一种大采深大采高复合顶工作面煤壁注浆参数优化方法与流程

本发明涉及煤矿开采领域，具体为一种大采深大采高复合顶工作面煤壁注浆参数优化方法。

背景技术：

工作面煤壁注浆参数优化设计方法作为一种重要的注浆参数优化方法,其一直以来都是相关领域内研究的重点。其以注浆参数为优化对象,根据给定的工作面具体情况,按某种目标如加固效果最好、成本最低等分析得到最优注浆参数。

目前对注浆参数优化设计的研究也不在少数,但仍存在以下几点问题：①注浆加固效果差，由于相关注浆参数设置不当，工作面注浆后，未达到预期加固效果，片帮现象依然严重；②注浆成本过高，在逐渐过程中为了提升煤壁加固效果，盲目加大单孔注浆量，导致注浆液损耗较大。在专利申请号是：201610005805.4，专利名称是：“一种三软煤层煤壁注浆钻孔增大煤岩体强度方法”中叙述了一种煤壁注浆的具体实施措施，但未涉及根据工作面片帮程度的具体情况进行分析从而对注浆参数进行优选，因此用此方法对工作面进行注浆时，有可能会由于参数选取不当，造成注浆效果差，成本过高等问题，例如，在此专利中未说明注浆量及选取原则，所以在实践应用时，可能会出现盲目加大注浆量的情况，导致浆液损失严重，加大注浆成本，此外，此专利也没有涉及钻孔深度及选择方法，钻孔深度不明，在实际应用当中，可能由于深度选取过大或过小从而导致煤壁加固效果差，效率低，成本过高等问题。鉴于上述存在的问题，发明一种工作面注浆参数优化设计方法是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大采深大采高复合顶工作面煤壁注浆参数优化方法，以解决上述背景技术中提出的由于不能合理注浆而导致注浆加固效果差和注浆成本过高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大采深大采高复合顶工作面煤壁注浆参数优化方法，包括顶板、工作面、底板和煤体，包括如下步骤：

a、实地检测煤体的普氏硬度系数f、工作面内裂隙的组数m和间距n以及规则情况、工作面仰角α、煤壁片帮发生的位置以及深度p、顶板冒顶的高度h；

b、根据步骤a的检测结果；

若符合如下的全部标准：

普氏硬度系数f≥3，密闭裂隙的组数m有1～2组且裂缝规则,裂缝间距n≥1米，工作面仰角α≤20°，片帮发生在工作面中部以及片帮深度p≤2米,顶板无冒顶情况；则记为情况一；

c、若全部符合如下标准：

普氏硬度系数1.5≤f<3，密闭裂隙的组数m有2～3组且裂缝规则呈x型，裂缝间距0.4≤n<1米，工作面仰角20°<α≤45°，片帮发生在工作面顶部和中部以及片帮深度2<p≤3.5米,顶板冒顶的高度h≤0.5米；则记为情况二；

d、若有部分或全部均不符合步骤a和步骤b中的标准，或全部符合如下标准：

普氏硬度系数f<1.5，张开裂隙的组数m>3组且裂缝不规则，裂缝间距n<0.4米，工作面仰角α>45°，片帮发生在工作面顶部、中部和底部以及片帮深度p>3.5米,顶板冒顶的高度h>0.5米；则记为情况三；

e、对于步骤b中的情况一，按照如下的注浆施工要求：

注浆区域选择在工作面中部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排取为3m；钻孔深度为5m；注浆压力选取2～3mpa；单孔浆液注入量为150kg～200kg；

f、对于步骤c中的情况二，按照如下的注浆施工要求：

注浆区域选择在工作面中部和顶部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排取为3m；钻孔深度为5m；注浆压力选取2～3mpa；单孔浆液注入量为150kg～200kg；顶部注浆孔与顶板夹角为15°：

g、对于步骤d中的情况三，按照如下的注浆施工要求：

注浆区域选择在工作面顶部、中部与底部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排距为3m；注浆孔深度为8m；注浆压力取4mpa；单孔注浆量为200kg～250kg；顶部注浆孔与顶板夹角为15°；底部注浆孔与底板夹角为15°。

进一步地，步骤e、f和g中，所述单孔浆液注入量q＝λπr²kηβ/v；

式中：q—单孔浆液注入量；

λ—浆液损失系数，取1.2～1.5；

r—浆液扩散半径；

k—浆液段高；

η—岩层裂隙率，一般取0.5％～3％；

β—浆液在裂隙内的有效充填系数，一般取0.8％～0.9％；

v—结石率。

进一步地，步骤g中，钻孔深度为8米时，增加注浆压力至原来的1.1倍。

进一步地，工作面每天推进不大于5m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对工作面不同的实际情况，按照分等级对待，使得整体的施工在满足安全生产的前提下，用料最省，达到最好的资源配置。

