专利名称：大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法
技术领域：
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体是一种大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法。
背景技术：
大采高工作面由于采高较大、煤质较软，造成大采高工作面矿压显现明显，容易诱发冒顶事故。特别是遇到陷落柱、断层、软煤区等特殊地质条件，由于这些特殊地质区域内岩体破碎，造成煤帮片帮长度基本在2. 5米以上，更加容易引起冒顶事故的发生，严重影响矿井的安全生产。为了减少过特殊地质构造时煤帮的片帮长度，提高煤帮得承载能力，目前 很多矿井都逐步加强了对注浆加固技术的研究。在已有的研究成果中，大采高工作面煤帮加固主要有两种方法打锚杆加固和注浆加固两种技术。其中，由于煤帮注浆加固技术控制效果好，见效快、施工安全、能够不影响生产而备受关注。注浆加固技术根据注浆材料可以分为水泥注浆和高分子材料注浆；根据注浆深度可以分为深部注浆和浅部注浆。目前，大多数矿井采用水泥浆单液浅和高分子双液浅部注浆技术。但是由于水泥浆液扩散半径较小、初凝时间长、注浆效果较差和高分子材料价格昂贵，每吨价格大约在30000元以上及浅部注浆对生产影响严重，不能提供大采高工作面生产效率，所以不能够在大采高工作面推广使用。
发明内容
本发明的目的是为了防止大采高工作面因特殊地质条件容易发生顶板局部冒落，造成人员、设备等事故灾害；同时，也为了解决现有的水泥浆液超前加固特殊地质效果不好、高分子浅部注浆成本昂贵等问题，而提供一种大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法。本发明方法可超前加固特殊地质构造内的破碎煤体，并能够有效提高破碎煤体的承载能力，从而防止大采高工作面过特殊地质构造时发生局部冒顶，从而保证矿井的安全生产。本发明是通过以下技术方案实现的
一种大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法，包括如下步骤
I)确定特殊地质在大采高工作面内的影响范围，然后在巷帮上由上至下依次布置三排钻孔第一、二、三排钻孔；相邻两排钻孔的间距为O. 6m，第一排钻孔距巷道顶板的距离为
O.6m ;每排钻孔的孔距为3. 0m，每排钻孔的钻孔数量要保证能将特殊地质覆盖在内；相邻的两排钻孔呈交叉状布置，即第二排的各钻孔位置位于第一排各钻孔之间、第三排的各钻孔位置位于第二排各钻孔之间；第一排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为44°、孔深不小于8m，偶数钻孔的向上倾角为20°、孔深不小于16m ;第二排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为15°、孔深不小于24m，偶数钻孔的向上倾角为11°、孔深不小于32m ;第三排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为10°、孔深不小于40m，偶数钻孔的倾角为8°、孔深不小于48m;每排钻孔的孔深都达到了回采面顶部以上5m的区域内，形成了梅花状进行加固。
