一种土型注浆钻孔布置及注浆方法与流程

本发明涉及煤矿安全开采领域，特别是涉及一种土型注浆钻孔布置及注浆方法。

背景技术：

安全开采一直是煤炭领域永恒的主题，而降低吨煤成本也是煤炭企业一直在追求的目标，特别是在目前经济转型和煤炭形势低迷的情况下，一方面，煤炭产能过剩，另一方面，某些地方资源逐渐枯竭，同时大部分煤矿都在亏损，主要原因之一是煤炭开采成本过高，成本高导致煤炭竞争力大幅下降，同时为了在大环境下维持运营，经常亏本销售，从而导致很多煤矿企业亏损，形成恶性循环，因此在规划新的采区或者开采新的煤层时，需要详细规划，摒除以前粗放式开采方法，尽量提高资源采出率，同时降低成本，因此，急需一种新的土型注浆钻孔布置及注浆方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种安全可靠、经济实用、能大大提高煤炭采出率的土型注浆钻孔布置及注浆方法，在倾斜煤层开采时，将以前留设的防水防砂煤柱，通过人工注浆增加关键层，保证安全开采。

一种土型注浆钻孔布置及注浆方法，包括如下步骤：

步骤一、确定注浆平面的位置：将所述注浆平面的位置设计为：在煤层以上40-80m区间内的岩层中，岩层强度与厚度乘积最大的的岩层底板下方10m处，所述煤层为倾斜煤层，所述注浆平面与所述煤层平行设置；

步骤二、布置钻孔：在煤层开采中会确定工作面倾斜长和工作面走向长，钻孔采用倾斜钻孔和水平钻孔相结合的方式，所述倾斜钻孔的整体都设置在所述注浆平面上，每个所述倾斜钻孔均连接有多对所述水平钻孔，多对所述水平钻孔均处于不同的高度上，所述倾斜钻孔和每个所述水平钻孔之间通过曲线钻孔进行连接，所述曲线钻孔的一端与所述倾斜钻孔连接，另一端与所述水平钻孔连接；

设计所述倾斜钻孔和所述水平钻孔的位置和参数并开始钻孔；

步骤三、注浆：包括浆液的选择和注浆，注浆完成后形成坚硬人工注浆层，进行煤层的开采。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，所述注浆平面的一侧边缘与所述煤层在所述注浆平面的投影的同一侧的边缘之间的距离为A＝0.15hcscθ，h为煤柱高度，单位为m，θ为煤层倾角；

h的计算方法为：

当煤层倾角θ在0～60°范围内时，有如下三种情况：

煤层直接顶的岩石强度为坚硬岩石时：

煤层直接顶的岩石强度为中等强度岩石时：

煤层直接顶的岩石强度为软岩时：

其中，H为煤层厚度，单位为m；n为分层开采的层数，n在一次采全高的情况下计为1，在分层开采时计为2；

所述岩石强度的确定方式为：以饱和单轴抗压强度为判断标准，单位为MPa；当饱和单轴抗压强度f_饱＞45时，岩石为坚硬岩石；当10＜f_饱＜45，岩石为中等强度岩石；当f_饱＜10时，岩石为软岩；

当煤层倾角θ大于60°时，h直接确定为40m。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，对钻孔进行注浆后，浆液的扩散半径为15～20m；所述钻孔的设置方式包括在工作面倾斜长方向上确定水平钻孔的布置数量和位置以及在工作面走向长方向上确定倾斜钻孔的布置数量和位置。

4、根据权利要求3所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其特征在于：在工作面倾斜长方向上所述水平钻孔的排数为x，为整数，计算公式为B/t，B为注浆平面的宽度，单位为m，计算公式为B＝0.15·h·cscθ*2+h·cscθ＝1.3h·cscθ，t为倾斜钻孔上相邻两对水平钻孔之间的距离，单位为m；分以下两种情况确定x的数值：

B/t的计算结果的整数为F，如计算结果不带小数，则x＝F，如计算结果带有小数，则x＝F+1。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，在工作面走向长方向上，所述倾斜钻孔的排数为y，为整数，计算公式为L/2p，L为工作面走向的设计长度，单位为m，p为所述水平钻孔的走向距离最大设计值，单位为m；分以下两种情况确定y的数值：

