專利名稱：一種采場覆巖離層的注漿減沉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤炭開采領(lǐng)域，尤其涉及在地表破壞嚴(yán)重或者需要控制地表下沉的礦井中，應(yīng)用覆巖離層注漿減沉的方法。
背景技術(shù)：
覆巖注漿減沉技術(shù)應(yīng)用的前提是煤層開采后在采空區(qū)上方的覆巖內(nèi)部能形成離層，其原理是通過地面鉆孔向由于覆巖向下移動內(nèi)形成的離層內(nèi)充填材料以支撐覆巖，從而減緩覆巖移動向地表的傳播。采動覆巖中的關(guān)鍵層有如下特征:幾何特征，相對于覆巖中其它相同巖層而言厚度較大；巖性特征，相對于其它巖層而言較為堅硬，即彈性模量較大、強(qiáng)度較高；變形特征，在關(guān)鍵層下沉變形時，其上部全部或局部巖層的下沉量是同步協(xié)調(diào)的，這些同步協(xié)調(diào)下沉變形的巖層也稱為該關(guān)鍵層的隨動層；破斷特征，關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上部巖層的破斷，從而引起較大范圍巖層移動；支承特征，關(guān)鍵層破壞前以“板”或“梁”結(jié)構(gòu)的形式作為全部巖層或局部巖層的承載主體，斷裂后則成為砌體梁結(jié)構(gòu)，繼續(xù)成為承載主體。其中，將對直至地表的全部巖層起控制作用的巖層稱為主關(guān)鍵層，也即最上層關(guān)鍵層。根據(jù)巖層移動的關(guān)鍵層理論，覆巖內(nèi)的離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下，覆巖內(nèi)離層最大發(fā)育高度止于覆巖主關(guān)鍵層。關(guān)鍵層初次破斷后的離層長度和最大離層量僅為關(guān)鍵層初次破斷前的25%-33%。因此，離層充填應(yīng)在關(guān)鍵層初次破斷前進(jìn)行，并保持關(guān)鍵層不破斷，在此基礎(chǔ)上，“覆巖離層分區(qū)隔離充填減沉法”被提出并得到廣泛應(yīng)用。圖1為覆巖離層分區(qū)隔離充填減沉法示意圖，在開采煤層I中，工作面2和工作面3之間留設(shè)護(hù)巷煤柱4，在主關(guān)鍵層5的下方形成了離層61和離層62，通過注漿鉆孔71和鉆孔72分別向離層61和離層62內(nèi)注漿充填，以避免或減緩主關(guān)鍵層5以及直至地表的隨動層8下沉。研究表明，在相同地質(zhì)采礦條件下，離層高度隨采空區(qū)尺寸變化而變化，當(dāng)采空區(qū)尺寸達(dá)到充分采動尺寸后，離層高度達(dá)到該條件下的最大值。在煤層開采過程中，傾斜方向工作面的長度(即與工作面走向相對的工作面傾向長度)多介于100-200m之間，并且由于開采深度多超過400m，特別是我國煤礦開采正面臨深部開采的現(xiàn)狀，所以在工作面傾向上一般都達(dá)不到充分采動，甚至是極不充分采動。在這種情況下，覆巖內(nèi)部破壞達(dá)不到充分采動情況下的最大破壞高度，離層得不到充分發(fā)展，不能形成最大的離層空間，地表下沉達(dá)不到最大值。此時，可注漿離層的空間體積總量很小，即使注入充填物，最大限度地保持其離層狀態(tài)，減沉效果也有限。隨著留設(shè)的煤柱最終破壞并垮落在采空區(qū)，使關(guān)鍵層的懸露步距加大，當(dāng)懸露步距大于關(guān)鍵層的斷裂步距時，會造成關(guān)鍵層斷裂，覆巖下移，使得地表下沉難以控制。綜上，現(xiàn)有的覆巖離層分區(qū)隔離充填減沉法存在以下問題:(1)由于留設(shè)煤柱，使得采區(qū)回采率低；(2)注漿充填減沉效果低，工作面傾向長度較短與留設(shè)煤柱破壞、垮落造成的采空區(qū)覆巖“活化”造成先期進(jìn)行的注漿充填減沉效果低，國內(nèi)外研究證實(shí)，注漿充填減沉效率僅在15%-20%之間；(3)覆巖離層分區(qū)隔離充填時，需要為每一個工作面上方的離層沿工作面傾向布置一套注漿系統(tǒng)，造成設(shè)備與工程的投資大，系統(tǒng)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出了一種采場覆巖傾向離層連續(xù)一體化注漿充填減沉的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的離層注漿減沉效率低的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種覆巖離層的注漿減沉方法，包括:a、確定采場上方全部關(guān)鍵層；b、除去全部關(guān)鍵層中距離采場最近的關(guān)鍵層，選取其它關(guān)鍵層中的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層，使得在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，離層能夠出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下，當(dāng)所述離層出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下時，即所述目標(biāo)關(guān)鍵層與其下方的離層之間不存在其他關(guān)鍵層，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞所述目標(biāo)關(guān)鍵層，即不會使目標(biāo)關(guān)鍵層的懸露步距超過其斷裂步距，工作面之間采用無煤柱布置方式；或者在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，當(dāng)采空區(qū)上方出現(xiàn)離層，即選取位于該離層之上且與該離層緊鄰的關(guān)鍵層作為目標(biāo)關(guān)鍵層，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞主關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式；C、隨著接續(xù)工作面的開采，所述離層延伸至所述接續(xù)工作面的采空區(qū)上方，形成延伸后的連續(xù)離層，通過注漿孔持續(xù)向延伸后的連續(xù)離層內(nèi)注漿。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，在步驟c中，當(dāng) Χ =(HL4)K時，不再采用無I=I
