地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法技术

本发明专利技术公开了一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，属于煤矿绿色开采技术领域。所述的注浆充填方法为从地面向下施工单一的地面注浆钻孔，通过所述注浆钻孔对位于不同层位的覆岩进行注浆，弯曲下沉带中的注浆层位包括低离层层位和高离层层位；通过对裂隙带中覆岩裂隙注浆形成隔水层切断井下离层水害的突水通道，以防治顶板次生水害的发生；低离层层位充填材料采用较大比重浆液以形成较大容重岩层充填体，弯曲下沉带中低离层层位和高离层层位形成的充填体共同用于地表沉陷的控制。本发明专利技术通过同一地面注浆钻孔实现了多层位的注浆充填工程，钻孔利用率高，成本低，充填率提高，提高地表沉降的减沉率，同时达到顶板水害防治的目的。

【技术实现步骤摘要】
地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法
本专利技术涉及一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，属于煤矿绿色开采

技术介绍
近年来，随着煤炭资源的逐步开发，煤层开采深度的增加，以及受煤层重复采动和上覆岩层结构的复杂性等因素的影响，都会导致地面塌陷及“三下”压煤问题和煤层顶板离层水害，这些严重影响了矿区的经济的可持续发展。开采导致的地面塌陷直接表现为良田破坏、地面建筑物损坏，以及上百亿吨的建(构)筑物压煤。此外，开采诱发的离层水害与常规水害不同，在没有较强含水层的条件下，也会出现溃水致灾事故，且具有灾变瞬时涌水量大、破坏性大的显著特征。地面塌陷和离层水害分别是保护矿区环境和威胁煤矿安全生产的两大技术难题。在实际工程应用过程中，地表沉降通过预留煤柱限制煤层充分采动和注浆工程手段进行控制，离层水害的防治工作重点在预防，防治离层水的形成，切断煤层顶板离层水的涌水通道，因此，这两大问题难以同时解决，一直被分开进行研究。离层注浆充填是一种控制地表沉陷的新技术，该技术是通过地面布置钻孔向在岩移过程中覆岩内部形成的离层空洞充填进外来材料来对上覆岩层起到支撑作用，从而降低覆岩向地面的移动变形速度和地表下沉量。现有的覆岩离层注浆技术，通过多层位离层注浆和隔离煤柱共同对地表沉降进行控制，其不仅工程施工难度大、注浆工程量大，而且离层充填率较低会极大影响地表沉降的控制效果和地下预留煤柱造成的煤炭资源浪费，此外，注浆过程受注浆工艺影响，前期充填过程可能会造成工作面顶板突水事故和井下跑浆现象，而多钻孔施工不仅会增加施工成本和造成注浆浆液的浪费，而且对钻孔位置布设有严格要求，严重影响浆液扩散以及注浆效果。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法。技术方案：本专利技术的一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，所述的注浆充填方法利用单一地面注浆钻孔，对位于裂隙带和弯曲下沉带中的注浆层位依次进行注浆，弯曲下沉带中的注浆层位包括低层位离层和高层位离层；在注浆时，由低层位逐渐转向高层位注浆充填，先对裂隙带内的注浆层位进行注浆，然后对低层位离层进行注浆，最后对高层位离层进行注浆，当一个注浆层位的充填体固结后，再进行下一个层位的注浆充填工作；裂隙带中注浆形成的充填体作为隔水层切断工作面离层水突水通道，以防治顶板次生水害的发生；弯曲下沉带中的两个层位的充填体用于控制地表沉陷，其中低离层注浆层位中注浆充填体用于压实下覆岩层和保护隔水层，同时扩展上部高层位离层注浆空间以提高注浆充填率；高层位离层中注浆充填体用于进一步压实下覆岩层并支撑上覆岩层；要求低离层层位中使用的浆液比重相对于高离层层位大，从而形成比高离层层位容重和抗压强度大的离层充填体。其优点在于，只通过一次钻孔实现多层位覆岩注浆，施工与浆液成本低，操作方法简单可行，通过一个地面垂直钻孔实现了防治顶板水害和控制地表沉降相结合的注浆充填方法。所述裂隙带内的注浆材料为高分子双液注浆材料聚压胶脂，所述高分子双液注浆材料聚压胶脂含有体积比为1：1的树脂和催化剂。其优点为，该新型高分子双液注浆材料配制的浆液黏度低，流动性好，可注性强，可注入细小裂隙，对裂隙带的填充有很好的效果。由于裂隙带发育有限，所需的注浆量较少，因此选用化学浆进行充填，整体注浆成本低，工程可实施性较强。