[發(fā)明專利]一種覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填開(kāi)采煤層全部回采方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711126408.3
• 申請(qǐng)日: 2017-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107989613A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王朋飛;馮國(guó)瑞;張玉江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): E21C41/18
• 分類號(hào): E21C41/18;E21D11/10;E21F15/00
• 代理公司: 太原晉科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)14110
• 代理人: 任林芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，具體是一種覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填開(kāi)采煤層全部回采方法。

背景技術(shù)

充填開(kāi)采是解決地面沉陷的根本性措施。其原理是充填材料與采后移動(dòng)巖層“自組織”過(guò)程相互作用和影響，達(dá)到新的平衡點(diǎn)，形成新巖體，支撐上覆巖體，控制地面沉陷。顯然，充填減沉的效果由充填后新巖體的密實(shí)程度決定，新巖體越密實(shí)，采空區(qū)空隙和裂隙空間越小，則巖體越穩(wěn)定，發(fā)生潛在沉陷的可能性越低。

研究表明，采用留煤柱(但不配合充填)開(kāi)采，煤柱周圍為采空空間或排列松散的垮落巖石，則煤柱失穩(wěn)與時(shí)間因素密切相關(guān)，隨著煤柱的逐漸消損或應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，開(kāi)采引起的地表下沉就可能在多年后發(fā)生。若配合充填開(kāi)采，煤柱失穩(wěn)前，充填后的新巖體若隨時(shí)間逐漸達(dá)到很好的密實(shí)程度，煤柱及其上方未垮倒“八”形巖柱各面(尤其沿煤柱長(zhǎng)度方向左右兩面)均受到足夠的相等或近似相等的壓力，煤柱的穩(wěn)定性較好，煤柱能與壓密新巖體共同組成有效的承載體平均分擔(dān)上覆巖層壓力，從而避免煤柱應(yīng)力集中，有效避免或減緩煤柱沖擊傾向。

因此，不管采用何種開(kāi)采方式，留煤柱也好，不留煤柱也好，要想保證地表沉陷控制達(dá)到理想效果，則需要盡量將采空后的空間填實(shí)，使巖層盡量恢復(fù)原有的密實(shí)程度，才能有效防止發(fā)生二次沉陷和保證巖層的穩(wěn)定，保證地面的安全。

覆巖離層注漿減沉就是一種充填開(kāi)采技術(shù)，其基本原理是利用巖移過(guò)程中覆巖內(nèi)形成的離層空洞，通過(guò)鉆孔向離層空洞內(nèi)充填外來(lái)材料支承覆巖，以達(dá)到減緩地表沉陷，保護(hù)地面設(shè)施的目的。自范學(xué)理教授將覆巖離層注漿減沉技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)后，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了一系列相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究。20世紀(jì)80年代，覆巖離層充填技術(shù)首次在撫順礦務(wù)局老虎臺(tái)礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)并取得了成功。隨后此項(xiàng)技術(shù)先后在大屯徐莊礦、開(kāi)灤唐山礦、新汶華豐礦、兗州東灘礦等數(shù)十個(gè)礦井進(jìn)行了離層充填減沉的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)并取得了一定成就。

如果要成功地推廣應(yīng)用離層注漿充填減沉技術(shù)，首先必須掌握巖層移動(dòng)過(guò)程中離層的演化規(guī)律，即確定特定開(kāi)采條件下離層層位、大小的定量計(jì)算方法，然后在此基礎(chǔ)上完善離層注漿減沉鉆孔布置原則、優(yōu)化注漿工藝等；想要取得好的減沉效果，注入的漿體要能夠保證關(guān)鍵層始終不發(fā)生初次破斷。

然而根據(jù)離層充填工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果表明，大部分礦井實(shí)際減沉效果并不理想，離層注漿時(shí)往往首采工作面開(kāi)采時(shí)尚可順利進(jìn)行，而到開(kāi)采鄰近工作面時(shí)連注水都比較困難。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)離層區(qū)充填過(guò)程，關(guān)鍵層初次破斷前其下離層空間是很難被充填滿的，離層區(qū)內(nèi)的漿液不能馬上對(duì)初次破斷前的關(guān)鍵層起到有效的支撐，不能阻止關(guān)鍵層的初次破斷，從而影響后續(xù)離層注漿及減沉效果。由于離層區(qū)充填材料為非固結(jié)充填材料，漿液濃度小，離層隨采面推進(jìn)不斷發(fā)展，關(guān)鍵層初次破斷前，其下離層很難被漿體充滿，充填漿液不能足夠有效地支撐初次破斷前的關(guān)鍵層，因而無(wú)法阻止關(guān)鍵層的初次破斷，從而影響后續(xù)離層注漿的順利進(jìn)行，無(wú)法保證注漿減沉效果。這是我國(guó)一些礦井離層注漿減沉實(shí)驗(yàn)效果不理想的主要原因之一。

針對(duì)目前離層注漿充填減沉技術(shù)中后續(xù)工作面注漿困難以及無(wú)法阻止關(guān)鍵層破斷等問(wèn)題，基于關(guān)鍵層理論及離層動(dòng)態(tài)發(fā)育特征，有學(xué)者提出了“覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填”技術(shù)，通過(guò)留設(shè)一定寬度自身穩(wěn)定的分區(qū)隔離煤柱隔離各個(gè)工作面，使工作面上方的關(guān)鍵層保持穩(wěn)定并使關(guān)鍵層下形成各自獨(dú)立封閉的離層空間，從而保證充填材料注滿離層區(qū)，充填體對(duì)關(guān)鍵層起到有效的支撐。分區(qū)隔離煤柱與條帶開(kāi)采留設(shè)煤柱相比，分區(qū)隔離煤柱的寬度設(shè)計(jì)要求較低，只要能隔離離層空間并保持穩(wěn)定就行。離層區(qū)充填后的充填體能夠起到支撐作用，此時(shí)離層區(qū)充填體承載了上覆巖層的部分載荷，“離層區(qū)充填體+關(guān)鍵層+分區(qū)隔離煤柱”構(gòu)成共同承載體，事實(shí)上形成了離層充填與條帶開(kāi)采相結(jié)合的綜合減沉方案。

但是，覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填減沉技術(shù)留設(shè)煤柱尺寸巨大，雖然保證了注漿減沉效果，但造成大量煤炭資源的損失?；幢钡V區(qū)某礦開(kāi)采的10號(hào)中厚煤層，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度為220m，為防止關(guān)鍵層下封閉的各離層空間連通，煤柱寬度設(shè)定為100m，占工作面的45.45％，則采出率僅為68.75％，遠(yuǎn)達(dá)不到國(guó)家要求的中厚煤層采區(qū)回采率不低于80％的要求。我國(guó)厚煤層開(kāi)采中放頂煤開(kāi)采占很大比重，頂煤放出率一般只有70％，若在留煤柱開(kāi)采，則煤炭損失更多。煤層越厚，頂煤放出率越低，則受頂煤放出率影響，總的采出率相應(yīng)會(huì)更低。