一种老采空区CO2矿化注浆方法

一种老采空区co2矿化注浆方法
技术领域
1.本发明属于采空区治理技术领域，更具体地说，是涉及一种老采空区co2矿化注浆方法。


背景技术：

2.基于中国每年工业废气排放量巨大(工业废气中co2含量高达90％以上)，并且在工业废气回收利用手段有限与中国存在大量的亟待注浆处理的老采空区的双重背景下，提出了研发工业废气矿化为技术手段、粉煤灰等为反应载体、老采空区为储存场所的适用于煤矿老采空区注浆治理的粉煤灰基多孔地质聚合物；在采空区密封的条件下，完成矿化材料的注入，从而完成采空区的矿化治理。
3.近年来，老采空区注浆充填技术得到了快速发展，逐渐提出了多种注浆方法，其中包括：在一定开采深度下，老采空区注浆充填可采用带状注浆充填，注浆孔间距为2倍的浆液扩散半径；长壁缓倾斜老采空区注浆充填方式可分为点柱式注浆、带状式注浆和全部注浆3种类型。但是现阶段的注浆方法存在以下不足或缺点：
4.1.将垮落带、裂隙带注浆扩散半径视为相等，造成注浆孔间距设计出现偏差；
5.2.取垮落带、裂隙带的最小扩散半径为指标设计钻孔孔距，导致注浆钻孔孔距过小，从而使钻孔数目过多，钻孔量过大；
6.3.老采空区可作为矿化材料浆体与工业废气的反应场所没有被充分利用。


技术实现要素：

7.本发明就是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种老采空区co2矿化注浆方法。
8.为解决上述技术问题，为此本发明包括如下步骤：
9.将采空区注浆范围分为跨落带与裂隙带，通过实验区注浆确定等压注浆条件下垮落带、裂隙带的浆液扩散半径，垮落带与裂隙带共用同一钻孔注浆，取垮落带的浆液扩散半径为指标设计钻孔孔距进行注浆充填工作，利用垮落带与裂隙带的空隙大小的不同，进行垮落带及裂隙带的充填；
10.向采空区内注入矿化材料与工业废气，注入的矿化材料浆体能够与工业废气发生反应，在固定工业废气的同时支撑采空区；
11.利用示踪气体对采空区的封闭情况进行检测，然后对密封性不良的区域进行注浆堵漏，完成采空区的完全封闭。
12.本发明提供一种老采空区co2矿化注浆方法，包括如下步骤：
13.根据工作区地层实际情况，进行理论计算，结合钻孔观测，确定采空区垮落带及裂隙带高度；
14.通过实验区注浆确定等压注浆条件下垮落带、裂隙带的浆液扩散半径；计算或者实地量取水平面沿建筑物长短轴方向的治理区范围为d
x
、dy；
15.根据治理区的范围，在治理区的四周布置帷幕孔，在其中心区域布置注浆孔；
16.确定帷幕孔与注浆孔的钻孔开孔孔径、钻孔深度及终孔位置，确定孔口压力；
17.确定所有帷幕孔与注浆孔钻孔位置后，选取中心区域中心位置的注浆孔作为示踪气体释放孔，钻孔后利用示踪气体对采空区的封闭情况进行检测，对封闭不良的区域进行注浆堵漏，在堵漏完成后再次进行示踪实验确保采空区内部完全密封；
18.根据采空区的范围及垮落带、裂隙带高度计算采空区的空间体积v1，进而计算出可注入浆体的总量为q1，然后根据浆体矿化工业废气的能力确定工业废气的总注入量q2；
19.将矿化材料加水制浆，制浆完毕后，通过注浆孔注入采空区；铺设压力管道，将收集来的工业废气通过压力管道注入治理区的中心区域；
20.通过帷幕孔向治理区注浆，以达到治理区范围内四周完全充填的目的，待帷幕孔全部注浆完毕后，向治理区中心区域进行注浆，通过注浆孔向中心区域分别注入浆体和工业废气。
21.优选的，确定垮落带、裂隙带的浆液扩散半径的方法为：
22.以注浆孔为圆心，注浆孔的外周设置有多组观测孔，且每组观测孔设置在注浆孔的同一外径上；
23.首先观测钻孔外径40m区域垮落带、裂隙带的浆液扩散情况，然后观测外径20m区域垮落带、裂隙带的浆液扩散情况，确定垮落带、裂隙带的浆液扩散边界位置；
24.然后观测钻孔外径10m或者30m的钻孔，以此类推，观测垮落带、裂隙带的浆液扩散边界，获取垮落带、裂隙带的浆液扩散半径分别为r和r1。
25.优选的，为了完全充填垮落带，取以浆液扩散半径为内径的圆的内接正方形，得到修正后的浆液扩散半径为此时垮落带完全充填；
