一种注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法

技术领域

本发明属于煤矿顶板水防治和保水采煤技术领域，涉及一种注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法。

背景技术

我国大部分煤田为隐伏型，煤层上覆巨厚松散砂土层，其中一部分为中等～强富水的含水层，浅部煤炭资源通常会留设安全煤岩柱开采。随着煤炭资源大量开采，浅部煤炭资源逐渐较少并濒临枯竭，而煤柱压覆了大量煤炭(仅淮北煤田就超5亿t)，提高松散含水层下煤层开采上限对提高煤炭资源回收率、延长矿井服务年限和优化区域能源结构具有重要意义。

松散层下留设防水、防砂或防塌安全煤(岩)柱开采的技术和理论研究始于20世纪60年代，70年代中期形成初步理论并开始探讨缩小煤柱开采。研究方向集中在留设合理的安全煤(岩)柱、疏干开采、改变开采方式等方面。鲜有通过注浆改造厚松散含水砂层来提高开采上限方面的实践和理论技术研究。现有技术中存在的问题和缺点是：(1)煤层开采完成后安全煤(岩)柱不能再利用，使得大量的煤柱资源成为呆滞资源不能开采，浪费了煤炭资源；(2)疏干开采的食用条件有限，对于接受强富水的岩溶含水层(例如奥陶系灰岩含水层)顶托补给的砂层，疏放水工作量巨大，甚至不具备疏干条件，同时在采矿扰动后可能发生二次突水溃砂灾害，开采安全的不确定性极强；(3)疏干开采将浅部松散含水层水人为排泄至井下，破坏了地下水循环系统，降低了区域地下水位，破坏了区域生态环境并造成地面沉降、土地盐碱化等一系列次生灾害。(4)改变开采方式主要是限高开采，也造成一部分煤炭资源的浪费。

为此，本发明针对上述问题和缺点，通过潜心研究和设计，综合多年从事相关专业的经验和成果，研究设计出一种注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法，以克服现有技术存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法，解决了现有技术中安全煤柱压煤量大且煤炭资源难以回收，疏干开采适用性、可靠性差且造成的生态环境破坏和次生地质灾害等问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法，包括：

步骤一：确定提高上限需要治理的范围；

1)提高上限段的垂高H

式中：H

2)厚含水砂层的注浆改造范围

根据基岩和松散层移动角计算注浆改造的长度和宽度；

式中：L

步骤二：布置钻孔。

可选的，所述的布置钻孔具体包括：钻孔分一序和二序，两序钻孔隔排错位设置，同排钻孔间距D为40～60m，排距为0.5D。

可选的，还包括步骤三：钻孔并下入套管；

在步骤二确定的孔位上钻垂直孔，套管按照“长短腿”式设置，即沿煤层倾向方向套管的下至深度递增，某钻孔套管的下至深度为厚含水砂层下H

H

式中：H

可选的，所述的套管段采用水泥固井封闭外环空。

可选的，还包括步骤四：分序递进分段循环注浆；

分序递进注浆：一序和二序钻孔递进注浆，奇数排为一序钻孔，偶数排为二序钻孔；同序次钻孔以排为单位递进交替进行泄压诱导注浆，即某排钻孔注浆时下一排钻孔作为排水孔泄压；注浆过程中通过排水孔返水-返砂-返浆三个阶段判断浆液扩散直至联通的过程，当出现返浆时将排水孔孔口封闭，继续注浆扩大劈裂通道；

分段循环注浆：每次注浆段长度为4～6m，每次注浆达到结束标准后下延至下一个注浆段，没有达到结束标准则重复注浆；终孔深度为进入风化带10～20m。

可选的，所述注浆的水泥粉煤灰浆液的配比为：根据改造目的将治理段由上至下分为三段；第一段为套管底口至基岩顶两倍采厚处，采用质量百分含量为20％～50％的粉煤灰-水泥浆进行充填压密，粉煤灰含量随着孔深增加逐步降低至20％；

