老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法

1.本发明涉及矿山老采空区充填注浆技术领域，具体涉及一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法。


背景技术：

2.煤炭资源开采后在地下形成的老采空区，这种不良地质体的产生和存在对地表建(构)筑物的安全修建和稳定运营产生严重威胁。采煤沉陷区是指煤炭开采导致地表沉陷深度大于10mm的区域，采煤沉陷区内因地下煤炭开采导致减产和绝产的农用地以及受影响的建设用地和未利用地称为采煤塌陷地。目前，大多数矿业城市转型发展空间受限、建设用地不足等问题日益凸显，迫切需要开展采煤塌陷地建设利用，保障城市建设用地供应，促进城市转型发展。
3.而在对老采空区进行治理时，注浆充填作为治理方式之一，目前存在的困难主要在于对于老采空区注浆最优半径确定尚不明确，从而导致钻孔布置的间距不合适，而且浆液在采空区的流动过程及状态难以精确判断，使得在注浆过程中注浆量的多少难以控制，极易造成浆液注入不充分，使地层仍处于不稳定状态，或浆液注入过多，加大了工程投入的成本。
4.综上所述，在对老采空区进行注浆充填治理时，注浆孔的设计尤为关键，相邻的注浆钻孔之间的间隔以及注浆钻孔的数量等，都需要进行严格分析和计算，因此，从节约工程费用以及老采空区上方地表建构筑物的安全性方面来考虑，对老采空区注浆过程中注浆量的判定具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法，该方法可监测注浆扩散范围，在有效应对采空区注浆充填的同时，还为采空区注浆流动规律等相关研究作出重要铺垫。
6.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法，依次包括以下步骤：
8.a、根据煤矿井上下地质资料确定老采空区巷道中轴线对应的地面位置，在地面钻试验孔；根据老采空区巷道走向，沿走向在所述的试验孔的一侧钻检测孔，所述的检测孔与所述的试验孔的距离为50m；
9.b、制备流态化充填料浆和含有磁性碎屑的磁力流态化检测料浆；
10.c、将电磁探测器放置在所述的检测孔的底部，并开启电磁探测器，探测并接收信号，将其记录为第一次磁场信号；移动所述的电磁探测器，以使其实现对采空区整个空间的扫描，将所获得的信息通过信号传输至地面上的主机，并存储记录，结合理论知识拟合出采空区磁场整体分布图；
11.d、向试验孔内注入磁力流态化检测料浆，待磁力流态化检测料浆注入完毕后，再
注入流态化充填料浆，当注浆压力达到注浆极限时，且通过位于检测孔内的电磁探测器检测到磁场不再有较大变化时，停止注浆；
12.e、通过电磁探测器再次探测并接收信号，将其记录为最后一次磁场信号，并拟合出该信号下的采空区磁场整体分布图；
13.f、对比步骤c和步骤e所获得的采空区磁场分布图，计算得出一次注浆最大半径值；
14.g、步骤f一次注浆最大半径值的两倍即为最优钻孔孔距值；
15.h、根据步骤g所述的最优钻孔孔距值，依次钻第二个试验孔、第三个试验孔
…
第n个试验孔，通过对各个试验孔内注入流态化充填料浆的方式，完成对采空区的充填。
16.作为本发明的一个优选方案，步骤a中，所述的试验孔与检测孔的孔径相同。
17.作为本发明的另一个优选方案，步骤b中，流态化充填料浆主要由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、煤矸石和水混合制备而成；磁力流态化检测料浆主要由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、磁铁矿废石和水混合制备而成。
18.优选的，步骤c中，电磁探测器的动态监测时间间隔为5～10min。
19.优选的，步骤d中，磁力流态化检测料浆的注入量为100m3～500m3。
20.与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