L/2p的计算结果的整数为E，如计算结果不带小数，则y＝E，如计算结果带有小数，则y＝E+1；

计算得到在工作面走向长方向上倾斜钻孔的布置数量，确定在所述注浆平面上的钻孔位置，所述倾斜钻孔和所述水平钻孔在所述注浆平面上均匀分布。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，所述曲线钻孔的整体结构为半径R＝B/2x的圆环的1/4，单位为m，所述水平钻孔的长度为L/4-R，单位为m。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，t为35m，工作面倾斜长C为200m，工作面走向长L为2000m，p为550m，接顶f_饱＝40MPa，煤层倾角θ为31°，H为3.6m，一次采全高，n＝1，则直接顶为中等强度岩石，则h为51m，B为130m，计算得到y为2，x为4。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，在注浆过程中，前五分之三的注浆量采用第一注浆液，后五分之二的注浆量采用第二注浆液。

本发明所述的土型注浆钻孔布置及注浆方法，其中，所述第一注浆液采用P.O42.5标号的普通硅酸盐水泥，水灰比0.55:1～0.60:1，选用3％的水玻璃作为速凝剂，选用6‰的CaCl₂作为早强剂，百分比均为相对所述普通硅酸盐水泥的重量百分比，注浆压力控制在7MPa以内；

所述第二注浆液采用超细水泥，其水泥浆液中最大颗粒不超过24μm，水灰比为0.65:1～0.75:1，选用2％的水玻璃作为速凝剂，注浆压力为11MPa。

本发明土型注浆钻孔布置及注浆方法与现有技术不同之处在于：

本发明土型注浆钻孔布置及注浆方法是针对任何新开采的煤层或者工作面，本发明目的是提高煤层开采上限，注浆置换煤柱，保证安全开采，同时利用地面注浆进行沿空留巷，同时本发明是针对走向长壁采煤法的。本发明土型注浆钻孔布置及注浆方法主要包括注浆，人为增加一层坚硬关键层，以此关键层代替并置换原先的煤柱，提高煤炭采出率，本发明是一种安全可靠、经济实用、能大大提高煤炭采出率的煤炭开采设计方法。

本发明还具有如下优点：

在煤层以上40-80m以内的岩层中，岩层强度与厚度乘积最大的的岩层下方10m处设置注浆平面，然后沿着煤层倾斜方向打倾斜钻孔，然后打水平钻孔，这样人为增加了一层关键层，以关键层置换煤柱，多开采处将近一个工作面的煤炭，按照3.5m采高计算，3.5*2000*200*0.9＝126万吨，吨煤价格420，即5亿的销售额；

一个倾斜钻孔，多对水平钻孔，极大地降低了成本，因为距离地面较近，所以注浆压力和输送距离都完全在合理范畴之内；

优化各项参数，保证工艺实施安全可靠。

下面结合附图对本发明的土型注浆钻孔布置及注浆方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中注浆平面和煤层的相对位置的立体示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明中倾斜钻孔和多对水平钻孔的布置示意图；

图4为本发明中一个倾斜钻孔和水平钻孔的结构示意图；

图5为本发明中另一个方向上倾斜钻孔和多对水平钻孔的布置示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～图5所示，本发明土型注浆钻孔布置及注浆方法包括如下步骤：

步骤一、确定注浆平面1的位置：将注浆平面1的位置设计为：在煤层2以上40-80m区间内的岩层中，岩层强度与厚度乘积最大的的岩层底板下方10m处，煤层2为倾斜煤层，注浆平面1与煤层2平行设置；

步骤二、布置钻孔：在煤层2开采中会确定工作面倾斜长和工作面走向长，钻孔采用倾斜钻孔3和水平钻孔4相结合的方式，倾斜钻孔3的整体都设置在注浆平面1上，每个倾斜钻孔3均连接有多对水平钻孔4，多对水平钻孔4均处于不同的高度上，倾斜钻孔3和每个水平钻孔4之间通过曲线钻孔6进行连接，曲线钻孔6的一端与倾斜钻孔3连接，另一端与水平钻孔4连接；