所述低层位离层注浆材料为单液水泥稠浆，所述单液水泥稠浆为掺杂了粉煤灰与矿黏合剂/速凝剂的水泥，其中水泥选用强度等级为32.5R或42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，速凝剂选用玻璃水，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4，浆液比重控制在1.8以上。重点是低层浆液比重大，扩展了上部高层离层注浆空间，进而增加了高层位离层的注浆量和充填率，提高了地表减沉效果。所述高层位离层注浆材料为粉煤灰稀浆，浆液比重为1.2。其优点在于，所述单液水泥稠浆与粉煤灰稀浆形成的充填体的容重与抗压强度不同，所述单液水泥稠浆形成的充填体对下覆岩层起到压实作用和扩展高层位注浆离层空间，并同时形成保护隔水层；所述粉煤灰稀浆形成的充填体对下覆岩层起到一定的压实作用，并对上覆岩层至地表起主要支撑作用；所述浆液的配制考虑到了不同层位的充填体所起的作用，通过形成的充填体的强度不同，实现更好的充填效果。以往离层注浆出现井下跑浆即注浆浆液向下渗入到工作面，出现工作面淹井、水害和资源浪费问题，现在新增加注浆层位避免了这一问题。利用同一地面注浆钻孔对冒落区注浆形成充填体对工作面形成保护层切断工作面涌水通道；低层位离层注浆浆液比重大，高层位离层注浆浆液比重小；层位选择不同，注浆充填体作用不同，达到不同的注浆效果和目的。所述注浆钻孔施工时，从地面向下竖直施工注浆钻孔至裂隙带内的注浆层位，然后进行下套管作业；具体的注浆过程如下：(1)对裂隙带进行注浆通过对裂隙带内裂隙注浆直接实施高压注浆；在注浆过程中，通过注浆泵压力表监测该层位的注浆量是否达到要求，当注浆泵压力表的压力值达到预定值时，停止对该层位的注浆工作，所述的预定值根据注浆层位的深度换算，每100m深度换算成1MPa；然后断开注浆泵高压管与注浆孔口的连接，换用封口器与注浆孔口连接封堵孔口，并在封口器顶部安装压力表，当孔口压力变为负压时，表明该注浆层位的充填体已经完成胶结，此时卸掉封口器，对钻孔进行扫孔作业，扫孔深度为低层位离层的下边界；使用套管切割机对低层位离层区域内的套管切出若干个切口，使套管注浆口与低层位离层贯通；(2)对低层位离层进行注浆在对低层位离层进行注浆时，通过对低层位离层进行加水加压实验来确定注浆时机，当注浆泵压力表显示的正压变为负压时即开始注浆；在注浆过程中，通过注浆泵压力表监测该层位的注浆量是否达到要求，当注浆泵压力表的压力值达到预定值时，停止对该层位的注浆工作，所述的预定值根据注浆层位的深度换算，每100m深度换算成1MPa；然后断开注浆泵高压管与注浆孔口的连接，换用封口器与注浆孔口连接封堵孔口，并在封口器顶部安装压力表，当孔口压力变为负压时，表明该注浆层位的充填体已经完成胶结，此时卸掉封口器，在对钻孔进行扫孔作业时，扫孔深度为高层位注浆离层的下边界；使用套管切割机对高层位离层上下边界范围内的套管切出若干个切口，使套管注浆口与高层位离层贯通；(3)对高层位离层进行注浆在对高层位离层进行注浆时，通过对高层位离层进行加水加压实验来确定注浆时机，当注浆泵压力表显示的正压变为负压时即开始注浆；在注浆过程中，通过注浆泵压力表监测该层位的注浆量是否达到要求，当注浆泵压力表的压力值达到预定值时，停止对该层位的注浆工作，所述的预定值根据注浆层位的深度换算，每100m深度换算成1MPa；然后断开注浆泵高压管与注浆孔口的连接，换用封口器与注浆孔口连接，并在封口器顶部安装压力表封堵孔口，当孔口压力变为负压时，表明该注浆层位的充填体已经完成胶结；当高层位离层注浆工作完成之后，向钻孔内部注入水泥砂浆，进行封孔作业，至此利用单一的注浆钻孔进行注浆充填的工作实施完毕。其优点在于，本专利技术裂隙带注浆对裂隙带覆岩进行改造，形成保护层，并且切断工作面顶板涌水通道，低层位离层注浆浆液选用水泥、粉煤灰为骨料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述的注浆充填方法利用地面单一钻孔，通过所述注浆钻孔对位于裂隙带和弯曲下沉带中的注浆层位依次进行注浆，弯曲下沉带中的注浆层位包括低层位离层和高层位离层；在注浆时，由低层位逐渐转向高层位注浆充填，先对裂隙带内的注浆层位进行注浆，然后对低层离层层位进行注浆，最后对高层离层层位进行注浆；裂隙带中注浆形成的充填体作为隔水层切断工作面离层水突水通道，以防治顶板次生水害的发生；弯曲下沉带中的两个层位的充填体用于控制地表沉陷，其中低离层注浆层位中注浆形成的充填体用于压实下覆岩层和保护隔水层，同时扩展上部高层位离层注浆空间以提高注浆充填率；高离层层位中注浆形成的充填体用于进一步压实下覆岩层并支撑上覆岩层；要求低离层层位中使用的浆液比重相对于高离层层位大，从而形成比高离层层位容重大的离层充填体。

