一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法及注浆装置与流程

本发明属于煤层破碎顶板注浆加固的领域，涉及一种防止特厚破碎顶板垮落对工作面液压支架和煤壁造成影响的方法，尤其是一种地面钻孔至煤层特厚破碎顶板注浆加固的方法。

背景技术

我国部分煤矿工作面上方存在着较厚的直接顶，顶板易破碎，其主要有岩层厚度大、岩层强度低、裂隙发育成度高、整体性差、自稳能力低等特点，导致开采过程中工作面顶板和巷道顶板出现冒落现象，三角区出现煤壁片帮、顶板漏顶、冒顶，液压支架压架等安全隐患。引起这一现象的主要因素有顶板岩层自身物理力学性质差、工作面开采反复扰动、局部构造等因素。

工作面破碎顶板允许暴露的时间短，暴露面积较小，若得不到及时支护和控制，将发生漏顶事故，且漏顶范围将越来越大。为了防止破碎顶板发生漏垮型事故，需在局部发生漏顶以前就提前进行控制。

以往技术主要采用加强地质勘探、加强施工管理、超前支护、构造处提前支护、巷道处钻孔注浆等方法进行破碎顶板的支护与控制，但破碎顶板并不能得到完全有效的控制，特别是工作面具有较厚的易破碎顶板时，采用井底钻孔注浆效果一般，首先，易碎顶板厚度较大，工程量较大；其次，井下钻孔施工角度限度较大，钻孔很难达到设计的要求，导致注浆效果较差；最后，井下顶板钻孔注浆范围小、封孔难度大、浆液易外流、注浆效果差。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法及注浆装置，以至少解决目前顶板钻孔施工角度限制较大，注浆范围小，封孔难度大，浆液易外流，注浆效果差等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1，根据工作面顶板以及地面情况，依次进行钻孔；

步骤s2，选取注浆材料、确定注浆参数，安装注浆装置；

步骤s3，依次进行注浆。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法中，优选地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

步骤s11，根据工作面顶板破碎情况，确定钻孔的密度和布置方式及钻孔直径大小；

步骤s12，根据工作面煤层破碎顶板的海拔高度和产状以及地面钻孔处的海拔高度，确定每一个地面钻孔的深度；

步骤s13，根据工作面推进方向，按照工作面推进的方向依次进行钻孔。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法中，优选地，所述步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s21，选取马丽散液态高分子树脂材料作为注浆材料，其中a料和b料按体积1∶1进行配比；

步骤s22，取样测试煤层顶板的浆液扩散半径γ、裂隙率n和浆液在裂隙内的有效充填系数β；

步骤s23，确定注浆压力和注浆浆液量；

注浆压力根据不同煤层顶板岩性有部分差异，注浆压力选取范围5mpa～8mpa，注浆浆液的用量根据浆液扩散半径γ和裂隙率n进行计算，

q＝2πγhnβ

式中：q-浆液注入量；

γ-浆液扩散半径；

h-注浆段长度；

n-裂隙率；

β-浆液在裂隙内的有效充填系数(β的取值范围0.3～0.9)；

步骤s24、安装注浆装置准备注浆。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法中，优选地，所述步骤s3中，每一个孔注浆结束后，立即用润滑油清洗管路，以免混合浆液在管路内凝固。

如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的方法，优选地，所述步骤s2中的注浆装置包括：

储料罐，所述储料罐用于储存注浆浆液原料，所述储料罐包括储料罐a和储料罐b；

吸料管，所述吸料管包括吸料管a和吸料管b，所述吸料管a和吸料管b的进料端分别与储料罐a和储料罐b的出料口相连通，所述吸料管a和吸料管b的出料端与浆料混合装置的进料端相连通；

浆料混合装置，所述浆料混合装置包括吸料泵和搅拌装置，用于吸取浆料并搅拌混合，所述浆料混合装置的出料端与混合料输料管的进料端相连通；

混合料输料管，所述混合料输料管的出料端与高压注浆泵的输入端相连通；

高压注浆泵，所述高压注浆泵的输出端与高压输浆管的进料端相连通；

高压输浆管，所述高压输浆管的出料端与高压浆液注射枪的接头相连通；

高压浆液注射枪，所述高压浆液注射枪另一端呈圆锥形封闭状，方便放入深孔，所述高压浆液注射枪枪管呈圆柱状，所述高压浆液注射枪管壁上均布有注浆孔。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置中，优选地，所述浆料混合装置所包括吸料泵分为吸料泵a和吸料泵b，所所述吸料泵a和吸料泵b分别与吸料管a和吸料管b的出料端相连通。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置中，优选地，所述吸料泵a和吸料泵b均为计量泵，能够精准控制吸料的流量，方便控制所述搅拌装置内两种浆料的体积比例。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置中，优选地，所述高压输浆管上设置有用于观察注浆压力的压力表和用于观察注浆流量的流量计。在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置中，优选地，所述高压浆液注射枪包括接头、注浆筒、和圆锥状的封闭头，所述高压浆液注射枪接头尺寸不变，所述注射筒直径、长短、注浆孔密度设置有多套规格。