26.对裂隙带注浆充填，参考条带充填，裂隙带的注浆扩散半径r1即为条带充填的宽度，修正后的浆液扩散半径为裂隙带的浆液扩散半径差值为条带未充填的宽度。
27.优选的，计算或者实地量取水平面沿建筑物长短轴方向的治理区范围为d
x
、dy，则钻孔数为
28.优选的，每组观测孔设置有三个观测孔，且同一外径上观测孔呈等边三角形排布。
29.优选的，帷幕孔及注浆孔的布置方式为：以小于修正后的垮落带浆液扩散半径为钻孔间距布置帷幕孔，以修正后垮落带可以完全充填的浆液扩散半径为钻孔间距布置注浆孔。
30.优选的，采用sf6作为示踪气体，通过选定的释放孔向采空区内进行释放；
31.sf6释放后对释放孔顶部进行密封，然后利用监测设备实时监测采空区范围内的sf6，并以各帷幕孔和注浆孔为监测点，根据各监测点sf6的浓度可推断出泄露位置；
32.根据监测结果确认发生泄露后，立即向泄露点处进行注浆堵漏。
33.优选的，浆体及工业废气的注入量为：
34.由于采空区空间体积占整个采空区采煤量v2的30％，即v1＝0.3v2，为保证注浆后
采空区完全被封闭，浆体的总体积量q1应比采空区体积v1略大，即取q1＝1.1v1；
35.在实验室条件下进行矿化实验后可得到浆体矿化工业废气的比率为r，则工业废气的总注入量q2＝q1×
r。
36.本发明还提供一种矿化注浆方法在长壁全跨落法开采老采空区的应用，其应用上述的老采空区co2矿化注浆方法。
37.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
38.本发明提供一种老采空区co2矿化注浆方法，尤其适用于长壁全跨落法开采老采空区，不仅钻孔工程量小、注浆充填成本相对低廉，操作简单，能够完成老采空区的矿化治理，而且能够封存工业废气，使其得到充分利用。
39.本发明钻孔间距设置更加合理，可以保证垮落带完全充填，裂隙带条带充填，同时减少了钻孔数目，前期投入及准备时间相比传统均较少；并且本发明可降低注浆原料的使用量，从而降低注浆充填成本，同时保证注浆效果。
40.由于垮落带残留空隙多，垮落带部分充填，随着时间流逝，上覆岩层势必不均匀下沉，必将影响上部建筑；而裂隙带空隙不多，并且在开采过程中就逐渐闭合，残留空隙少之又少，不充填只会产生极轻微的下沉，不会影响上部建筑；所以，只需垮落带全部充填，不会对上部建筑造成破坏的隐患。本发明在完成老采空区矿化治理的同时完成工业废气的封存，工业废气通过捕集加压后，注入采空区与浆体发生反应而被封存与地下，有效降低了环境污染，且与浆体反应后生成的产物对采空区起到支撑保护作用，对环境保护与治理具有积极作用。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明注浆系统的结构示意图；
43.图2为本发明试验区钻孔布置示意图；
44.图3为本发明帷幕孔及注浆孔布置示意图；
45.图4为本发明钻孔布置示意图；
46.图5为本发明示踪实验浓度分布图。
47.图中符号标记：
48.1.垮落带；2.裂隙带；3.煤层；4.基岩；5.表土层；6.储水池；7.一级搅拌筒；8.二级搅拌筒；9.筛分机；10.储浆池；11.止浆塞；12.中央注浆管；13.底板；14.注浆孔；15.观测孔；16.帷幕孔；17.裂隙带注浆；18.垮落带注浆。
具体实施方式
49.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
50.请参阅图1，本发明提供一种老采空区co2矿化注浆方法，包括如下步骤：
51.将采空区注浆范围分为垮落带1与裂隙带2，通过实验区注浆确定等压注浆条件下垮落带1、裂隙带2的浆液扩散半径，垮落带1与裂隙带2共用同一钻孔注浆，取垮落带1的浆液扩散半径为指标设计钻孔孔距进行注浆充填工作，利用垮落带1与裂隙带2的空隙大小的天然不同，达到垮落带1全部充填、裂隙带2条带充填的目的。
52.附图1中，1为垮落带；2为裂隙带；3为煤层；4为基岩；5为表土层。
53.向采空区内注入矿化材料与工业废气，注入的矿化材料浆体能够与工业废气发生反应，在固定工业废气的同时也能够支撑采空区；
