一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法技术

本发明专利技术公开了一种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，且所有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。降低顶板透水事故发生的几率。降低顶板透水事故发生的几率。

【技术实现步骤摘要】
一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术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。
[0005]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：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0010]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0011]作为本专利技术的优选方案，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。
[0012]作为本专利技术的进一步改进方案，岩层锚固穴对应设置在各个岩层中。
[0013]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0014]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0015]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0016]作为本专利技术的进一步改进方案，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。
[0017]步骤a中的具体计算方法如下：
[0018]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(θ1，θ2)不同，当第j层(关键层)下方首次出现分离空间时，走向方向关键层的悬挂长度(a
j
)与L之间的关系为
[0019][0020]倾斜方向上关键层的悬挂宽度(b
j
，单位为米)与工作面宽度(B，单位为米)之间的关系为：
[0021][0022][0023]S1＝LB
[0024]S2＝a
n+1
b
n+1
[0025]式中，a
n+1
为岩体沿着走向方向上的悬顶长度，单位为米；b
n+1
为岩体沿着倾斜方向上的悬顶长度，单位为米；h为覆岩与煤层的垂直距离，单位为米；h
n+1
为覆岩离层的最大高度，单位为米；L表示工作面走向推进距离，单位为米；θ1为开切眼侧的岩层破断角；θ2为工作面侧的岩层破断角；S1表示已回采的工作面面积；S2表示覆岩离层岩层的悬空面积；
[0026]假设锚固注浆管的间距为L
j
，排距为L
p
，则每根锚固注浆管的锚固面积为A＝L
j
·
L
p
，则在工作面走向方向上需要打设n1＝L/L
p
数量的锚固注浆管，在工作面倾向方向上需要打设n2＝L/L
p
数量的锚固注浆管，则工作面范围内共需要打设N＝n1·
n2数量的锚固注浆管；
[0027]则每根锚固注浆管的需要承载的重量为
[0028][0029]式中，为上覆岩层的平均密度；
[0030]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
[0031][0032][0033]式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，具体包括以下步骤：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，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(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；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(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，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，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)内注入锚固浆液；锚固浆液完全充满整个锚固立井(1)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。2.根据权利要求1所述的可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1或2所述的可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1或2所述的可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，岩层锚固穴(3)的结构是包括上拱顶结构和下拱底结构的贝壳形结构。5.根据权利要求1或2所述的可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，岩层锚固穴(3)对应设置在各个岩层中。6.根据权利要求5所述的可防止顶板透水的裂隙带全域注浆减沉方法，其特征在于，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)设置为多个。7.根据权利要求6所述的可防止顶板透水的裂隙带全域...

【专利技术属性】
技术研发人员：林中湘，马占国，郝燕奎，龚鹏，马云靖，古傲林，姚文涛，刘国强，岳鹏，张帆，刘旺，姜涛，高芙蓉，孟凡飞，周凤羽，严鹏飞，刘子璐，陈韬，徐敏，和泽欣，
申请(专利权)人：中国矿业大学深圳北理莫斯科大学，
类型：发明
国别省市：