第二段为基岩之上两倍采厚的砂层改造后充当保护层，需要高的结石率和较高的强度，采用质量百分含量为10％～20％的粉煤灰-水泥浆；

第三段为基岩风化带，需要将风化破碎的岩石注浆固结使之具有较高的完整性和隔水性，采用纯水泥浆或质量百分含量为10％以内的粉煤灰-水泥浆。

可选的，注浆结束标准：注浆钻孔达到终止孔压P

式中：P

可选的，还包括步骤五：施工地面检查孔；

待所有注浆钻孔完成后，施工地面检查孔，位置是在相邻四个一序钻孔和二序钻孔的中心处，检查孔的数量为注浆钻孔的8％～10％。

本发明的有益效果是：

(1)采用本方案可注浆改造厚松散含水砂层为隔水层，将留设防水煤岩柱改变为留设防塌煤岩柱，提高开采上限，解放松散含水体下压覆的煤炭资源。

(2)根据不同分段采用不同配比的粉煤灰-水泥浆液，保证注浆改造效果的同时节约了注浆材料成本。

(3)分序递进注浆可控制浆液向排水孔方向扩散，递进式注浆改造砂层，避免无序注浆破坏已经形成的浆脉。分段循环注浆能够保证每一个注浆段砂层得到充分改造。

(4)设置8％～10％的地面检查孔，通过钻孔取芯观察法、含水率测试法、强度测试法和渗透性试验法四种检查手段使得治理效果能够得到充分验证。

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是提高上限的垂高计算方法示意图；

图2是工作面走向改造长度计算方法示意图；

图3是工作面倾向改造宽度计算方法示意图；

图4是提高上限需要治理的范围平面示意图；

图5是钻孔布置平面示意图；

图6是套管“长短腿”式下至深度示意图；

图7是分序递进分段循环注浆立体示意图；

图8是不同深度的浆液配比示意图；

图9是“四含”注浆压力随埋深的递增图；

图中各标号表示为：

1-厚含水砂层、2-风化带、3-煤层、4-工作面提高上限段、5-垮落带、6-导水裂隙带、7-提高上限需要治理的范围、8-工作面开采方向、9-一序钻孔、10-二序钻孔、11-检查孔、12-排序号、13-套管、14-注浆、15-排水、16-注浆分段、17-注入的浆液、18-隔水层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的注浆改造厚含水砂层提高煤层开采上限的方法，包括：

步骤一：确定提高上限需要治理的范围；

1)提高上限段的垂高

本方案的目标是将原本留设防水煤岩柱开采改变为留设防塌煤岩柱开采；提高上限段的垂高H

式中：H

原始煤层开采上限标高加提供上限段的垂高即为提高上限后的煤层开采标高；

2)厚含水砂层的注浆改造范围

考虑开采对顶板基岩和四含的扰动，改造的范围应扩大至工作面开采影响范围外；根据基岩和松散层移动角计算注浆改造的长度和宽度；

式中：L

步骤二：布置钻孔

钻孔分一序和二序，两序钻孔隔排错位设置，同排钻孔间距D为40～60m，排距为0.5D。

步骤三：钻孔并下入套管

在步骤二确定的孔位上钻垂直孔，套管按照“长短腿”式设置，即沿煤层倾向方向套管的下至深度递增，某钻孔套管的下至深度为厚含水砂层下H

式中：H

套管段采用水泥固井封闭外环空。

步骤四：分序递进分段循环注浆

分序递进注浆：一序和二序钻孔递进注浆，奇数排为一序钻孔，偶数排为二序钻孔。同序次钻孔以排为单位递进交替进行泄压诱导注浆，即某排钻孔注浆时下一排钻孔作为排水孔泄压。注浆过程中通过排水孔返水-返砂-返浆三个阶段判断浆液扩散直至联通的过程，当出现返浆时将排水孔孔口封闭，继续注浆扩大劈裂通道。(所谓分序递进意思是，注第1排一序钻孔，第3排一序钻孔排水；注第2排二序钻孔，第4排二序钻孔排水；待第1、2排钻孔注浆完成后，对第3、4排钻孔注浆，第5、6、排钻孔排水；依此类推，直至完成所有钻孔的注浆。)