2)每个钻孔开孔后，在孔口下入Φ 108套管并用浆液固结，然后使用注浆塞进行封孔；钻孔时，将注浆塞取出，然后进行钻孔，每钻进5m注浆一次，注浆完毕后用注浆塞封孔，待浆液初凝后取出注浆塞扫孔并继续钻进下一段次；施工过程中遵循进尺5m—个小循环，待浆液凝固后扫孔继续钻进直至达到设计深度结束，即钻进5. Om —注浆一扫孔5. Om —钻进IOm —注衆一扫孔IOm —钻进15m —注衆一扫孔15m —钻进20m —注衆一扫孔20m,以此类推直到达到设计深度结束，施工完一个钻孔后按照上述工艺继续对第二个钻孔进行施工；其中，所述的浆液是由水、525水泥、XPM纳米灌注剂三者按质量比为1:1:0. I
O.3配制而成，注浆终压为2-5Mpa。每段注浆后一般4_7小时后即可扫孔钻进下一段，然后进行重复注浆。注浆前如吸水量小，可延长压水时间，将裂隙中泥沙冲洗干净。在注浆过程中，要及时观测和记录注浆压力，泵量变化情况，发现跑浆立即停泵。本发明中的各钻孔的角度、终孔位置等参数是通过大量的理论分析计算和工程实践而优选出的。该种布孔方式起到了多点、多面的有效距离加固。钻进方法采用清水钻进，如钻孔发生塌孔、卡钻等异常现象，应立即停止钻进，迅 速提出钻杆、钻具，关闭孔口阀门，并准备注浆。本发明注浆以水泥液浆为主、XPM纳米灌注剂为辅，在注浆前先要进行冲孔、洗孔，然后接上注浆管路注浆。其中，XPM纳米灌注剂在水中不分解、不离析、不收缩、5s凝结，减水率为37%，结石强度高，抗压强度可提高200% — 300%，且无毒、无害、无污染。进一步地，在最上面的第一排钻孔与巷道顶板之间还开设有第四排钻孔，第四排钻孔与最上面的第一排钻孔的间距为O. 3m，第四排钻孔的孔距为3. Om ;第四排各钻孔的倾角为2°、孔深不小于55m;第四排钻孔的施工工艺同上述步骤2)中的钻孔施工工艺。当特殊地质范围较大时，布置的现有钻孔落点在特殊地质的顶部排间距比较大，浆液的扩散半径可能不够，可能会有个注浆盲区。因此，再补充一排钻孔，可进一步提高加固效果。本发明方法具有加固效果好、参数合理、施工简单、成本低廉、安全可靠等优点，特别适合于大采高工作面特殊地质的加固。本发明方法在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司多个煤矿成功实施，对多个煤矿出现的陷落柱、断层、软煤层等特殊地质的加固效果非常好，提高工作面的安全度，避免了井下事故的发生，保证了井下工作人员的安全。
图I为本发明巷帮钻孔示意图。图2为布置钻孔工作面截面图。图中1-第一排钻孔、2-第二排钻孔、3-第三排钻孔、4-第四排钻孔、5-巷道顶板、6-巷道底板、7-巷帮、8-顶板加固区。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述，需要说明的是，以下实施例仅为说明性的，并不对本发明做任何的限定
实施例I
长平煤业公司4210正巷大采高工作面揭露出陷落柱(特殊地质)，为保障回采工作面顺利通过，需要注浆加固陷落柱顶部，根据现场勘测得到，陷落柱为椭圆形长轴65米、短轴21米、轴向38°，该陷落柱不含水，在工作面内南北影响范围57米，东西影响范围42米。陷落柱影响区域长57m，考虑回采后顶板压力大，在巷道揭露出陷落柱两边各延长15 m的注浆加固段，注浆加固段合计87m。以下通过本发明方法对该工作面陷落柱进行注浆加固，具体包括如下步骤
I)确定陷落柱在大采高工作面内的影响范围为87m，然后在巷帮上由上至下依次布置三排钻孔，分别为第一排钻孔、第二排钻孔和第三排钻孔；相邻两排钻孔的排距为O. 6m,第一排钻孔距巷道顶板的距离为O. 6m ;每排钻孔的孔距为3. 