本發(fā)明涉及煤礦安全開(kāi)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(kāi)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(biāo)，特別是在目前經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和煤炭形勢(shì)低迷的情況下，一方面，煤炭產(chǎn)能過(guò)剩，另一方面，某些地方資源逐漸枯竭，同時(shí)大部分煤礦都在虧損，主要原因之一是煤炭開(kāi)采成本過(guò)高，成本高導(dǎo)致煤炭競(jìng)爭(zhēng)力大幅下降，同時(shí)為了在大環(huán)境下維持運(yùn)營(yíng)，經(jīng)常虧本銷(xiāo)售，從而導(dǎo)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(kāi)采新的煤層時(shí)，需要詳細(xì)規(guī)劃，摒除以前粗放式開(kāi)采方法，盡量提高資源采出率，同時(shí)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(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(kāi)采時(shí)，將以前留設(shè)的防水防砂煤柱，通過(guò)人工注漿增加關(guān)鍵層，保證安全開(kāi)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(jì)為：在煤層以上40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層中，巖層強(qiáng)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(kāi)采中會(huì)確定工作面傾斜長(zhǎng)和工作面走向長(zhǎng)，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(gè)所述傾斜鉆孔均連接有多對(duì)所述水平鉆孔，多對(duì)所述水平鉆孔均處于不同的高度上，所述傾斜鉆孔和每個(gè)所述水平鉆孔之間通過(guò)曲線鉆孔進(jìn)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(jì)所述傾斜鉆孔和所述水平鉆孔的位置和參數(shù)并開(kāi)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(jiān)硬人工注漿層，進(jìn)行煤層的開(kāi)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(jì)算方法為：

當(dāng)煤層傾角θ在0～60°范圍內(nèi)時(shí)，有如下三種情況：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為堅(jiān)硬巖石時(shí)：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為中等強(qiáng)度巖石時(shí)：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為軟巖時(shí)：

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

所述巖石強(qiáng)度的確定方式為：以飽和單軸抗壓強(qiáng)度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，單位為MPa；當(dāng)飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)_飽＞45時(shí)，巖石為堅(jiān)硬巖石；當(dāng)10＜f_飽＜45，巖石為中等強(qiáng)度巖石；當(dāng)f_飽＜10時(shí)，巖石為軟巖；

當(dāng)煤層傾角θ大于60°時(shí)，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(duì)鉆孔進(jìn)行注漿后，漿液的擴(kuò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)方向上所述水平鉆孔的排數(shù)為x，為整數(shù)，計(jì)算公式為B/t，B為注漿平面的寬度，單位為m，計(jì)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(duì)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(jì)算結(jié)果的整數(shù)為F，如計(jì)算結(jié)果不帶小數(shù)，則x＝F，如計(jì)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(zhǎng)方向上，所述傾斜鉆孔的排數(shù)為y，為整數(shù)，計(jì)算公式為L(zhǎng)/2p，L為工作面走向的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，單位為m，p為所述水平鉆孔的走向距離最大設(shè)計(jì)值，單位為m；分以下兩種情況確定y的數(shù)值：

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

計(jì)算得到在工作面走向長(zhǎng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)/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(zhǎng)C為200m，工作面走向長(zhǎng)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(qiáng)度巖石，則h為51m，B為130m，計(jì)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(guò)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(biāo)號(hào)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(qiáng)劑，百分比均為相對(duì)所述普通硅酸鹽水泥的重量百分比，注漿壓力控制在7MPa以?xún)?nèi)；

所述第二注漿液采用超細(xì)水泥，其水泥漿液中最大顆粒不超過(guò)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(duì)任何新開(kāi)采的煤層或者工作面，本發(fā)明目的是提高煤層開(kāi)采上限，注漿置換煤柱，保證安全開(kāi)采，同時(shí)利用地面注漿進(jìn)行沿空留巷，同時(shí)本發(fā)明是針對(duì)走向長(zhǎng)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(jiān)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(jì)實(shí)用、能大大提高煤炭采出率的煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

在煤層以上40-80m以?xún)?nèi)的巖層中，巖層強(qiáng)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(kāi)采處將近一個(gè)工作面的煤炭，按照3.5m采高計(jì)算，3.5*2000*200*0.9＝126萬(wàn)噸，噸煤價(jià)格420，即5億的銷(xiāo)售額；

一個(gè)傾斜鉆孔，多對(duì)水平鉆孔，極大地降低了成本，因?yàn)榫嚯x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(xiàng)參數(shù)，保證工藝實(shí)施安全可靠。

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

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中注漿平面和煤層的相對(duì)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(duì)水平鉆孔的布置示意圖；

圖4為本發(fā)明中一個(gè)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(gè)方向上傾斜鉆孔和多對(duì)水平鉆孔的布置示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)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(jì)為：在煤層2以上40-80m區(qū)間內(nèi)的巖層中，巖層強(qiáng)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(kāi)采中會(huì)確定工作面傾斜長(zhǎng)和工作面走向長(zhǎng)，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(gè)傾斜鉆孔3均連接有多對(duì)水平鉆孔4，多對(duì)水平鉆孔4均處于不同的高度上，傾斜鉆孔3和每個(gè)水平鉆孔4之間通過(guò)曲線鉆孔6進(jìn)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(jì)傾斜鉆孔3和水平鉆孔4的位置和參數(shù)并開(kāi)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(jiān)硬人工注漿層5，進(jìn)行煤層2的開(kāi)采。