分段循环注浆：每次注浆段长度为4～6m，每次注浆达到结束标准后下延至下一个注浆段，没有达到结束标准则重复注浆。终孔深度为进入风化带10～20m。

水泥粉煤灰浆液的配比：根据改造目的将治理段由上至下分为三段。第一段为套管底口至基岩顶两倍采厚(2M)处，采用质量百分含量为20％～50％的粉煤灰-水泥浆进行充填压密，粉煤灰含量随着孔深增加逐步降低至20％。第二段为基岩之上两倍采厚(2M)的砂层改造后充当保护层，需要高的结石率和较高的强度，采用质量百分含量为10％～20％的粉煤灰-水泥浆。第三段为基岩风化带，需要将风化破碎的岩石注浆固结使之具有较高的完整性和隔水性，采用纯水泥浆或10％以内的粉煤灰-水泥浆。

注浆结束标准：注浆钻孔达到终止孔压P

式中：P

步骤五：施工地面检查孔

待所有注浆钻孔完成后，施工地面检查孔，位置是在相邻四个一序钻孔和二序钻孔的中心处，检查孔的数量为注浆钻孔的8％～10％。

通过钻孔取芯观察法、含水率测试法、强度测试法和渗透性试验法检验后含水砂层注浆固结效果。

以下结合具体实施例对本发明做具体说明。

实施例一：

安徽淮北某煤矿经过数十年的开采，煤炭资源逐渐枯竭，但松散的厚含水砂层“思含”下压覆的煤柱资源较多，煤厚2.2m，倾角9°，煤质较好。按照《建筑物、水体铁路及主要井巷煤柱留设与压开采规范》规定，厚含水砂层“四含”下无稳定黏性土隔水层，属于Ⅰ类水体下采煤，应留设防水煤(岩)柱，据矿井导水裂隙带高度实测资料，冒采比2.3～4.7，平均3.4，裂采比7.4～11.6，平均9.5，以往留设防水煤(岩)柱的开采上限为-300m～-290m标高。

该煤矿“四含”底板标高平均-246m，厚度25.3～47.88m，平均32.8m。岩性复杂，由砾石、砂砾、黏土砾石、粗砂、中砂及黏土质砂等组成，其间夹有0～4层薄层状黏土夹砾石、黏土、砂质黏土、钙质黏土等，含水砂层厚度4.80～30.74m，平均14.42m。“四含”为下粗上细的沉积结构，底部普遍发育砾石层。孔隙率25～31％。据“四含”抽水试验，单位涌水量q＝0.00024～2.635L/(s·m)，渗透系数K＝0.0011～5.8m/d，富水性弱～中等，主要接受侧向区域迳流补给，水平渗透性强，垂直渗透能力次之。“四含”上部“三隔”厚36～62.35m，平均47.84m，发育稳定，是良好的隔水层；下部基岩风氧化带厚4.5～45.6m，平均22m，强风化带0.41～37m，平均13m，含有地下水。风化岩石完整性差，RQD值一般在0～50％。抗压强度为0.31～17.03MPa，属软弱或极软弱岩层。“四含”与煤层和风化带接触，是浅部煤层开采的直接充水水源。

