本發(fā)明涉及煤礦安全開采領(lǐng)域，特別是涉及一種土型注漿鉆孔布置及注漿方法。

背景技術(shù)：

安全開采一直是煤炭領(lǐng)域永恒的主題，而降低噸煤成本也是煤炭企業(yè)一直在追求的目標，特別是在目前經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和煤炭形勢低迷的情況下，一方面，煤炭產(chǎn)能過剩，另一方面，某些地方資源逐漸枯竭，同時大部分煤礦都在虧損，主要原因之一是煤炭開采成本過高，成本高導致煤炭競爭力大幅下降，同時為了在大環(huán)境下維持運營，經(jīng)常虧本銷售，從而導致很多煤礦企業(yè)虧損，形成惡性循環(huán)，因此在規(guī)劃新的采區(qū)或者開采新的煤層時，需要詳細規(guī)劃，摒除以前粗放式開采方法，盡量提高資源采出率，同時降低成本，因此，急需一種新的土型注漿鉆孔布置及注漿方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種安全可靠、經(jīng)濟實用、能大大提高煤炭采出率的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，在傾斜煤層開采時，將以前留設(shè)的防水防砂煤柱，通過人工注漿增加關(guān)鍵層，保證安全開采。

一種土型注漿鉆孔布置及注漿方法，包括如下步驟：

步驟一、確定注漿平面的位置：將所述注漿平面的位置設(shè)計為：在煤層以上40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層中，巖層強度與厚度乘積最大的的巖層底板下方10m處，所述煤層為傾斜煤層，所述注漿平面與所述煤層平行設(shè)置；

步驟二、布置鉆孔：在煤層開采中會確定工作面傾斜長和工作面走向長，鉆孔采用傾斜鉆孔和水平鉆孔相結(jié)合的方式，所述傾斜鉆孔的整體都設(shè)置在所述注漿平面上，每個所述傾斜鉆孔均連接有多對所述水平鉆孔，多對所述水平鉆孔均處于不同的高度上，所述傾斜鉆孔和每個所述水平鉆孔之間通過曲線鉆孔進行連接，所述曲線鉆孔的一端與所述傾斜鉆孔連接，另一端與所述水平鉆孔連接；

設(shè)計所述傾斜鉆孔和所述水平鉆孔的位置和參數(shù)并開始鉆孔；

步驟三、注漿：包括漿液的選擇和注漿，注漿完成后形成堅硬人工注漿層，進行煤層的開采。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，所述注漿平面的一側(cè)邊緣與所述煤層在所述注漿平面的投影的同一側(cè)的邊緣之間的距離為A＝0.15hcscθ，h為煤柱高度，單位為m，θ為煤層傾角；

h的計算方法為：

當煤層傾角θ在0～60°范圍內(nèi)時，有如下三種情況：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為堅硬巖石時：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為中等強度巖石時：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為軟巖時：

其中，H為煤層厚度，單位為m；n為分層開采的層數(shù)，n在一次采全高的情況下計為1，在分層開采時計為2；

所述巖石強度的確定方式為：以飽和單軸抗壓強度為判斷標準，單位為MPa；當飽和單軸抗壓強度f_飽＞45時，巖石為堅硬巖石；當10＜f_飽＜45，巖石為中等強度巖石；當f_飽＜10時，巖石為軟巖；

當煤層傾角θ大于60°時，h直接確定為40m。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，對鉆孔進行注漿后，漿液的擴散半徑為15～20m；所述鉆孔的設(shè)置方式包括在工作面傾斜長方向上確定水平鉆孔的布置數(shù)量和位置以及在工作面走向長方向上確定傾斜鉆孔的布置數(shù)量和位置。

4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其特征在于：在工作面傾斜長方向上所述水平鉆孔的排數(shù)為x，為整數(shù)，計算公式為B/t，B為注漿平面的寬度，單位為m，計算公式為B＝0.15·h·cscθ*2+h·cscθ＝1.3h·cscθ，t為傾斜鉆孔上相鄰兩對水平鉆孔之間的距離，單位為m；分以下兩種情況確定x的數(shù)值：

B/t的計算結(jié)果的整數(shù)為F，如計算結(jié)果不帶小數(shù)，則x＝F，如計算結(jié)果帶有小數(shù)，則x＝F+1。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，在工作面走向長方向上，所述傾斜鉆孔的排數(shù)為y，為整數(shù)，計算公式為L/2p，L為工作面走向的設(shè)計長度，單位為m，p為所述水平鉆孔的走向距離最大設(shè)計值，單位為m；分以下兩種情況確定y的數(shù)值：