设计倾斜钻孔3和水平钻孔4的位置和参数并开始钻孔；

步骤三、注浆：包括浆液的选择和注浆，注浆完成后形成坚硬人工注浆层5，进行煤层2的开采。

注浆平面1仅为一个平面，在给倾斜钻孔3和水平钻孔4注浆后，浆液从注浆平面1开始上下左右方向扩散，因为扩散半径一般是一定的，所以最终形成了具有一定厚度、长度和宽度的长方体，即坚硬人工注浆层5。

以上技术方案可以完成本发明的目的，在此基础上，本发明给出了如下效果更好的优选方案：

注浆平面1的一侧边缘与煤层2在注浆平面1的投影的同一侧的边缘之间的距离为A＝0.15hcscθ，h为煤柱高度，单位为m，θ为煤层倾角；即注浆平面1比煤层2的平面大一圈，宽度和长度均比煤层2的宽度和长度大2A的距离。

h的计算方法为：

当煤层倾角θ在0～60°范围内时，有如下三种情况：

煤层直接顶的岩石强度为坚硬岩石时：

煤层直接顶的岩石强度为中等强度岩石时：

煤层直接顶的岩石强度为软岩时：

其中，H为煤层厚度，单位为m；n为分层开采的层数，n在一次采全高的情况下计为1，在分层开采时计为2；

岩石强度的确定方式为：以饱和单轴抗压强度为判断标准，单位为MPa；当饱和单轴抗压强度f_饱＞45时，岩石为坚硬岩石；当10＜f_饱＜45，岩石为中等强度岩石；当f_饱＜10时，岩石为软岩；

当煤层倾角θ大于60°时，h直接确定为40m。

钻孔布置：考虑到现有注浆技术的技术水平，在保证安全效果的情况下，钻孔的布置方式设计为一根倾斜钻孔3连接4对水平钻孔4，一般注浆压力之下浆液扩散半径都能达到15-20m左右，因此，根据煤柱参数布置钻孔，钻孔布置方式如下：

倾斜钻孔3和每个水平钻孔4之间通过曲线钻孔6进行连接，曲线钻孔6数量为8个，一端与倾斜钻孔3连接，另一端与水平钻孔4连接。每对水平钻孔4的高度不同。

对钻孔进行注浆后，浆液的扩散半径为15～20m；钻孔的设置方式包括在工作面倾斜长方向上确定水平钻孔4的布置数量和位置以及在工作面走向长方向上确定倾斜钻孔3的布置数量和位置。

在工作面倾斜长方向上水平钻孔4的排数为x，为整数，计算公式为B/t，B为注浆平面1的宽度，单位为m，计算公式为B＝0.15·h·cscθ*2+h·cscθ＝1.3h·cscθ，t为倾斜钻孔3上相邻两对水平钻孔4之间的距离，单位为m；分以下两种情况确定x的数值：

B/t的计算结果的整数为F，如计算结果不带小数，则x＝F，如计算结果带有小数，则x＝F+1。

在工作面走向长方向上，倾斜钻孔3的排数为y，为整数，计算公式为L/2p，L为工作面走向的设计长度，单位为m，p为水平钻孔4的走向距离最大设计值，单位为m；分以下两种情况确定y的数值：

L/2p的计算结果的整数为E，如计算结果不带小数，则y＝E，如计算结果带有小数，则y＝E+1；

计算得到在工作面走向长方向上倾斜钻孔3的布置数量，确定在注浆平面1上的钻孔位置，倾斜钻孔3和水平钻孔4在注浆平面1上均匀分布。

曲线钻孔6的整体结构为半径R＝B/2x的圆环的1/4，单位为m，水平钻孔4的长度为L/4-R，单位为m。

倾斜钻孔3在煤层2以上40-80m区间内的岩层中岩层强度与厚度乘积最大的的岩层底板以下10m处，因为注浆扩散半径一般都在15-20m，R的长度为R＝B/2x(m)，且其值小于20m，所以，煤层上方40-80m区间内的岩层强度与厚度乘积最大的的岩层10m板处下方会人工形成一层关键层，与上方的岩层通过注浆构成了一层坚硬的30-40m以上的高强度坚硬岩层，即坚硬人工注浆层5，下方的岩石经过垮落，垮落的碎石会有一定的碎胀系数，经过模拟研究，人工构造的关键层坚固安全。