为了延长矿井寿命，提高资源利用率，采用本方案在治理了1010

步骤一：确定提高上限需要治理的范围

1)提高上限段的垂高

如图1，本实例中留设防水煤岩柱开采的标高是-300m，若要改变为留设防塌煤岩柱开采，提高上限段的垂高H

式中：H

则提高上限后的开采标高为-265m。

2)厚含水砂层的注浆改造范围

如图4，考虑开采对顶板基岩和四含的扰动，改造的范围应扩大至工作面开采影响范围外。根据基岩和松散层移动角计算注浆改造的长度(如图2)和宽度(如图3)。

式中：L

步骤二：布置钻孔

如图5，钻孔分一序和二序，两序钻孔隔排错位设置，同排钻孔间距D为40m，排距为20m。

步骤三：钻孔并下入套管

如图6，在步骤二确定的孔位上钻垂直孔，套管按照“长短腿”式设置，即沿煤层倾向方向套管的下至深度递增，某钻孔套管的下至深度为厚含水砂层下H

式中：H

套管段采用水泥固井封闭外环空。

步骤四：分序递进分段循环注浆

如图7，分序递进注浆：一序和二序钻孔递进注浆，奇数排为一序钻孔，偶数排为二序钻孔。同序次钻孔以排为单位递进交替进行泄压诱导注浆，即某排钻孔注浆时下一排钻孔作为排水孔泄压。注浆过程中通过排水孔返水-返砂-返浆三个阶段判断浆液扩散直至联通的过程，当出现返浆时将排水孔孔口封闭，继续注浆扩大劈裂通道。(所谓分序递进意思是，注第1排一序钻孔，第3排一序钻孔排水；注第2排二序钻孔，第4排二序钻孔排水；待第1、2排钻孔注浆完成后，对第3、4排钻孔注浆，第5、6、排钻孔排水；依此类推，直至完成所有钻孔的注浆。)

如图7，分段循环注浆：每次注浆段长度为4m，每次注浆达到结束标准后下延至下一个注浆段，没有达到结束标准则重复注浆。终孔深度为进入风化带10m。

如图8，水泥粉煤灰浆液的配比：根据改造目的将治理段由上至下分为三段。第一段为套管底口至基岩顶两倍采厚(2M)处，采用20～50％的粉煤灰-水泥浆进行充填压密，粉煤灰含量随着孔深增加由50％逐步降低至20％。第二段为基岩之上两倍采厚(2M)的砂层改造后充当保护层，需要高的结石率和较高的强度，采用10～20％的粉煤灰-水泥浆。第三段为基岩风化带，需要将风化破碎的岩石注浆固结使之具有较高的完整性和隔水性，采用纯水泥浆或10％以内的粉煤灰-水泥浆。

注浆结束标准：注浆钻孔达到终止孔压P

式中：P

步骤五：施工地面检查孔

待所有注浆钻孔完成后，施工地面检查孔，位置是在相邻四个一序钻孔和二序钻孔的中心处，检查孔的数量为注浆钻孔的10％。

钻孔取芯观察发现，注浆前三个“四含”取芯孔岩芯采取率分别为49％、58％、65％。注浆后3个检查孔“四含”岩芯采取率分别为63％、69％、69％，砂层完整性提高约17％，砂层中可见水泥浆脉和渗透的水泥。

注浆前后砂层含水率、力学性质对比如表1所示，注后真密度略有增加，含水率降低约1/3，强度提高2～3倍。说明注浆后砂层的孔隙减小，胶结程度和强度明显提高。

表1注浆前后砂层物理力学性质对比

对注浆前后风氧基岩的抗压强度进行测试，注前为1.96～2.18MPa。注后为3.03～11.10MPa，风化基岩的强度增强约2～5倍，注浆对风化基岩改造效果良好。

注浆后检查孔抽水试验获得单位涌水量q＝0.0000075～0.000013L/(s·m)，渗透系数K＝0.000～0.0069m/d，富水性弱，极微～微透水，说明厚含水砂层“四含”已被改造为隔水层。

图9是统计不同深度注浆段的注浆压力，将孔深作为横坐标，注浆压力作为纵坐标，绘制散点图，然后生成趋势线和线性公式，该图趋势线的斜率是0.0307，说明注浆压力是按照+0.0307MPa/m的梯度随孔深递增的，证明终止孔压Pi随孔深变化的设置是合理的。

采用本发明进行治理后，成功将第“四含”砂层改造为有效隔水层(Ⅲ类水体)，留设防塌煤岩柱开采，工作面回回采面积增加约4万m

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。