L/2p的計算結(jié)果的整數(shù)為E，如計算結(jié)果不帶小數(shù)，則y＝E，如計算結(jié)果帶有小數(shù)，則y＝E+1；

計算得到在工作面走向長方向上傾斜鉆孔的布置數(shù)量，確定在所述注漿平面上的鉆孔位置，所述傾斜鉆孔和所述水平鉆孔在所述注漿平面上均勻分布。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，所述曲線鉆孔的整體結(jié)構(gòu)為半徑R＝B/2x的圓環(huán)的1/4，單位為m，所述水平鉆孔的長度為L/4-R，單位為m。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，t為35m，工作面傾斜長C為200m，工作面走向長L為2000m，p為550m，接頂f_飽＝40MPa，煤層傾角θ為31°，H為3.6m，一次采全高，n＝1，則直接頂為中等強度巖石，則h為51m，B為130m，計算得到y(tǒng)為2，x為4。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，在注漿過程中，前五分之三的注漿量采用第一注漿液，后五分之二的注漿量采用第二注漿液。

本發(fā)明所述的土型注漿鉆孔布置及注漿方法，其中，所述第一注漿液采用P.O42.5標號的普通硅酸鹽水泥，水灰比0.55:1～0.60:1，選用3％的水玻璃作為速凝劑，選用6‰的CaCl₂作為早強劑，百分比均為相對所述普通硅酸鹽水泥的重量百分比，注漿壓力控制在7MPa以內(nèi)；

所述第二注漿液采用超細水泥，其水泥漿液中最大顆粒不超過24μm，水灰比為0.65:1～0.75:1，選用2％的水玻璃作為速凝劑，注漿壓力為11MPa。

本發(fā)明土型注漿鉆孔布置及注漿方法與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于：

本發(fā)明土型注漿鉆孔布置及注漿方法是針對任何新開采的煤層或者工作面，本發(fā)明目的是提高煤層開采上限，注漿置換煤柱，保證安全開采，同時利用地面注漿進行沿空留巷，同時本發(fā)明是針對走向長壁采煤法的。本發(fā)明土型注漿鉆孔布置及注漿方法主要包括注漿，人為增加一層堅硬關(guān)鍵層，以此關(guān)鍵層代替并置換原先的煤柱，提高煤炭采出率，本發(fā)明是一種安全可靠、經(jīng)濟實用、能大大提高煤炭采出率的煤炭開采設(shè)計方法。

本發(fā)明還具有如下優(yōu)點：

在煤層以上40-80m以內(nèi)的巖層中，巖層強度與厚度乘積最大的的巖層下方10m處設(shè)置注漿平面，然后沿著煤層傾斜方向打傾斜鉆孔，然后打水平鉆孔，這樣人為增加了一層關(guān)鍵層，以關(guān)鍵層置換煤柱，多開采處將近一個工作面的煤炭，按照3.5m采高計算，3.5*2000*200*0.9＝126萬噸，噸煤價格420，即5億的銷售額；

一個傾斜鉆孔，多對水平鉆孔，極大地降低了成本，因為距離地面較近，所以注漿壓力和輸送距離都完全在合理范疇之內(nèi)；

優(yōu)化各項參數(shù)，保證工藝實施安全可靠。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的土型注漿鉆孔布置及注漿方法作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中注漿平面和煤層的相對位置的立體示意圖；

圖2為圖1的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明中傾斜鉆孔和多對水平鉆孔的布置示意圖；

圖4為本發(fā)明中一個傾斜鉆孔和水平鉆孔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中另一個方向上傾斜鉆孔和多對水平鉆孔的布置示意圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1～圖5所示，本發(fā)明土型注漿鉆孔布置及注漿方法包括如下步驟：

步驟一、確定注漿平面1的位置：將注漿平面1的位置設(shè)計為：在煤層2以上40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層中，巖層強度與厚度乘積最大的的巖層底板下方10m處，煤層2為傾斜煤層，注漿平面1與煤層2平行設(shè)置；

步驟二、布置鉆孔：在煤層2開采中會確定工作面傾斜長和工作面走向長，鉆孔采用傾斜鉆孔3和水平鉆孔4相結(jié)合的方式，傾斜鉆孔3的整體都設(shè)置在注漿平面1上，每個傾斜鉆孔3均連接有多對水平鉆孔4，多對水平鉆孔4均處于不同的高度上，傾斜鉆孔3和每個水平鉆孔4之間通過曲線鉆孔6進行連接，曲線鉆孔6的一端與傾斜鉆孔3連接，另一端與水平鉆孔4連接；

