一种上向浆柱法注浆接顶充填方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种上向浆柱法注浆接顶充填方法。

背景技术：

目前煤矿充填法主要包括三个大类五个小类。三个大类分别为，1顶板离层注浆充填，2采空区固体充填，3采空区浆体充填。

顶板离层注浆是指从地面开凿钻孔至煤层顶板，煤矿开采后开成垮落带、离层带和弯曲下沉带。通过向离层注浆可以控制地表塌陷。但是存在以下缺点，1如果煤矿埋深较大，则钻孔深度大大增加，且需要以一定网度来布置钻孔，投资巨大。2离层带与垮落带相连，向离层带注浆必然导致流动性较好的浆体在重力作用下向下流动至垮落带，因此注浆量无法控制，导致技术经济不可能。

采空区固体充填需要采用专门的固体充填支架将充入采空区的废石或者煤矸石顶实压密。该技术存在以下缺点，1废石运输量大，且影响正常生产运输。2工作面需要停止推进留下专门的废石顶实压密作业时间，影响生产；3固体充填未添置胶凝材料，本身强度较低，在上部几百米厚岩层的巨大压力下仍然会下沉，对地表的控制力较差。

采空区浆体充填是指向采空区注入含水泥的似混凝土材料以支撑顶板，主要包括袋式注浆充填和底板埋管膏体充填。袋式注浆充填是指在液压支架后部悬挂囊袋作为混凝土模板，从支架顶部向囊袋内注浆混凝土防止其四溢扩散，待囊袋内充填体凝固后，工作面向前推进。底板膏体充填是指在工作面后部底板预埋好充填管道，等工作面堆进一定距离后，通过管道向采空区注浆充填。上述两种方法各有优缺点。袋式充填接顶率好强度高，但是严重影响生产进度，囊袋充满需要时间，料浆凝固也需要时间；底板埋管膏体充填由于管道布置在底部，因此无法接顶，且要控制注浆液的流动范围，防止向工作面跑浆，因此效率较低，无法对顶板实施有效的支撑。

限制采空区充填的关键在于采空区内部为松散破碎不稳定岩体，钻孔易塌孔、大块松散岩石的移动易导致注浆管断裂而无法注浆，而无法采用传统向岩体中钻孔注浆的方式进行接顶充填。

因此，本方法发明了一种在煤层底板相对稳定位置开凿注浆孔，通过速凝剂与缓凝剂的适时添加来控制充填材料的凝固性能和流动性能，来使料浆自动升高接顶且形成强度充填采空区控制顶板，解决地表塌陷的安全环保问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种上向浆柱法注浆接顶充填方法。

本发明提供了一种上向浆柱法注浆接顶充填方法，该方法是在煤层底部抽采巷道设置注浆孔，浆料沿注浆孔注入松散岩石堆积的采空区内部，并通过给浆料中添加速凝剂或缓凝剂的方式控制料浆流动性和凝固时间来达到充填材料自动上升接顶充填的目的。

较佳地，具体包括以下步骤：

首次注浆，在注浆料中添加速凝剂，控制首次注浆量，满足在煤层底板扩散凝结，形成初始注浆充填堆体，首次注浆的最后5-30min不添加速凝剂，使得首次注浆堆积体中部为缓凝物料，为二次注浆提供通道；

停泵1-60min，进行二次注浆；二次注浆料将在首层注浆料的上部堆积扩散，并保持同样的扩散度，二次注浆最后5-30min不添加速凝剂；

重复上述操作，料浆将形成分层逐步上升，达到采空区顶部。

较佳地，具体包括以下步骤：

煤层底板注浆充填，最后10min添加缓凝剂；

15～30min后继续充填，形成二次充填体，充填高度逐渐上升；最后10～30分钟添加缓凝剂，预留通道；

10～30min后继续充填，达到接顶充填；最后10～30min添加缓凝剂，为后期补浆创造条件。

较佳地，煤层底部抽采巷道内的注浆孔呈扇形上向分布。

较佳地，抽采巷道内的注浆孔等间距设置多排，注浆时，各排注浆孔沿倾斜方向先从下向上注一遍，每个注浆孔控制注浆量，然后再注第二遍，第二遍以注浆压力超过初始注浆压力1mpa为结束标准。