煤柱布置方式開采接續(xù)工作面；式中， λ為ζ個工作面傾向長度總和A為第i個工作面的傾向長度，m ；H0為工
=1
作面與離層之間的距離，m。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，工作面之間采用的無煤柱布置方式包括錯層位巷道布置、沿空留巷或沿空掘巷。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，在步驟b中，除去全部關(guān)鍵層中距離采場最近的關(guān)鍵層，選取其它關(guān)鍵層中的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層，使得在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，離層能夠出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下，當(dāng)所述離層出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下時，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞所述目標(biāo)關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，在步驟b中，在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，當(dāng)采空區(qū)上方出現(xiàn)離層，即選取位于該離層之上且與該離層緊鄰的關(guān)鍵層作為目標(biāo)關(guān)鍵層，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞主關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，在選取所述目標(biāo)關(guān)鍵層時，選取符合條件的關(guān)鍵層中最上的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層。。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，當(dāng)工作面所在的采區(qū)煤層傾斜時，所述接續(xù)工作面布置在上一工作面傾斜向下的一側(cè)。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，所述注漿孔位于所述離層的傾斜向上的一側(cè)。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，所述離層的邊界滿足d = HciCtgii ；其中，d為離層的邊界與采空區(qū)的開采邊界之間的距離，為工作面與離層之間的距離，πι;β為覆巖下山方向的移動角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種采場覆巖傾向離層連續(xù)一體化注漿充填減沉的方法，具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明在工作面之間不留設(shè)煤柱，因此，接續(xù)工作面回采時上覆巖層的運(yùn)動形成一個整體，并且形成的覆巖離層連續(xù)。通過地面向離層布置的注漿鉆孔，向沿傾向不斷延伸的離層進(jìn)行連續(xù)化注漿，注漿工作始終在離層下方巖層采動程度更充分后進(jìn)行，提高了注漿充填減沉效果；(2)采用本發(fā)明的方法，可以形成連續(xù)的覆巖離層，因此，無需為每一個工作面上方的離層沿傾向布置一套注漿系統(tǒng)，節(jié)省設(shè)備與工程投資。(3)采用本發(fā)明的方法，在工作面之間不留設(shè)煤柱，極大地提高了采區(qū)的回采率。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的離層充填 減沉法示意圖；圖2為關(guān)鍵層載荷計算模型；圖3為采場與上覆巖層的空間關(guān)系示意圖；圖4為采場覆巖中連續(xù)的離層的注漿減沉示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種采場覆巖傾向離層的注漿減沉方法，在本發(fā)明的方法中，工作面之間采用無煤柱布設(shè)方式，使采空區(qū)連續(xù)，通過注漿孔向目標(biāo)關(guān)鍵層下方的離層注漿，所述目標(biāo)關(guān)鍵層是指通過向其下方離層內(nèi)注漿控制其斷裂、下沉的關(guān)鍵層；并且隨著新的接續(xù)工作面的開采，離層會延伸到新的采空區(qū)上方而不斷擴(kuò)大，當(dāng)離層擴(kuò)大時通過注漿孔繼續(xù)注漿充填，連續(xù)的采空區(qū)更容易達(dá)到充分采動，使離層注漿更加充分，注漿后更為穩(wěn)定。第一步:根據(jù)地質(zhì)勘探資料，確定采場上方全部關(guān)鍵層層位。通常，在煤層開采前，會對煤層上方的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，根據(jù)獲得的地質(zhì)勘探資料分析確定煤層上方全部的關(guān)鍵層層位，其關(guān)鍵層可以利用本領(lǐng)域公知的方法確定。在本發(fā)明中，選擇如下方法確定煤層上方關(guān)鍵層:如圖2所示，假設(shè)煤層21上方各巖層上的載荷均勻分布，并設(shè)采場22的覆巖23中有m層巖層，從下至上有η (η不大于m)層同步變形，則其最下部巖層為關(guān)鍵層，則:
權(quán)利要求
1.一種采場覆巖離層的注漿減沉方法，包括: a、確定采場上方全部關(guān)鍵層； b、除去全部關(guān)鍵層中距離采場最近的關(guān)鍵層，選取所述其它關(guān)鍵層中的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層，使得在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，離層能夠出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下，當(dāng)所述離層出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下時，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞所述目標(biāo)關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式； 或者在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，當(dāng)采空區(qū)上方出現(xiàn)離層，即選取位于該離層之上且與該離層緊鄰的關(guān)鍵層作為目標(biāo)關(guān)鍵層，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞主關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式； C、隨著接續(xù)工作面的開采，所述離層延伸至所述接續(xù)工作面的采空區(qū)上方，形成延伸后的連續(xù)離層，通過注漿孔持續(xù)向延伸后的連續(xù)離層內(nèi)注漿。
2.如權(quán)利要求1所述的注漿減沉方法，其特征在于，在步驟c中，當(dāng)
3.如權(quán)利要求1所述的注漿減沉方法，其特征在于，工作面之間采用的無煤柱布置方式包括錯層位巷道布置、沿空留巷或沿空掘巷。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的注漿減沉方法，其特征在于，在步驟b中，除去全部關(guān)鍵層中距離采場最近的關(guān)鍵層，選取所述其它關(guān)鍵層中的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層，使得在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，離層能夠出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下，當(dāng)所述離層出現(xiàn)在所述目標(biāo)關(guān)鍵層之下時，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞所述目標(biāo)關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的注漿減沉方法，其特征在于，在步驟b中，在首采工作面或其接續(xù)工作面開采時，當(dāng)采空區(qū)上方出現(xiàn)離層，即選取位于該離層之上且與該離層緊鄰的關(guān)鍵層作為目標(biāo)關(guān)鍵層，通過注漿孔向離層內(nèi)注漿，其中所述首采工作面的傾向長度不會破壞主關(guān)鍵層，工作面之間采用無煤柱布置方式。
6.如權(quán)利要求4所述的注漿減沉方法，其特征在于，在選取所述目標(biāo)關(guān)鍵層時，選取符合條件的關(guān)鍵層中最上的一個作為目標(biāo)關(guān)鍵層。
7.如權(quán)利要求1所述的注漿減沉方法，其特征在于，當(dāng)工作面所在的采區(qū)煤層傾斜時，所述接續(xù)工作面布置在上一工作面傾斜向下的一側(cè)。
8.如權(quán)利要求1或7所述的注漿減沉方法，其特征在于，所述注漿孔位于所述離層的傾斜向上的一側(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述的注漿減沉方法，其特征在于，所述離層的邊界滿足d=H0Ctg β ； 其中，d為離層的邊界與采空區(qū)的開采邊界之間的距離，為工作面與離層之間的距離，πι;β為覆巖下山方向的移動角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采場覆巖離層的注漿減沉方法，包括確定采場上方全部關(guān)鍵層層位；向目標(biāo)關(guān)鍵層下方的離層內(nèi)注漿；隨著接續(xù)工作面的開采，所述離層延伸至新的采空區(qū)上方，通過注漿孔持續(xù)向離層內(nèi)注漿。本發(fā)明在工作面之間不留設(shè)煤柱，提高了采區(qū)的回采率，并且形成連續(xù)的離層，注漿工作始終在離層下方巖層采動程度更充分后進(jìn)行，提高了注漿充填減沉效果；另外，無需為每一個工作面上方的離層沿傾向布置一套注漿系統(tǒng)，節(jié)省設(shè)備與工程投資。
文檔編號E21C41/18GK103216236SQ20131007947
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者王志強(qiáng), 范新民, 趙景禮 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)