0m，第一排钻孔设计29个钻孔，第二排钻孔设计28个钻孔，第三排钻孔设计29个钻孔，上述每排钻孔的钻孔数量基本都能保证能将特殊地质覆盖在内；相邻的两排钻孔呈交叉状布置，即第二排的各钻孔位置对应于第一排各钻孔之间、第三排的各钻孔位置对应于第二排各钻孔之间；第一排钻孔中，奇数钻孔的倾角为44°、孔深Sm，偶数钻孔的倾角为20°、孔深16m;第二排钻孔中，奇数钻孔的倾角为15°、孔深24m，偶数钻孔的倾角为11°、孔深32m ;第三排钻孔中，奇数钻 孔的倾角为10°、孔深40m，偶数钻孔的倾角为8°、孔深48m;每排钻孔的孔深都达到了回采面顶部以上5m的区域内，形成了梅花状进行加固。2)每个钻孔开孔后，在孔口下入Φ 108套管并用浆液固结，然后使用注浆塞进行封孔；钻孔时，将注浆塞取出，然后进行钻孔，每钻进5m注浆一次，注浆完毕后用注浆塞封孔，待浆液初凝后取出注浆塞扫孔并继续钻进下一段次；施工过程中遵循进尺5m—个小循环，待浆液初凝后扫孔继续钻进直至达到设计深度结束，即钻进5. Om —注浆一扫孔5. Om —钻进IOm —注衆一扫孔IOm —钻进15m —注衆一扫孔15m —钻进20m —注衆一扫孔20m，以此类推直到达到设计深度结束，施工完一个钻孔后按照上述工艺继续对第二个钻孔进行施工；其中，所述的浆液是由水、525水泥、XPM纳米灌注剂三者按质量比为1:1: O. 3配制而成；注浆终压为4Mpa。3)考虑到陷落柱的范围比较大，布置的现有三排钻孔落点在陷落柱的顶部排间距比较大，浆液的扩散半径可能不够，可能会出现注浆盲区。因此，为了加固彻底，在南北57米的陷落柱影响区内，在第一排钻孔与巷道顶板之间再开设第四排钻孔，第四排钻孔设计有19个孔，第四排钻孔与第一排钻孔的间距为O. 3m，第四排钻孔的孔距为3. Om ;第四排各钻孔的倾角为2°、孔深55m ;该排钻孔的施工工艺与上述步骤2)中的钻孔施工工艺相同。具体实施时，先将注浆站设在距工作面15-30m的地方，站内布置2TGZ—60/210钻机一台，搅拌机一台，设二次搅拌池一个，清水池一个。并根据现场实际情况，在工作面顺槽巷用道木搭建长3m、宽2m、高3m的工作台，将钻机安装到平台上进行顶眼施工。选用轻型高效2TGZ — 60/210钻机按照设定好的角度在钻孔位置钻孔，钻孔采用三翼钻头。实施例2
某矿大采高工作面发现断层(特殊地质)，为保障回采工作面顺利通过，需要注浆加固断层顶部，根据现场勘测得到，断层在工作面内南北影响范围72米，东西影响范围53米。断层影响工作面区域长72m，考虑回采后顶板压力大，在巷道揭露出断层两边各延长15 m的注浆加固段，注浆加固段合计102m。以下通过本发明方法对该工作面断层进行注浆加固，具体包括如下步骤
I)确定断层在大采高工作面内的影响范围为102m，然后在巷帮上由上至下依次布置三排钻孔，分别为第一排钻孔、第二排钻孔和第三排钻孔；相邻两排钻孔的排距为O. 6m，第一排钻孔距巷道顶板的距离为O. 6m ;每排钻孔的孔距为3. Om,每排钻孔分别各设计35个钻孔，上述每排钻孔的钻孔数量基本都能保证能将断层覆盖在内；相邻的两排钻孔呈交叉状布置，即第二排的各钻孔位置对应于第一排各钻孔之间、第三排的各钻孔位置对应于第二排各钻孔之间；第一排钻孔中，奇数钻孔的倾角为44°、孔深11m，偶数钻孔的倾角为20°、孔深18m;第二排钻孔中，奇数钻孔的倾角为15°、孔深26m，偶数钻孔的倾角为11°、孔深37m;第三排钻孔中，奇数钻孔的倾角为10°、孔深44m，偶数钻孔的倾角为8°、孔深52m;每排钻孔的孔深都达到了回采面顶部以上5m的区域内，形成了梅花状进行加固。