较佳地，注浆孔位于工作面后方30-50m；注浆扩散半径控制在30-40m。

较佳地，料浆进入采场后1天强度达到0.5mpa，28天强度达到2mpa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的上向注浆的核心在于注浆位置位于煤层底板，在控制流动范围的基础上，达到注浆较大的注浆高度。

具有以下优势：

1)自动上向注浆，解决了无法打孔、无法布置注浆管的难题；

2)从采空区底部向采空区后部注浆，对生产作业和工作面推进不产生任何影响。

3)从地表钻孔直接下料到底抽巷，大宗材料的输送不影响正常生产运输。

4)扇形孔或束状孔能够保证注浆的均匀性，全采空区充填；还可利用残留的瓦斯抽采孔，能节省大量的钻孔成本，生产效率显著提高。通过上述操作过程达到了料浆充填高度在无模板的情况下自动上升的效果。

本发明的固结体高度自动上升，实现接顶充填，解决了大块松散堆积采空区易塌孔、注浆管易断裂的难题。使得原本无法充填的采空区，或者无法接顶的采空区实现接顶充填。众所周知，如果充填体不接顶就无法有效的支撑顶板，此时岩石层层塌落必然导致地表塌陷。

本发明由地表向煤层底部抽采巷道投料，以一定网度由煤层底部抽采巷道向上部采空区开凿扇形孔注浆，降低了对生产进度的影响。传统充填法需要在液压支架后方进行固体充填或者膏体充填，增加了工艺环节，降低了采矿进度；所有的充填材料都要经过生产巷道运输，增加了运输压力，影响了正常调度，更重要的是，工作面只有等充填体达到一定强度之后才能继续向前推进，因此传统充填法对于生产能力和生产效率产生了严重的影响。而本方法采用底抽巷道注浆，解决了传统充填法需要停止生产等待充填、充填料运输影响生产、充填体形成强度严重影响进度的问题。

附图说明

图1为本实施例形成首次注浆体的结构示意图；

图2为本实施例第二层注浆料的结构示意图；

图3为本实施例形成二层注浆体预留通道的结构示意图；

图4为本实施例形成第三层注浆料的结构示意图；

图5为本实施例形成第三层注浆料中间部分通道的结构示意图；

图6为本实施例注浆充填示意图；

图7为本实施例底抽巷上向扇形注浆孔布置图；

图8为本实施例底抽巷上向扇形注浆孔布置三维图；

图9为本实施例工作面后方采空区上向浆柱法注浆示意图；

图10为本实施例首次填充效果图；

图11为本实施例第三次填充效果图。

具体实施方式

下面结合附图1-11，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。

实施例1

本发明提供的一种上向浆柱法注浆接顶充填方法，具体操作如下：

步骤1：膏体投料。在停采线外布置管道内径150-175mm直径钻孔，充填膏体在地表拌和后由管道输送至底部抽采巷道。井下输送。充填管道在底抽巷一分为三，分别进入上底抽巷、中底抽巷和下底抽巷。底抽巷道加固。在工作面后方30m范围内进行底抽巷临时加固。

步骤2：抽采孔透孔。在原有抽采孔的基础上，在工作面后方20m～30m处进行透孔作业，埋设75-100mm耐高压高磨损充填管至采空区上部(老顶以上)。上向充填。利用泵送或自流管道剩余压力向上注浆充填采场。料浆由地表下料时添加缓凝剂，料浆进行上向充填时添加速凝剂，控制膏体流动范围。