附图说明

图1为本发明情况一沿煤层走向注浆孔布置剖面图；

图2为本发明沿情况一煤层倾斜方向注浆孔布置剖面图；

图3为本发明情况二沿煤层走向注浆孔布置剖面图；

图4为本发明沿情况二煤层倾斜方向注浆孔布置剖面图；

图5为本发明情况三沿煤层走向注浆孔布置剖面图；

图6为本发明沿情况三煤层倾斜方向注浆孔布置剖面图。

图中：1-顶板；2-工作面；3-煤体；4-中部钻孔；5-顶部钻孔；6-底部钻孔；7-底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在大采深大采高复合顶工作面采煤作业时，由于每个位置的煤壁的硬度不同，工作面倾角不同，以及其他容易造成片帮的不同情况。在传统作业中，一般凭借工人的经验注浆。对于本发明中煤壁注浆参数优化设计方法，包括顶板1、工作面2、底板7和煤体3，包括如下步骤：

在实际现场，先进行步骤a，实地检测煤体3的普氏硬度系数f、工作面2内裂隙的组数m和间距n以及规则情况，工作面2仰角α、煤壁片帮发生的位置以及深度p、顶板1冒顶的高度h；

在如图1和2中，步骤b根据步骤a的检测结果；若符合如下的全部标准：

普氏硬度系数f≥3煤体硬度高，密闭裂隙的组数m有1～2组且裂缝规则,裂缝间距n≥1米，存在裂隙，但节理不发育；工作面2仰角α≤20°，仅工作面中部存在轻微煤壁片帮，片帮发生在工作面2中部以及片帮深度p≤2米,顶板1无冒顶情况；则记为情况一。当记为情况一的时候，此时工人会按照步骤e的操作方法，选择注浆区域选择在工作面2中部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排距为3m；钻孔深度为5m；注浆压力为2～3mpa；单孔浆液注入量为150kg～200kg。此时，仅需要在工作面2中部做出中部钻孔4处，通过中部钻孔4往煤体3内注入浆液。

在如图3和4中，假设煤体3符合步骤c中的全部标准：

普氏硬度系数1.5≤f<3，煤体较硬，密闭裂隙的组数m有2～3组且裂缝规则呈x型，裂缝间距0.4≤n<1米，裂隙，节理较为发育，工作面2仰角20°<α≤45°，片帮发生在工作面2顶部和中部以及片帮深度2<p≤3.5米,顶板1冒顶的高度h≤0.5米；则记为情况二。对于情况二，工人的操作方法按照步骤f的注浆施工要求，注浆区域选择在工作面2中部和顶部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排距为3m；钻孔深度为5m；注浆压力为2～3mpa；单孔浆液注入量为150kg～200kg；顶部注浆孔与顶板1夹角为15°。此时，需要在工作面2中部和顶板1做出中部钻孔4和顶部钻孔5，通过中部钻孔4和顶部钻孔5往煤体3内注入浆液。

在如图5和6中，在步骤d中，若煤体3中若有部分或全部均不符合步骤a和步骤b中的标准，由于不符合情况一和情况二的，或全部符合如下标准，则：普氏硬度系数f<1.5，煤体较软，张开裂隙的组数m>3组且裂缝不规则，裂缝间距n<0.4米，裂隙，节理发育，工作面2仰角α>45°，片帮发生在工作面2顶部、中部和底部以及片帮深度p>3.5米，煤壁片帮十分严重，即工作面上中下部都出现片帮现象,顶板1冒顶的高度h>0.5米，且易引起顶板1大面积冒顶；则记为情况三；对于情况三则按照步骤d中的注浆施工要求：注浆区域选择在工作面2顶部、中部与底部；注浆孔直径为42mm；钻孔的间排距为3m；注浆孔深度为8m；注浆压力为4mpa；单孔注浆量为200kg～250kg；顶部注浆孔与顶板1夹角为15°。此时，需要在工作面2中部和顶板1做出中部钻孔4、顶部钻孔5和底部钻孔6，通过中部钻孔4、顶部钻孔5和底部钻孔6往煤体3内注入浆液。底部注浆孔与底板7夹角为15°。针对这三种情况，工作面2每天推进不大于5m。

在上述的情况一、情况二和情况三中，步骤e、f和g中，所述单孔浆液注入量q＝λπr²kηβ/v；工人利用检测的数据结合该公式得到需要加注多少浆液。式中：q—单孔浆液注入量；λ—浆液损失系数，取1.2～1.5；r—浆液扩散半径；k—浆液段高；η—岩层裂隙率，一般取0.5％～3％；β—浆液在裂隙内的有效充填系数，一般取0.8％～0.9％；v—结石率。

在实际现场中，对于深度较长的长距离钻孔注浆时候，比如步骤g中，钻孔深度为8米或8米以上，需要增加注浆压力至原来的1.1倍，高压由于注浆材料渗入岩层内。

本发明在针对不同工作面中煤体3、顶板1和底板7的实际情况，得出合理有效的注浆参数，根据现场实际应用反馈，煤壁片帮与冒顶现象减少90％以上，注浆效率提高了20％，注浆成本仅为原来的70％，是注浆参数优化设计方法上的创新,具有重要的社会经济意义。即根据工作面的具体情况，对片帮程度进行分级，根据等级不同，选取合适的注浆深度，注浆量等相关参数，此方法可提升煤壁加固效果、提高注浆效率、降低成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。