21.(1)本发明提出了一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法，该方法中所选用的充填材料，由流态化充填料浆和含有磁性碎屑的磁力流态化检测料浆组成，其中，通过含有磁性碎屑的磁力流态化检测料浆，可以与位于检测孔内的电磁探测器配合，得到该信号下的采空区磁场整体分布图，便于开展对相邻钻孔间隔，钻孔时机的判断。
22.(2)本发明所选用的料浆，磁铁矿废石作为磁力检测材料一方面可以为铁矿山可解决部分废石，保护环境，另一方面磁铁矿作为注浆材料与普通注浆材料性能相同，不影响效果。流态化充填材料包括粉煤灰、燃煤炉渣和煤矸石等大宗固废，有效解决大宗固废环境污染问题，老采空区注浆后有效控制塌陷区。
23.(3)利用磁力流态化检测材料和电磁探测器能够精确判断出实际注浆区域注浆最大范围，进而确定出左右钻孔距离，最大程度保障注浆材料充满采空区，减少钻孔和充填材料浪费。
24.本发明通过在老采空区布置最优钻孔，在保障充填效果的同时，也降低了工程投入成本，本发明方法可监测注浆扩散范围，本发明通过保证最优钻孔布置，解决了老采空区容易发生塌陷的技术问题。同时本发明方法主要是针对老采空区巷道直接注浆，比采空区上覆岩层注浆更容易实施和控制。
附图说明
25.下面结合附图对本发明做进一步说明：
26.图1为本发明最优钻孔布置示意图；
27.图中：
28.1、试验孔，2、检测孔，3、切眼，4、顺槽。
具体实施方式
29.本发明提出了一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做具体说明。
30.本发明提出的一种老采空区流态化充填注浆检测及最优钻孔布置方法，具体步骤如下：
31.步骤一、根据煤矿井上下地质资料确定采空区巷道中轴线对应的地面位置，在地面钻试验孔，试验孔直径为250mm；
32.根据老采空区巷道走向，沿走向在试验孔的一侧或两侧钻检测孔，检测孔与试验孔的距离为50m，检测孔直径为250mm；
33.步骤二、制备流态化充填料浆和含有磁性碎屑的磁力流态化检测料浆；
34.流态化充填料浆主要由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、煤矸石和水混合制备而成；其中：燃煤炉渣、煤矸石均经过二级破碎机破碎和球磨机研磨，破碎后的粒度＜10mm，研磨后的粒度＜0.4mm；水泥：粉煤灰：燃煤炉渣：煤矸石＝1:2:1.5:1.5，固体质量分数为76％；破碎和研磨后的煤矸石固体质量比例为1:3，破碎和研磨后的燃煤炉渣固体质量比例为1:2；
35.磁力流态化检测料浆由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、磁铁矿废石和水混合制备而成。磁铁矿废石破碎后的粒度＜10mm，研磨后的粒度＜0.4mm；其中：水泥：粉煤灰：磁铁矿废石：煤矸石＝1:2:1.5:1.5，固体质量分数为76％。破碎和研磨后的磁铁矿废石固体质量比例为1:3，破碎和研磨后的燃煤炉渣固体质量比例为1:2。
36.步骤三、将电磁探测器放置在所述的检测孔的底部，并开启电磁探测器，探测并接收信号，将其记录为第一次磁场信号；移动所述的电磁探测器，以使其实现对采空区整个空间的扫描，将所获得的信息通过信号传输至地面上的主机，并存储记录，结合理论知识拟合出采空区磁场整体分布图；在注浆过程中，电磁探测器进行动态化探测，时间间隔为5～10min；
37.步骤四、向试验孔内注入磁力流态化检测料浆，注入量为100m3～500m3，待磁力流态化检测料浆注入完毕后，再注入流态化充填料浆，当注浆压力达到注浆极限时，且通过位于检测孔内的电磁探测器检测到磁场不再有较大变化时，停止注浆；
38.步骤五、通过电磁探测器再次探测并接收信号，将其记录为最后一次磁场信号，并拟合出该信号下的采空区磁场整体分布图；
39.步骤六、对比步骤三和步骤五所获得的采空区磁场分布图，计算得出一次注浆最大半径值；