2)每个钻孔开孔后，在孔口下 入Φ 108套管并用浆液固结，然后使用注浆塞进行封孔；钻孔时，将注浆塞取出，然后进行钻孔，每钻进5m注浆一次，注浆完毕后用注浆塞封孔，待浆液初凝后取出注浆塞扫孔并继续钻进下一段次；施工过程中遵循进尺5m—个小循环，待浆液初凝后扫孔继续钻进直至达到设计深度结束，即钻进5. Om —注浆一扫孔5. Om —钻进IOm —注衆一扫孔IOm —钻进15m —注衆一扫孔15m —钻进20m —注衆一扫孔20m,以此类推直到达到设计深度结束，施工完一个钻孔后按照上述工艺继续对第二个钻孔进行施工；其中，所述的浆液是由水、525水泥、XPM纳米灌注剂三者按质量比为1:1:0. 2配制而成；注浆终压为5Mpa。3)考虑到断层的范围比较大，布置的现有三排钻孔落点在断层的顶部排间距比较大，浆液的扩散半径可能不够，可能会出现注浆盲区。因此，为了加固彻底，在南北102米的断层影响区内，在第一排钻孔与巷道顶板之间再开设第四排钻孔，第四排钻孔设计有25个 L，第四排钻孔与第一排钻孔的间距为O. 3m，第四排钻孔的孔距为3. Om ;第四排各钻孔的倾角为2°、孔深62m ;该排钻孔的施工工艺与上述步骤2)中的钻孔施工工艺相同。具体实施时，先将注浆站设在距工作面15-30m的地方，站内布置2TGZ—60/210钻机一台，搅拌机一台，设二次搅拌池一个，清水池一个。并根据现场实际情况，在工作面顺槽巷用道木搭建长3m、宽2m、高3m的工作台，将钻机安装到平台上进行顶眼施工。选用轻型高效2TGZ — 60/210钻机按照设定好的角度在钻孔位置钻孔，钻孔采用三翼钻头。实施例3
某矿大采高工作面发现软煤区(特殊地质)，为保障回采工作面顺利通过，需要注浆加固软煤区顶部，根据现场勘测得到，软煤区在工作面内南北影响范围32米，东西影响范围19米。软煤区影响工作面区域长32m，考虑回采后顶板压力大，在巷道揭露出软煤区两边各延长10 m的注浆加固段，注浆加固段合计52m。以下通过本发明方法对该工作面软煤区进行注浆加固，具体包括如下步骤
I)确定软煤区在大采高工作面内的影响范围为102m，然后在巷帮上由上至下依次布置三排钻孔，分别为第一排钻孔、第二排钻孔和第三排钻孔；相邻两排钻孔的排距为O. 6m,第一排钻孔距巷道顶板的距离为O. 6m ;每排钻孔的孔距为3. 0m，每排钻孔分别各设计18个钻孔，上述每排钻孔的钻孔数量基本都能保证能将断层覆盖在内；相邻的两排钻孔呈交叉状布置，即第二排的各钻孔位置对应于第一排各钻孔之间、第三排的各钻孔位置对应于第二排各钻孔之间；第一排钻孔中，奇数钻孔的倾角为44°、孔深Sm，偶数钻孔的倾角为20°、孔深16m;第二排钻孔中，奇数钻孔的倾角为15°、孔深25m，偶数钻孔的倾角为11°、孔深34m;第三排钻孔中，奇数钻孔的倾角为10°、孔深42m，偶数钻孔的倾角为8°、孔深50m ;每排钻孔的孔深都达到了回采面顶部以上5m的区域内，形成了梅花状进行加固。2)每个钻孔开孔后，在孔口下入Φ 108套管并用浆液固结，然后使用注浆塞进行封孔；钻孔时，将注浆塞取出，然后进行钻孔，每钻进5m注浆一次，注浆完毕后用注浆塞封孔，待浆液初凝后取出注浆塞扫孔并继续钻进下一段次；施工过程中遵循进尺5m—个小循环，待浆液初凝后扫孔继续钻进直至达到设计深度结束，即钻进5. Om —注浆一扫孔5. Om —钻进IOm —注衆一扫孔IOm —钻进15m —注衆一扫孔15m —钻进20m —注衆一扫孔20m,以此类推直到达到设计深度结束，施工完一个钻孔后按照上述工艺继续对第二个钻孔进行施工；其中，所述的浆液是由水、525水泥、XPM纳米灌注剂三者按质量比为1:1:0. I配制而成；注浆终压为2Mpa。具体实施时，先将注浆站设在距工作面15-30m的地方，站内布置2TGZ—60/210钻机一台，搅拌机一台，设二次搅拌池一个，清水池一个。并根据现场实际情况，在工作面顺槽 巷用道木搭建长3m、宽2m、高3m的工作台，将钻机安装到平台上进行顶眼施工。选用轻型高效2TGZ — 60/210钻机按照设定好的角度在钻孔位置钻孔，钻孔采用三翼钻头。