步骤3：强度控制。料浆进入采场后1天强度达到0.5mpa，28天强度达到2mpa。

步骤4注浆过程：如图1-5所示，

1)注浆料添加速凝剂，控制首次注浆量，在煤层底板扩散凝结，形成初始注浆充填堆体；

2)首次注浆的最后几分钟不添加速凝剂，使得首次注浆堆积体中部为缓凝物料；为二次注浆提供通道；

3)停泵固定时间后，停泵时间控制在60min以内，进行二次注浆。二次注浆料将在首层注浆料的上部堆积扩散，并保持同样的扩散度；

4)二次注浆的最后几分钟不添加速凝剂，使得注浆堆积体中部为缓凝物料；为三次注浆提供通道；

5)停泵固定时间后，进行三次注浆。三次注浆料将在二层注浆料的上部堆积扩散，并保持同样的扩散度；

6)重复上述操作，料浆将形成分层逐步上升，达到采空区顶部。使得原本需要将注浆孔和注浆管必须插入的高度上，通过料浆的自动上升而实现接顶充填，解决了传统方法无法解决的问题。

7)间隔注浆，一排注浆孔沿煤层倾斜方向先从下向上注一遍，每个注浆孔控制注浆量，然后再注第二遍，第二遍以注浆压力超过初始注浆压力1mpa为结束标准。注浆位置位于工作面后方30m；注浆扩散半径控制在30m，防止向工作面跑浆。从而将全采空区注满。

流动范围控制。通过添加速凝剂、调整充填流量压力，控制膏体料浆的流动范围约30m。对采空区进行加压支撑。

注浆料控制注浆量，在煤层底板扩散凝结，首次注浆的最后几分钟不添加速凝剂，使得首次注浆堆积体中部为缓凝物料。

间隔注浆，一排注浆孔沿倾斜方向先从下向上注一遍，每个注浆孔控制注浆量，然后再注第二遍，第二遍以注浆压力超过初始注浆压力1mpa为结束标准。

注浆位置位于工作面后方30m；注浆扩散半径控制在30m，防止向工作面跑浆。

工作面后方30～50m透孔，孔径75-100，工作面后方30～50m注浆。用架柱式钻机向上透孔，透至煤层底板，孔底间距30m。由底抽巷道两肩向煤层顶板打孔，角度分别为34度和13度，钻孔长度分别为18m，46m。最长处工作面下底抽巷向前一工作面采空区方向打孔，长度约75m。

工作面上方是膏体充填站，往下进行打孔，挖掘巷道，巷道分为上中下抽巷，每个巷道都设有注浆管道，管道上若干分支设有锚杆进行裂缝注浆，注浆杆呈分散式注浆法，便于膏体注浆工作的工作效率。

底部抽采巷道是沿走向布置在高瓦斯煤层底板下方的巷道，从下向上开凿扇形钻孔，将煤体内的瓦斯释放出来，集中回收利用。当煤层瓦斯含量低于国家规定值后，才可以进行煤炭的开采。

一旦煤炭进行开采，则底抽巷道完成其任务，废弃不用。由于底抽巷道垂直方向上距离煤层较近，在巨大的矿山压力作用下，底抽巷道往往垮塌破坏。

传统方法存在的问题：如前所述，现有充填法仅在煤层工作面支架后方作业，要么无法实现充填接顶，从而有效支撑顶板，要么需要停止推进进行充填，对生产影响巨大。

本实施例充分利用底抽巷道贯穿工作面全走向长度的特点，当工作面向前推进的过程中，在工作面后方的底抽巷位置向上打孔注浆，实现全工作面的充填。

图6中自下而上依次为煤层，直接顶，老顶。最左侧为回采工作面，工作面向右推进开采煤层。用于支撑顶板的液压支架右移后，上部直接顶，老顶垮塌形成采空区。

图7和图8中粗实线为底抽巷道充填管，在工作面后方(左侧)下部向上打孔至采空区。图9为工作面后方采空区上向浆柱法注浆示意图；图10和图11为首次填充和三次填充后的效果图。

实施例2

本实施例的具体填充方法如下：

第一次充填：煤层底板注浆充填，最后10min添加缓凝剂。

第二次充填：15～30min后继续充填，形成二次充填体，充填高度逐渐上升。最后10～30分钟添置缓凝剂，预留通道。

第三次充填：10～30min后继续充填，达到接顶充填。最后10～30min添加缓凝剂，为后期补浆创造条件。

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。