一般的注浆过程中，很多用到水泥加膨润土浆液，膨润土膨胀之后，填充较大的岩石中孔隙，减少浆液流失，可以节约浆液，降低成本，本发明结合本发明实施条件，考虑到本次注浆是在开采之前即注浆，因此不用担心地层破坏等造成的裂隙较大，浆液流失等问题，同时考虑到节约钻孔数量，因此应该尽可能使注浆半径达到15-20m，因此，采用普通水泥液浆注浆加固，但是调整材料比率，延长终凝时间，紧接着改用超细水泥浆液，增大注浆压力，扩大注浆半径，具体选择如下；

在注浆过程中，前五分之三的注浆量采用第一注浆液，后五分之二的注浆量采用第二注浆液；

第一注浆液采用P.O42.5标号的普通硅酸盐水泥，水灰比0.55:1～0.60:1，选用3％的水玻璃作为速凝剂，选用6‰的CaCl₂作为早强剂，百分比均为相对普通硅酸盐水泥的重量百分比，注浆压力控制在7MPa以内；0.55:1～0.60:1的水灰比终凝时间最长，速凝剂和早强剂含量都偏低，因为煤层没开采，根本不需要过早的强度，减小析水量；

对比试验：

普通硅酸盐水泥，3％的水玻璃，6‰的CaCl₂作为早强的配比在不同水灰比下的性能参数比较：水灰比0.55:1-0.60:1的试验试块28天抗压强度明显大于其他水灰比，同时初凝时间和终凝时间虽然不是最长，但跟最大值差距较小，且考虑到其与高水灰比的成本关系，水灰比0.55:1，相比较0.85:1的成本大大降低，因此0.55:1-0.60:1最合适。

第二注浆液采用超细水泥，其水泥浆液中最大颗粒不超过24μm，超细水泥其流动性和析水性明显优于普通水泥，能稳定渗透第一层普通水泥浆液，同时穿过密致细砂岩等细小孔隙的岩层，扩大扩散半径，水灰比为0.65:1～0.75:1，选用2％的水玻璃作为速凝剂，注浆压力为11MPa，水灰比0.65:1-0.75:1这样可以保证抗压强度在22MPa以上，选用2％的水玻璃作为速凝剂，可延长终凝时间。

对比试验：

超细水泥浆液性能和流动性都比普通水泥有显著改善，2％的水玻璃配比超细水泥在不同水灰比下的性能参数比较：水灰比0.65:1-0.75:1的试验试块各时间段抗压强度明显大于其他水灰比，同时初凝时间和终凝时间也是最大值，因此0.65:1-0.75:1的水灰比最合适。

总之，考虑到本注浆过程对早强时间几乎没有任何要求，果断改变传统注浆参数和思路，获得更好的注浆效果，并大大降低成本。

实施例2

在实施例1的基础上，各参数设置为：

t为35m，工作面倾斜长C为200m，工作面走向长L为2000m，p为550m，接顶f_饱＝40MPa，煤层倾角θ为31°，H为3.6m，一次采全高，n＝1，则直接顶为中等强度岩石，则h为51m，B为130m，计算得到y为2，x为4。

p的最大设计值是我们在实际注浆过程中逐步得出来的一个经验值，当超过550m时，增大注浆压力，550m以外也很难再取得较好的注浆效果。

注浆过程中，套管护孔，待孔内注入套壳料并下入袖阀管后，才将套管提出孔外直径；注浆钻孔的参数：

倾斜钻孔3直径145mm，下注浆管兼套管，保护倾斜钻孔3孔壁并注浆，注浆管兼套管内径125mm，水平钻孔4直径130mm，下水平钻孔4注浆管，注浆管内径95mm，注浆管兼套管和水平钻孔4注浆管均为现有技术。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。