54.为了防止后期注入老采空区的工业废气发生泄露，事先利用示踪气体对老采空区的封闭情况进行检测，然后根据具体情况有针对性的对密封性不良的区域进行注浆堵漏，完成采空区的完全封闭。
55.具体的，本发明提供的一种老采空区co2矿化注浆方法，包括如下步骤：
56.一、根据工作区地层实际情况，参照《建筑物、水体、铁路及井巷煤柱留设与压煤开采规程》进行理论计算，结合钻孔观测，确定采空区垮落带1高度h1及裂隙带2的高度h2。
57.二、通过实验区注浆确定等压注浆条件下垮落带、裂隙带的浆液扩散半径；
58.垮落带1、裂隙2带的浆液扩散半径的确定方法为：以注浆孔14为圆心，注浆孔14的外周设置有多组观测孔15，且每组观测孔15均设置在位于注浆孔14外侧的同一外径的圆周上；如图2所示，首先观测钻孔外径40m区域垮落带、裂隙带的浆液扩散情况，然后观测外径20m区域垮落带、裂隙带的浆液扩散情况，确定垮落带、裂隙带的浆液扩散边界位置，然后观测钻孔外径10m或者30m的钻孔，以此类推，观测垮落带、裂隙带的浆液扩散边界，获取垮落带、裂隙带的浆液扩散半径分别为r和r1。
59.更进一步的，作为本发明优选的实施例，每组观测孔共设置有三个观测15孔，且同一外径上设置的三个观测孔15呈等边三角形排布。
60.当获取到垮落带1、裂隙带2的浆液扩散半径时，还需要对浆液扩散半径进行数据修正。
61.具体的，为了完全充填垮落带，取以浆液扩散半径为内径的圆的内接正方形，可以得到修正后的浆液扩散半径为此时垮落带完全充填；对裂隙带注浆充填，参考条带充填，裂隙带的注浆扩散半径r1即为条带充填的宽度，修正后的浆液扩散半径为裂隙带的浆液扩散半径差值为条带未充填的宽度。
62.对于裂隙带而言，由于残余空隙不多，条带充填的比率为当时，时，一般情况下的值不会大于所以不会对地表造成有危害的影响。
63.更进一步的，计算或者实地量取水平面沿建筑物长短轴方向的治理区范围为d
x
、dy
，则钻孔数为分析得知，当扩大钻孔间距，减少了钻孔数目，从而减少了钻孔进尺。
64.三、根据治理区的范围，在治理区的四周布置帷幕孔，在其中心区域布置注浆孔；如图3所示，以小于修正后的垮落带浆液扩散半径为钻孔间距布置帷幕孔16，以修正后垮落带可以完全充填的浆液扩散半径为钻孔间距布置注浆孔14；图中17为裂隙带注浆，18为垮落带注浆。
65.更进一步的，帷幕孔16钻孔间距围绕采空区四周进行布置，由于钻孔间距小于修正后的垮落带浆液扩散半径，注浆后浆液通过各帷幕孔向周围扩散后可完全渗透采空区四周，从而可以达到完全封闭采空区四周的效果。
66.注浆孔的钻孔间距注浆后使得中心区域垮落带完全充填，裂隙带部分填充。
67.四、确定帷幕孔16与注浆孔14的钻孔开孔孔径、钻孔深度及终孔位置，通过压水实验确定孔口压力；
68.具体的，如图4所示，1为垮落带，2为裂隙带，3为煤层，4为基岩，5为表土层，13为底板。
69.帷幕孔孔壁上设置有预制砼井盘，壁后采用水泥密封；帷幕孔与注浆孔的钻孔开孔孔径不小于φ130mm，钻孔穿过松散层钻进至完整基岩段5m后下套管，并用水泥砂浆固管护壁，孔口管固结后进行压水试验，了解岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验，其最大压力不低于3mpa，保证不窜浆；之后再向下钻进孔径不小于φ89mm的钻孔，掘进至所需要充填的煤层底板以下2m为终孔位置。
70.更进一步的，作为本发明优选的实施例，所有钻孔孔位偏差小于1m且孔斜小于1
°
。
71.五、在确定所有帷幕孔与注浆孔钻孔位置后，选取中心区域中心位置的注浆孔作为示踪气体释放孔，先在该孔位置处按照上述要求进行钻孔，其余帷幕孔与注浆孔应在进行示踪试验后再进行钻取。
72.具体的，采用sf6作为示踪气体，sf6作为一种应用广泛的示踪气体，其化学性质稳定，常温常压下为无色无味气体且不与酸、碱、盐反应，性能优异；通过选定的释放孔向采空区内进行释放，sf6释放后对释放孔顶部进行密封，然后利用监测仪器实时监测采空区范围内的sf6，并以各帷幕孔和注浆孔为监测点，根据各监测点sf6的浓度可推断出泄露位置；因为各监测点采集的sf6浓度高低不同，根据扩散运动规律推断sf6浓度较高的监测点即为泄露点。