【技术特征摘要】
1.一种地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述的注浆充填方法利用地面单一钻孔，通过所述注浆钻孔对位于裂隙带和弯曲下沉带中的注浆层位依次进行注浆，弯曲下沉带中的注浆层位包括低层位离层和高层位离层；在注浆时，由低层位逐渐转向高层位注浆充填，先对裂隙带内的注浆层位进行注浆，然后对低层离层层位进行注浆，最后对高层离层层位进行注浆；裂隙带中注浆形成的充填体作为隔水层切断工作面离层水突水通道，以防治顶板次生水害的发生；弯曲下沉带中的两个层位的充填体用于控制地表沉陷，其中低离层注浆层位中注浆形成的充填体用于压实下覆岩层和保护隔水层，同时扩展上部高层位离层注浆空间以提高注浆充填率；高离层层位中注浆形成的充填体用于进一步压实下覆岩层并支撑上覆岩层；要求低离层层位中使用的浆液比重相对于高离层层位大，从而形成比高离层层位容重大的离层充填体。2.根据权利要求1所述的地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述裂隙带内的注浆材料为高分子双液注浆材料聚压胶脂，所述高分子双液注浆材料聚压胶脂含有体积比为1：1的树脂和催化剂。3.根据权利要求1所述的地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述低层位离层注浆材料为单液水泥稠浆，所述单液水泥稠浆为掺杂了粉煤灰与矿黏合剂/速凝剂的水泥，其中水泥选用强度等级为32.5R或42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，速凝剂选用玻璃水，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4，浆液比重控制在1.8以上。4.根据权利要求1所述的地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述高层位离层注浆材料为粉煤灰稀浆，浆液比重为1.2。5.根据权利要求1所述的地面钻孔实现水害防治和地表沉降控制的一孔多用方法，其特征在于：所述注浆钻孔施工时，从地面向下竖直施工注浆钻孔至裂隙带内的注浆层位，然后进行下套管作业；具体的注浆过程如下：(1)对裂隙带内的注浆层位进行注浆通过地面钻孔直接对裂隙带内裂隙实施充填，在注浆过程中，通过注浆泵压力表监测该层位的注浆量是否达到要求，当注浆泵压力表的压力值达到预定值时，停止对该层位的注浆工作，所述的预定值根据注浆层位的深度换算，每100m深度换算成1MPa；然后断开注浆泵高压管与注浆孔口的连接，换用封口器与注浆孔口连接封堵注浆口，并在封口器顶部安装压力表，当孔口压力变为负压时，表明该注浆层位的充填体已经完成胶结，此时卸掉封口器，对钻孔进行扫孔作业，扫孔深度为低层位离层的下边界；使用套管切割机对低层位离层范围内的套管切出若干个切口，使套管注浆口与低层位离层贯通；(2)对低层位离层进行注浆在对低层位离层进行注浆时，通过对低层位离层...

【专利技术属性】
技术研发人员：马荷雯，隋旺华，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32