个岩层的数量、埋深、厚度及岩性计算确定沿锚固立井1分层设置的多个岩层锚固穴3的数量、位置及空间尺寸，岩层锚固穴3对应设置在各个岩层中、或各个岩层之间，岩层锚固穴3的结构优选为包括上拱顶结构和下拱底结构的贝壳形结构，选用复配灌浆料、复配植筋胶等流动性好、渗透性好、粘结性好、强度高的灌浆锚固剂后，根据灌浆锚固剂的设计锚固强度生成包括岩层锚固穴3、锚固注浆管2和锚固浆液充填体的各个锚固立井单元组合体承载数学模型，将各个锚固立井单元组合体承载数学模型与地质数学模型拟合生成整体岩层锚固承载数学模型；满足锚固支护强度的前提下，根据各个岩层的岩性和厚度，同一大厚度岩层中的岩层锚固穴3可以设置为多个，同一大厚度岩层中的岩层锚固穴3的设置可以沿锚固立井1的轴向方向采取大数量、小空间尺寸的方式，也可以沿锚固立井1的轴向方向采取小数量、大空间尺寸的方式，为充分利用主关键层4和隔水关键层5本身的支撑作用，可将对应主关键层4和隔水关键层5的岩层锚固穴3的空间尺寸设计大于对应其他岩层的岩层锚固穴3的空间尺寸。

b.建井施工：如图1所示，根据整体岩层锚固承载数学模型自地面向隔水关键层5打设各个锚固立井1，并分别在岩层锚固穴3的设定位置进行造穴作业，造穴的方式可以采用水力切割的造穴方式，如图2所示，将对应的锚固注浆管2分别置入各个锚固立井1内，保证锚固注浆管2的底端位于锚固立井1的井底后进行固井作业。

c.岩层锚固施工及矿层开采：采取在对待采矿层6进行开采前或开采过程中采用持续压力注浆的方式向锚固立井1内的锚固注浆管2内注入配制好的锚固浆液，如图3所示，采取对待采矿层6进行开采的过程中进行压力注浆时，工作面推进过程中每经过一个锚固立井1底端对应的矿层区域范围、即采用压力注浆的方式向该锚固立井1内的锚固注浆管2内注入配制好的锚固浆液；锚固浆液自下而上充填锚固立井1井壁与锚固注浆管2外壁之间空间的同时，依次对各个岩层锚固穴3进行充填，在完全充满整个锚固立井1空间后，持续进行压力注浆、使锚固浆液对锚固立井1及岩层锚固穴3周围的裂隙进行充填，待锚固浆液完全固化，完成各个锚固立井单元的锚固注浆管2沿锚固立井1的全长锚固，撤除压力注浆设备。

本可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法根据待采矿层6的埋藏范围，在矿层开采前采取先自地面向隔水关键层5打设多个阵列排列的锚固立井1、并在隔水关键层5上方的各个上覆岩层中造穴形成岩层锚固穴3，再将对应的锚固注浆管2分别置入各个锚固立井1内后进行固井作业，最后在对待采矿层6进行开采前或开采过程中采用持续压力注浆的方式向锚固立井1内的锚固注浆管2内注入锚固浆液进行锚固，锚固浆液完全固化后形成沿隔水关键层5埋深深度方向上的全长锚固的方式以解决因后期矿层开采的采动而造成对隔水关键层5产生破坏影响的问题，对应待采矿层6埋藏范围内的阵列结构布置的各个锚固立井单元组合体，锚固立井1的井径、锚固注浆管2的尺寸及岩层锚固穴3的空间尺寸根据承载位置的不同可以存在不同，由于采取在对待采矿层6进行开采前对锚固立井1进行持续压力注浆进行锚固、或开采过程中工作面推进每经过一个锚固立井1底端对应的矿层区域范围即对锚固立井1进行持续压力注浆锚固，因此能够具有充足的锚固硬化时间，可保证隔水关键层5上方各个上覆岩层的锚固强度和效果，不仅每个锚固立井单元组合体均是沿锚固立井1的全长锚固，而且每个锚固立井单元组合体均包括多个由锚固浆液充填岩层锚固穴3而形成的岩层锚固凸环结构，每个岩层锚固凸环结构不仅可以提供所在岩层的托载支撑力、而且可以将载荷均匀施加在整个包括锚固注浆管2和锚固浆液充填体的锚固立井单元锚固支撑体上，且对应待采矿层6埋藏范围内的所有按设定排距阵列布置的锚固立井单元组合体共同对隔水关键层5上方的上覆岩层形成群锚作用，可大大降低矿层开采采动对隔水关键层5的破坏影响，进而实现最大限度地降低顶板透水事故发生的几率。

步骤a中的具体计算方法如下：

如图4所示，当工作面向前推进L距离时，由于岩层在走向方向上的破碎角(θ

倾斜方向上关键层的悬挂宽度(b

S

S

式中，a

假设锚固注浆管的间距为L

则每根锚固注浆管的需要承载的重量为：

式中，

考虑全长粘结式锚固注浆管埋入岩体中其端头受拉拔力的情况，假设岩体与粘结材料为性质相同的弹性材料，利用Mindlin问题的位移解，岩体视为半空间，锚固注浆管为半无限长，在孔口处岩体的位移与锚杆体的总伸长量相等，导出全长粘结式锚固注浆管的极限拉拔力Pu为

式中，E为岩体的弹性模量；μ为岩体的泊松比；E

则锚固注浆管需要承载的重量为

式中，k为锚固环境影响系数，主要与岩层岩性、埋深、锚固长度等有关。

为了利于锚固浆液快速充填锚固立井1井壁与锚固注浆管2外壁之间的空间以及各个岩层锚固穴3，作为本发明的进一步改进方案，至少位于主关键层4与隔水关键层5之间的锚固注浆管2管段是包括多个沿径向方向贯穿管壁的径向通孔的花管结构。

为了实现锚固注浆管2更好的全长锚固效果，作为本发明的进一步改进方案，锚固注浆管2的外表面和/或内表面上设有可增加锚固连接强度的凸起结构，凸起结构可以是沿锚固注浆管2轴向方向均布设置的凸环结构、也可以是沿锚固注浆管2轴向方向布置的螺旋凸起结构等其他结构形式。

为了进一步降低矿层开采采动对隔水关键层5的破坏影响，作为本发明的进一步改进方案，如图3所示，步骤c中工作面推进过程中，采取工作面一边向前推进、一边对后方形成的采空区利用矸石等废弃物进行充填的方式，或者采取工作面一边向前推进、一边对后方形成的采空区的顶板进行支护的方式，对采空区的顶板进行支护的方式可以采用再造钢包支撑立柱的方式，针对采空区底板是软岩或遇水膨胀岩体等易发生底鼓现象的特定待采矿层6，还可以采取在采空区底板上进行人为打孔或切槽、以使采空区底板人为控制鼓起后与采空区顶板接触并承载载荷的利用底鼓结顶的方式对采空区顶板进行支护。