注漿平面1僅為一個(gè)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(kāi)始上下左右方向擴(kuò)散，因?yàn)閿U(kuò)散半徑一般是一定的，所以最終形成了具有一定厚度、長(zhǎng)度和寬度的長(zhǎng)方體，即堅(jiān)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(zhǎng)度均比煤層2的寬度和長(zhǎng)度大2A的距離。

h的計(jì)算方法為：

當(dāng)煤層傾角θ在0～60°范圍內(nèi)時(shí)，有如下三種情況：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為堅(jiān)硬巖石時(shí)：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為中等強(qiáng)度巖石時(shí)：

煤層直接頂?shù)膸r石強(qiáng)度為軟巖時(shí)：

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

巖石強(qiáng)度的確定方式為：以飽和單軸抗壓強(qiáng)度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，單位為MPa；當(dāng)飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)_飽＞45時(shí)，巖石為堅(jiān)硬巖石；當(dāng)10＜f_飽＜45，巖石為中等強(qiáng)度巖石；當(dāng)f_飽＜10時(shí)，巖石為軟巖；

當(dāng)煤層傾角θ大于60°時(shí)，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(jì)為一根傾斜鉆孔3連接4對(duì)水平鉆孔4，一般注漿壓力之下漿液擴(kuò)散半徑都能達(dá)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(gè)水平鉆孔4之間通過(guò)曲線鉆孔6進(jìn)行連接，曲線鉆孔6數(shù)量為8個(gè)，一端與傾斜鉆孔3連接，另一端與水平鉆孔4連接。每對(duì)水平鉆孔4的高度不同。

對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿后，漿液的擴(kuò)散半徑為15～20m；鉆孔的設(shè)置方式包括在工作面傾斜長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)方向上水平鉆孔4的排數(shù)為x，為整數(shù)，計(jì)算公式為B/t，B為注漿平面1的寬度，單位為m，計(jì)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(duì)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(jì)算結(jié)果的整數(shù)為F，如計(jì)算結(jié)果不帶小數(shù)，則x＝F，如計(jì)算結(jié)果帶有小數(shù)，則x＝F+1。

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

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

計(jì)算得到在工作面走向長(zhǎng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)/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(qiáng)度與厚度乘積最大的的巖層底板以下10m處，因?yàn)樽{擴(kuò)散半徑一般都在15-20m，R的長(zhǎng)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(qiáng)度與厚度乘積最大的的巖層10m板處下方會(huì)人工形成一層關(guān)鍵層，與上方的巖層通過(guò)注漿構(gòu)成了一層堅(jiān)硬的30-40m以上的高強(qiáng)度堅(jiān)硬巖層，即堅(jiān)硬人工注漿層5，下方的巖石經(jīng)過(guò)垮落，垮落的碎石會(huì)有一定的碎脹系數(shù)，經(jīng)過(guò)模擬研究，人工構(gòu)造的關(guān)鍵層堅(jiān)固安全。

一般的注漿過(guò)程中，很多用到水泥加膨潤(rùn)土漿液，膨潤(rùn)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(shí)施條件，考慮到本次注漿是在開(kāi)采之前即注漿，因此不用擔(dān)心地層破壞等造成的裂隙較大，漿液流失等問(wèn)題，同時(shí)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(dá)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(zhǎng)終凝時(shí)間，緊接著改用超細(xì)水泥漿液，增大注漿壓力，擴(kuò)大注漿半徑，具體選擇如下；

在注漿過(guò)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(biāo)號(hào)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(qiáng)劑，百分比均為相對(duì)普通硅酸鹽水泥的重量百分比，注漿壓力控制在7MPa以?xún)?nèi)；0.55:1～0.60:1的水灰比終凝時(shí)間最長(zhǎng)，速凝劑和早強(qiáng)劑含量都偏低，因?yàn)槊簩記](méi)開(kāi)采，根本不需要過(guò)早的強(qiáng)度，減小析水量；

對(duì)比試驗(yàn)：

普通硅酸鹽水泥，3％的水玻璃，6‰的CaCl₂作為早強(qiáng)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(yàn)試塊28天抗壓強(qiáng)度明顯大于其他水灰比，同時(shí)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間雖然不是最長(zhǎng)，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(xì)水泥，其水泥漿液中最大顆粒不超過(guò)24μm，超細(xì)水泥其流動(dòng)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(shí)穿過(guò)密致細(xì)砂巖等細(xì)小孔隙的巖層，擴(kuò)大擴(kuò)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(qiáng)度在22MPa以上，選用2％的水玻璃作為速凝劑，可延長(zhǎng)終凝時(shí)間。

對(duì)比試驗(yàn)：

超細(xì)水泥漿液性能和流動(dòng)性都比普通水泥有顯著改善，2％的水玻璃配比超細(xì)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(yàn)試塊各時(shí)間段抗壓強(qiáng)度明顯大于其他水灰比，同時(shí)初凝時(shí)間和終凝時(shí)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(guò)程對(duì)早強(qiáng)時(shí)間幾乎沒(méi)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(shí)施例2

在實(shí)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(zhǎng)C為200m，工作面走向長(zhǎng)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(qiáng)度巖石，則h為51m，B為130m，計(jì)算得到y(tǒng)為2，x為4。

p的最大設(shè)計(jì)值是我們?cè)趯?shí)際注漿過(guò)程中逐步得出來(lái)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)超過(guò)550m時(shí)，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(guò)程中，套管護(hù)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(hù)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(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。