設(shè)計傾斜鉆孔3和水平鉆孔4的位置和參數(shù)并開始鉆孔；

步驟三、注漿：包括漿液的選擇和注漿，注漿完成后形成堅硬人工注漿層5，進行煤層2的開采。

注漿平面1僅為一個平面，在給傾斜鉆孔3和水平鉆孔4注漿后，漿液從注漿平面1開始上下左右方向擴散，因為擴散半徑一般是一定的，所以最終形成了具有一定厚度、長度和寬度的長方體，即堅硬人工注漿層5。

以上技術(shù)方案可以完成本發(fā)明的目的，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明給出了如下效果更好的優(yōu)選方案：

注漿平面1的一側(cè)邊緣與煤層2在注漿平面1的投影的同一側(cè)的邊緣之間的距離為A＝0.15hcscθ，h為煤柱高度，單位為m，θ為煤層傾角；即注漿平面1比煤層2的平面大一圈，寬度和長度均比煤層2的寬度和長度大2A的距離。

h的計算方法為：

當煤層傾角θ在0～60°范圍內(nèi)時，有如下三種情況：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為堅硬巖石時：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為中等強度巖石時：

煤層直接頂?shù)膸r石強度為軟巖時：

其中，H為煤層厚度，單位為m；n為分層開采的層數(shù)，n在一次采全高的情況下計為1，在分層開采時計為2；

巖石強度的確定方式為：以飽和單軸抗壓強度為判斷標準，單位為MPa；當飽和單軸抗壓強度f_飽＞45時，巖石為堅硬巖石；當10＜f_飽＜45，巖石為中等強度巖石；當f_飽＜10時，巖石為軟巖；

當煤層傾角θ大于60°時，h直接確定為40m。

鉆孔布置：考慮到現(xiàn)有注漿技術(shù)的技術(shù)水平，在保證安全效果的情況下，鉆孔的布置方式設(shè)計為一根傾斜鉆孔3連接4對水平鉆孔4，一般注漿壓力之下漿液擴散半徑都能達到15-20m左右，因此，根據(jù)煤柱參數(shù)布置鉆孔，鉆孔布置方式如下：

傾斜鉆孔3和每個水平鉆孔4之間通過曲線鉆孔6進行連接，曲線鉆孔6數(shù)量為8個，一端與傾斜鉆孔3連接，另一端與水平鉆孔4連接。每對水平鉆孔4的高度不同。

對鉆孔進行注漿后，漿液的擴散半徑為15～20m；鉆孔的設(shè)置方式包括在工作面傾斜長方向上確定水平鉆孔4的布置數(shù)量和位置以及在工作面走向長方向上確定傾斜鉆孔3的布置數(shù)量和位置。

在工作面傾斜長方向上水平鉆孔4的排數(shù)為x，為整數(shù)，計算公式為B/t，B為注漿平面1的寬度，單位為m，計算公式為B＝0.15·h·cscθ*2+h·cscθ＝1.3h·cscθ，t為傾斜鉆孔3上相鄰兩對水平鉆孔4之間的距離，單位為m；分以下兩種情況確定x的數(shù)值：

B/t的計算結(jié)果的整數(shù)為F，如計算結(jié)果不帶小數(shù)，則x＝F，如計算結(jié)果帶有小數(shù)，則x＝F+1。

在工作面走向長方向上，傾斜鉆孔3的排數(shù)為y，為整數(shù)，計算公式為L/2p，L為工作面走向的設(shè)計長度，單位為m，p為水平鉆孔4的走向距離最大設(shè)計值，單位為m；分以下兩種情況確定y的數(shù)值：

L/2p的計算結(jié)果的整數(shù)為E，如計算結(jié)果不帶小數(shù)，則y＝E，如計算結(jié)果帶有小數(shù)，則y＝E+1；

計算得到在工作面走向長方向上傾斜鉆孔3的布置數(shù)量，確定在注漿平面1上的鉆孔位置，傾斜鉆孔3和水平鉆孔4在注漿平面1上均勻分布。

曲線鉆孔6的整體結(jié)構(gòu)為半徑R＝B/2x的圓環(huán)的1/4，單位為m，水平鉆孔4的長度為L/4-R，單位為m。

傾斜鉆孔3在煤層2以上40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層中巖層強度與厚度乘積最大的的巖層底板以下10m處，因為注漿擴散半徑一般都在15-20m，R的長度為R＝B/2x(m)，且其值小于20m，所以，煤層上方40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層強度與厚度乘積最大的的巖層10m板處下方會人工形成一層關(guān)鍵層，與上方的巖層通過注漿構(gòu)成了一層堅硬的30-40m以上的高強度堅硬巖層，即堅硬人工注漿層5，下方的巖石經(jīng)過垮落，垮落的碎石會有一定的碎脹系數(shù)，經(jīng)過模擬研究，人工構(gòu)造的關(guān)鍵層堅固安全。