40.步骤七、步骤六一次注浆最大半径值的两倍即为最优钻孔孔距值；
41.步骤八、根据步骤七所述的最优钻孔孔距值，依次钻第二个试验孔、第三个试验孔
…
第n个试验孔，通过对各个试验孔内注入流态化充填料浆的方式，完成对采空区的充填。
42.上述的流态化充填料浆和磁力流态化检测料浆中的大部分原料，如燃煤炉渣、煤矸石均来自老采空区所在煤矿，其在有效解决大宗固废环境污染问题的同时，还可有效控制塌陷区。
43.实施例1：
44.以某煤矿为例，如图1所示，图中示出了切眼3和顺槽4，采用本发明方法，具体步骤
为：
45.步骤一、根据煤矿井上下地质资料，对矿井4#煤层老采空区顺槽进行流态化注浆，确定顺槽中轴线对应的地面位置，在顺槽中部对应的地面钻试验孔，试验孔直径为250mm；
46.根据老采空区顺槽走向，沿走向在试验孔的两侧钻检测孔，检测孔2与试验孔1的距离为50m，检测孔直径为250mm。
47.步骤二、制备流态化充填料浆和含有磁性碎屑的磁力流态化检测料浆；
48.磁力流态化检测料浆由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、磁铁矿废石和水混合制备而成。磁铁矿废石破碎后的粒度＜10mm，研磨后的粒度＜0.4mm；其中：水泥：粉煤灰：磁铁矿废石：煤矸石＝1:2:1.5:1.5，固体质量分数为76％。破碎和研磨后的磁铁矿废石固体质量比例为1:3，破碎和研磨后的燃煤炉渣固体质量比例为1:2。磁力流体化检测料浆制备200m3。
49.流态化充填料浆主要由水泥、粉煤灰、燃煤炉渣、煤矸石和水混合制备而成；其中：燃煤炉渣、煤矸石均经过二级破碎机破碎和球磨机研磨，破碎后的粒度＜10mm，研磨后的粒度＜0.4mm；水泥：粉煤灰：燃煤炉渣：煤矸石＝1:2:1.5:1.5，固体质量分数为76％；破碎和研磨后的煤矸石固体质量比例为1:3，破碎和研磨后的燃煤炉渣固体质量比例为1:2。
50.步骤三、将电磁探测器放置在所述的检测孔的底部，并开启电磁探测器，探测并接收信号，将其记录为第一次磁场信号；移动所述的电磁探测器，以使其实现对采空区整个空间的扫描，将所获得的信息通过信号传输至地面上的主机，并存储记录，结合理论知识拟合出采空区磁场整体分布图；在注浆过程中，电磁探测器进行动态化探测，时间间隔为10min；
51.步骤四、向试验孔内注入磁力流态化检测料浆，注入量为200m3，待磁力流态化检测料浆注入完毕后，再注入流态化充填料浆，当注浆压力达到注浆极限时，且通过位于检测孔内的电磁探测器检测到磁场不再有较大变化时，停止注浆；
52.步骤五、通过电磁探测器再次探测并接收信号，将其记录为最后一次磁场信号，并拟合出该信号下的采空区顺槽磁场整体分布图；
53.步骤六、对比步骤三和步骤五所获得的采空区磁场分布图，计算得出一次注浆最大半径值为20m；
54.步骤七、为保证注浆效果，取步骤六一次注浆最大半径值的2倍即为最优钻孔孔距值；
55.步骤八、根据步骤七所述的最优钻孔孔距值，依次钻第二个试验孔、第三个试验孔
…
第n个试验孔，通过对各个试验孔内注入流态化充填料浆的方式，完成对采空区的充填。
56.效果：
57.对某煤矿老采空地层注浆过程及建筑修建过程中对该区域地面进行了监测，数据处理中心西侧5个测点，在注浆工程中，地面逐渐上升，注浆完成后地面又下降；随着中心建筑物的建设，地面发生下沉，至建筑物地面2层建设完成(距采空地层注浆加固治理结束300天)时，地面最大下沉6mm，标高变化趋于平缓，平均沉陷速度为0.011mm/d，符合《建筑变形测量规范》相关要求，认为地面变形已进入稳定阶段。
58.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
59.需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改
或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。