在如上所述的一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置中，优选地，所述吸料管a和吸料管b的出料口分别与三通阀a和三通阀b的进料口相连通，所述三通阀a和三通阀b的出料口分别与吸料泵a和吸料泵b的输入端相连通；所述三通阀a和三通阀b的换向口分别与冲洗油管a和冲洗油管b的出料端相连通；所述冲洗油管a和冲洗油管b的进料端分别与冲洗料罐的出料口相连通；所述三通阀a和三通阀b均为合流三通阀。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

在本发明提供的技术方案中，经过地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固以后，破碎顶板岩层弱面的力学特性得到有效改善，通过充分的注浆，使岩层本身裂隙及层间的内摩擦角和粘聚力也显著提高；较之井下钻孔注浆，地面钻孔注浆施工的目的性强，操作空间较大，施工操作方便，一次注浆扩散区域大，不需要专门进行封孔，降低了钻孔注浆的技术难度，注浆设备配置合理，注浆浆液配比均匀，压力稳定可控，注浆效果得到有效提高，大大提高了煤层破碎顶板的整体强度，并减少了一定的工作量；对特厚、较厚煤层破碎顶板的加固有显著的进步效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明具体实施例的注浆方法的流程图；

图2为图1的步骤s1的具体流程图；

图3为图1的步骤s2的具体路程图；

图4为本发明具体实施例的高压注浆装置结构示意图；

图5为本发明具体实施例的高压浆液注射枪结构示意图；

图6为本发明具体实施例的煤层顶底板示意图；

图7为地面钻孔布置示意图。

图中：1、储料罐a；2、储料罐b；3、吸料管a；4、吸料管b；5、浆料混合装置；6、混合料输料管；7、高压注浆泵；8、高压输浆管；9、高压浆液注射枪；10、高压浆液注射枪出液孔；11、地面钻孔；12、表土层；13、煤层上部岩层；14、顶板破碎岩层；15、煤层；16、冲洗油管a；17、冲洗油管b；18、冲洗料罐。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的实施例，如图4所示，一种地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固的注浆装置，注浆加固装置包括：储料罐、吸料管、冲洗油管、冲洗料罐18、浆料混合装置5、混合料输料管6、高压注浆泵7、高压输浆管8、高压浆液注射枪9。

储料罐，储料罐用于储存注浆浆液原料，储料罐包括储料罐a1和储料罐b2；储料罐a1和储料罐b2分别用于盛放本实施例所采用的注浆材料马丽散a料和马丽散b料。

吸料管，吸料管包括吸料管a3和吸料管b4，吸料管a3和吸料管b4的进料端分别与储料罐a1和储料罐b2的出料端相连通；吸料管a3和吸料管b4的出料端分别与三通阀a和三通阀b的进料口相连通；三通阀a和三通阀b的换向口分别与冲洗油管a16和冲洗油管b17的出料端相连通，冲洗油管a16和冲洗油管b17的进料端分别与冲洗料罐18的出料口相连通；三通阀a和三通阀b的出料口分别与吸料泵a和吸料泵b的进料口相连通；通过两个合流三通阀可以切换吸入物料，实现注浆吸料过程和冲洗吸油随时切换。

浆料混合装置5，浆料混合装置5包括吸料泵和搅拌装置，用于按比例吸取浆料并将浆料充分搅拌混合，浆料混合装置5的进料端与吸料管a3和吸料管b4的出料端相连接，浆料混合装置5的进料端与混合料输料管6的进料端相连接；浆料混合装置5的吸料泵采用两个相同型号的计量泵分别是吸料泵a和吸料泵b，计量泵不受混合装置内压力的影响，能够精准控制吸取浆料的流量，方便精准控制所述搅拌装置内两种浆料的体积比例。

混合料输料管6，混合料输料管6的出料端与高压注浆泵7的输入端相连接。

高压注浆泵7，高压注浆泵7的输出端与高压输浆管8的进料端相连接。

高压输浆管8，高压输浆管8的出料端与高压浆液注射枪9相连接；为便于观察注浆压力与注浆流量，高压输浆管上设置有压力表和流量计。

高压浆液注射枪9，高压浆液注射枪9一端与所述高压输浆管相连通，高压浆液注射枪9另一端呈圆锥形封闭状，方便放入深孔，高压浆液注射枪9枪管呈圆柱状，高压浆液注射枪9管壁上均布有注浆孔。高压浆液注射枪9接头尺寸不变，便于连接高压输浆管8。为配合不同地质情况和钻孔直径的不同，高压浆液注射枪9直径有120mm、200mm、300mm，高压浆液注射枪9的长度等于破碎顶板厚度减去浆液扩散半径γ。