73.然后根据监测结果确认发生泄露后，立即向泄露点处进行注浆堵漏；首先确定泄露范围，根据各监测点的sf6浓度，绘制浓度分布图，选取注浆位置。如图5所示，浓度分布图从内到外依次分为高、中、低三个区域，则泄露位置应在高浓度区域内；取高浓度区域中心位置为注浆点，向下钻孔后注浆，钻孔方法及注浆方法同上。在堵漏完成后再次进行示踪实验，若检测发现仍有泄露处则重复上述步骤进行堵漏直至确保采空区内部完全密封。
74.六、根据采空区的范围及垮落带、裂隙带高度计算采空区的空间体积v1，进而计算出可注入浆体的总量为q1，然后根据浆体矿化工业废气的能力确定工业废气的总注入量q2。
75.具体的，根据采空区实际治理经验，采空区空间体积约占整个采空区采煤量v2的30％，即v1＝0.3v2，为保证注浆后采空区完全被封闭，浆体的总体积量q1应比采空区体积v1略大，即取q1＝1.1v1；
76.在实验室条件下进行矿化实验后可得到浆体矿化工业废气的比率为r，则工业废气的总注入量q2＝q1×
r。
77.更进一步的，对于r的计算，举例说明，当1l浆液能够矿化0.15l补集加压后的工业废气，则r＝0.15。
78.七、将矿化材料加水制浆，制浆完毕后，用注浆泵通过注浆孔注入采空区；然后对电厂等工业场所产生的工业废气捕集加压后输送进罐车，通过罐车运输至治理区进行加注；铺设压力管道，通过压力管道连接至罐车输送阀门，将管道铺设至治理区中心区域，根据各注浆孔位置需要进行管道连接输送。
79.具体的，如图1所示，注浆过程为：首先将矿化材料(粉煤灰或其他)送入一级搅拌筒7加水进行第一次搅拌，储水池6用于储存水，流出后经过筛分机9孔眼φ为3mm的筒箍或平面振动筛除碴，经过筛选后3mm以下浆液流入二级搅拌筒8，然后加水泥(强度等级为32.5)进行第二次搅拌；搅拌好后流入储浆池10，然后用注浆泵通过φ50mm的中央注浆管12道输送到钻孔内，注浆管上设置有止浆塞11从注浆管下部的花管压入采空区煤岩块之间，进行注浆操作。
80.八、最后通过帷幕孔向治理区注浆，以达到治理区范围内四周完全充填的目的，待帷幕孔全部注浆完毕后，向治理区中心区域进行注浆，通过注浆孔向中心区域分别注入浆体和工业废气，注入的工业废气能够被封存而不会发生泄露。
81.更进一步的，作为本发明优选的实施例，注浆过程中，当帷幕孔孔口压力达到2.5-3.0mpa并且泵量小于30l/min时，持压30min，注浆结束。
82.具体的，整个中心区域的注浆过程可分为n个阶段，每个阶段包括注入工业废气和注入浆体两个步骤，以注入工业废气为先，浆体在后的顺序进行；每个阶段工业废气和浆体的注入量应为：总注入量/n，注浆结束标准为终量终压，即对采空区进行注浆时，当注浆孔孔口压力达到2.5mpa且泵量小于30l/min时，持压30min。
83.本发明提供一种老采空区co2矿化注浆方法，尤其适用于长壁全跨落法开采老采空区，不仅钻孔工程量小、注浆充填成本相对低廉，操作简单，能够完成老采空区的矿化治理，而且能够封存工业废气，使其得到充分利用。
84.本发明钻孔间距设置更加合理，可以保证垮落带完全充填，裂隙带条带充填，同时减少了钻孔数目，前期投入及准备时间相比传统均较少；并且本发明可降低注浆原料的使用量，从而降低注浆充填成本，同时保证注浆效果。
85.由于垮落带残留空隙多，垮落带部分充填，随着时间流逝，上覆岩层势必不均匀下沉，必将影响上部建筑；而裂隙带空隙不多，并且在开采过程中就逐渐闭合，残留空隙少之又少，不充填只会产生极轻微的下沉，不会影响上部建筑；所以只需垮落带全部充填，不会对上部建筑造成破坏的隐患。本发明在完成老采空区矿化治理的同时完成工业废气的封存，工业废气通过捕集加压后，注入采空区与浆体发生反应而被封存与地下，有效降低了环
境污染，且与浆体反应后生成的产物对采空区起到支撑保护作用，对环境保护与治理具有积极作用。
86.在本发明的描述中，需要理解的是，诸如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
87.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。