一般的注漿過程中，很多用到水泥加膨潤土漿液，膨潤土膨脹之后，填充較大的巖石中孔隙，減少漿液流失，可以節(jié)約漿液，降低成本，本發(fā)明結(jié)合本發(fā)明實施條件，考慮到本次注漿是在開采之前即注漿，因此不用擔心地層破壞等造成的裂隙較大，漿液流失等問題，同時考慮到節(jié)約鉆孔數(shù)量，因此應(yīng)該盡可能使注漿半徑達到15-20m，因此，采用普通水泥液漿注漿加固，但是調(diào)整材料比率，延長終凝時間，緊接著改用超細水泥漿液，增大注漿壓力，擴大注漿半徑，具體選擇如下；

在注漿過程中，前五分之三的注漿量采用第一注漿液，后五分之二的注漿量采用第二注漿液；

第一注漿液采用P.O42.5標號的普通硅酸鹽水泥，水灰比0.55:1～0.60:1，選用3％的水玻璃作為速凝劑，選用6‰的CaCl₂作為早強劑，百分比均為相對普通硅酸鹽水泥的重量百分比，注漿壓力控制在7MPa以內(nèi)；0.55:1～0.60:1的水灰比終凝時間最長，速凝劑和早強劑含量都偏低，因為煤層沒開采，根本不需要過早的強度，減小析水量；

對比試驗：

普通硅酸鹽水泥，3％的水玻璃，6‰的CaCl₂作為早強的配比在不同水灰比下的性能參數(shù)比較：水灰比0.55:1-0.60:1的試驗試塊28天抗壓強度明顯大于其他水灰比，同時初凝時間和終凝時間雖然不是最長，但跟最大值差距較小，且考慮到其與高水灰比的成本關(guān)系，水灰比0.55:1，相比較0.85:1的成本大大降低，因此0.55:1-0.60:1最合適。

第二注漿液采用超細水泥，其水泥漿液中最大顆粒不超過24μm，超細水泥其流動性和析水性明顯優(yōu)于普通水泥，能穩(wěn)定滲透第一層普通水泥漿液，同時穿過密致細砂巖等細小孔隙的巖層，擴大擴散半徑，水灰比為0.65:1～0.75:1，選用2％的水玻璃作為速凝劑，注漿壓力為11MPa，水灰比0.65:1-0.75:1這樣可以保證抗壓強度在22MPa以上，選用2％的水玻璃作為速凝劑，可延長終凝時間。

對比試驗：

超細水泥漿液性能和流動性都比普通水泥有顯著改善，2％的水玻璃配比超細水泥在不同水灰比下的性能參數(shù)比較：水灰比0.65:1-0.75:1的試驗試塊各時間段抗壓強度明顯大于其他水灰比，同時初凝時間和終凝時間也是最大值，因此0.65:1-0.75:1的水灰比最合適。

總之，考慮到本注漿過程對早強時間幾乎沒有任何要求，果斷改變傳統(tǒng)注漿參數(shù)和思路，獲得更好的注漿效果，并大大降低成本。

實施例2

在實施例1的基礎(chǔ)上，各參數(shù)設(shè)置為：

t為35m，工作面傾斜長C為200m，工作面走向長L為2000m，p為550m，接頂f_飽＝40MPa，煤層傾角θ為31°，H為3.6m，一次采全高，n＝1，則直接頂為中等強度巖石，則h為51m，B為130m，計算得到y(tǒng)為2，x為4。

p的最大設(shè)計值是我們在實際注漿過程中逐步得出來的一個經(jīng)驗值，當超過550m時，增大注漿壓力，550m以外也很難再取得較好的注漿效果。

注漿過程中，套管護孔，待孔內(nèi)注入套殼料并下入袖閥管后，才將套管提出孔外直徑；注漿鉆孔的參數(shù)：

傾斜鉆孔3直徑145mm，下注漿管兼套管，保護傾斜鉆孔3孔壁并注漿，注漿管兼套管內(nèi)徑125mm，水平鉆孔4直徑130mm，下水平鉆孔4注漿管，注漿管內(nèi)徑95mm，注漿管兼套管和水平鉆孔4注漿管均為現(xiàn)有技術(shù)。

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。