权利要求
1.一种大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法，其特征在于，包括如下步骤 1)确定特殊地质在大采高工作面内的影响范围，然后在巷帮上由上至下依次布置三排钻孔第一、二、三排钻孔；相邻两排钻孔的间距为O. 6m，第一排钻孔距巷道顶板的距离为O. 6m ;每排钻孔的孔距为3. Om，每排钻孔的钻孔数量要保证能将特殊地质覆盖在内；相邻的两排钻孔呈交错状布置，即第二排的各钻孔位置对应于第一排各钻孔之间、第三排的各钻孔位置对应于第二排各钻孔之间；第一排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为44°、孔深不小于8m，偶数钻孔的向上倾角为20°、孔深不小于16m ;第二排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为15°、孔深不小于24m，偶数钻孔的向上倾角为11°、孔深不小于32m ;第三排钻孔中，奇数钻孔的向上倾角为10°、孔深不小于40m,偶数钻孔的向上倾角为8°、孔深不小于48m ； 2)每个钻孔开孔后，在孔口下入Φ108套管并用浆液固结，然后使用注浆塞进行封孔；钻孔时，将注浆塞取出，然后进行钻孔，每钻进5m注浆一次，注浆完毕后用注浆塞封孔，待浆液初凝后取出注浆塞扫孔并继续钻进下一段次；施工过程中遵循进尺5m—个小循环，待浆液初凝后扫孔继续钻进直至达到设计深度结束，即钻进5. Om —注浆一扫孔5. Om —钻进IOm —注衆一扫孔IOm —钻进15m —注衆一扫孔15m —钻进20m —注衆一扫孔20m,以此类推直到达到设计深度结束，施工完一个钻孔后按照上述工艺继续对第二个钻孔进行施工；其中，所述的浆液是由水、525水泥、XPM纳米灌注剂三者按质量比为1:1:0. I O. 3配制而成；注浆终压为2-5Mpa。
2.根据权利要求I所述的大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法，其特征在于在最上面的第一排钻孔与巷道顶板之间还开设有第四排钻孔，第四排钻孔与最上面的第一排钻孔的间距为O. 3m，第四排钻孔的孔距为3. Om ;第四排各钻孔的向上倾角为·2。、孔深不小于55m ;第四排钻孔的施工工艺与上述步骤2)中的钻孔施工工艺相同。
全文摘要
本发明为一种大采高工作面过特殊地质的深孔预注浆加固顶板方法，防止了大采高工作面因特殊地质条件容易发生顶板局部冒落事故；同时，也解决了现有水泥浆液超前加固特殊地质效果不好、高分子浅部注浆成本昂贵等问题。在巷帮上由上至下按交叉状布置三排钻孔，并调整各钻孔的角度、控制终孔位置，起到多点、多面的有效距离加固；每个钻孔开孔后先下入108套管并用浆液固结，然后每个孔向前每钻进5m注浆一次，待初凝后扫开继续钻进下一段次，施工过程遵循进尺5.0m一个小循环，等凝固后，扫孔继续钻进直至达到设计深度结束。本发明方法加固效果好、参数合理、施工简单、成本低廉、安全可靠等优点，特别适合于大采高工作面特殊地质的加固。
文档编号E21D11/10GK102877857SQ20121035760
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者杨文斌, 王永革, 田书龙, 张育恒, 蔺吉胜, 胡红伟, 郑学亮, 曹雪芹, 成国清, 徐慧芳, 杨文晖, 曹建波 申请人:山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司