其中，高压注射枪枪管外径不小于所述高压输浆管8的外径。

根据本发明的实施例，如图1、图2和图3所示，本发明还提供了地面钻孔11至煤层15破碎顶板注浆加固的方法，注浆加工方法包括如下步骤：

s1，根据工作面顶板以及地面情况，依次进行钻孔：

取样测试煤层15顶板的顶板厚度、浆液扩散半径γ、裂隙率n和浆液在裂隙内的有效充填系数β；根据工作面顶板破碎情况，确定钻孔的密度和布置方式及钻孔直径大小；钻孔密度的布置依据浆液扩散半径γ而定，确保布置的钻孔密度在注浆后刚好可以实现浆液对煤层15破碎顶板的全覆盖，钻孔直径有120mm、200mm、300mm三种尺寸供选择，优选120mm；高压浆液注射枪9直径、钻孔直径的选择与裂隙率n的关系见下表1：

表1高压浆液注射枪直径、钻孔直径的选择与裂隙率n的关系表

裂隙率n越高，说明顶板破碎程度越高，这样在破碎顶板处钻孔时，孔就越容易被破坏，因此选用较大的钻孔直径；裂隙率n越低，说明顶板破碎程度越低，围岩的稳定性越好，钻孔也越稳定，可以选用常用钻孔尺寸120mm。

根据工作面煤层15破碎顶板的海拔高度和产状以及地面钻孔11处的海拔高度，确定每一个地面钻孔11的深度；测量计算出工作面煤层15破碎顶板的底面和地面钻孔11处的海拔高度差，差值减去该处浆液扩散半径γ，即是该处钻孔的深度。

如图6、图7所示，根据工作面的推进方向，逐排依次进行钻孔，钻孔设备的钻头经过地面向下依次穿过表土层12、煤层上部岩层13，到达煤层15上方的顶板破碎岩层14，待到达钻孔深度后，停止钻孔，抽出钻具，单个钻孔作业完成。

按照同样的操作步骤依次进行下一个钻孔。

s2，选取注浆材料、确定注浆参数，安装注浆装置

选取马丽散液态高分子树脂材料作为注浆材料，其中a料和b料按体积1∶1进行配比；在本实施例中，a料选用树脂，b料选用催化剂。树脂和催化剂掺在一起时发生反应产生膨胀，生成多元网状密弹性体，当它被高压推挤，注入到破碎顶板缝隙内(在高压作用下可以使煤岩层的闭合裂隙张开)，可沿破碎顶板缝隙延展直到将所有裂隙(包括肉眼难以觉察的裂隙及在高压作用下重新张开的裂隙)充填。本实施例中，a料和b料的选用并没有先后顺序，也可a料选用催化剂，b料选用树脂。

确定注浆压力和注浆浆液量q；

注浆压力根据不同煤层15顶板岩性的不同有部分差异，注浆压力选取范围5～8mpa，注浆浆液的用量q根据浆液扩散半径γ和裂隙率n进行计算，

q＝2πγhnβ

式中：q-浆液注入量；

γ-浆液扩散半径；

h-注浆段长度；

n-裂隙率；

β-浆液在裂隙内的有效充填系数(β的取值范围0.3～0.9)；

根据注浆用量q备足马丽散材料，安装注浆装置准备注浆。

s3，依次进行注浆：

首先，选取合适尺寸的高压浆液注射枪9与高压输浆管8连接，并放入钻孔送至注浆位置；其次，将三通阀a和三通阀b阀门分别旋通至吸料管a3和吸料管b4；再次，调节吸料泵a和吸料泵b使其流量相同，打开浆料混合装置5开关，吸取浆料并混合均匀输送至高压注浆泵7处；然后，打开高压注浆泵7进行注浆，注浆过程中时刻关注高压输浆管8上压力表的压力和流量计的流量，当流量小于5l/min时，继续稳定注浆10～20min，当压力稳定在较高注浆压力8mpa左右时停止注浆，将注射枪抽出钻孔；最后，冲洗注浆管路：本钻孔注浆结束后，立即将三通阀a和三通阀b接通至冲洗油管a16和冲洗油管b17，使冲洗用润滑油通过冲洗料罐18被吸入注浆管路，清洗管路，以免混合浆液在管路内凝固；本孔注浆完成，进行下一个孔的注浆。

综上所述，本发明还具有如下有益技术效果：

在本发明提供的技术方案中，经过地面钻孔至煤层破碎顶板注浆加固以后，破碎顶板岩层弱面的力学特性得到有效改善，提高了其整体强度，使岩层本身裂隙及层间的内摩擦角和粘聚力也显著提高；较之井下钻孔注浆，地面钻孔注浆施工的目的性强，操作空间较大，施工操作方便，一次注浆扩散区域大，不需要专门进行封孔，降低了钻孔注浆的技术难度，注浆设备配置合理，注浆浆液配比精准均匀，压力稳定可控，注浆效果得到有效提高，大大提高了煤层破碎顶板的整体强度，并减少了一定的工作量。大大提高了特厚、较厚煤层破碎顶板的加固效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。