覆岩隔离注浆充填技术实践与研究展望

煤层开采后覆岩关键层失去下部支撑,在地层压力作用下断裂沉降是导致一系列采动损害与环境问题的根源,通过充填阻止关键层破断是减少环境损害的源头绿色开采技术。目前我国煤矿充填开采技术得到长足发展,但井下充填采煤存在效率相对较低、成本较高等问题,限制了其推广应用。而创新研发的覆岩隔离注浆充填技术,建立了地面钻孔“一注式减损”高效绿色开采新模式,突破了井下充填效率低的技术瓶颈。覆岩隔离注浆充填是基于采动覆岩卸荷膨胀累积效应对离层产生抑制作用,通过地面钻孔向关键层下进行高压注浆的充填,产生“压下托上”作用,将关键层下方碎胀岩体压实形成支撑体,在采空区形成压实承载结构,阻止关键层断裂。该技术解决了离层注浆充填量少、减沉率低的技术难题,可用于综采、综放工作面,以及单一煤层与多煤层开采;目前该技术已在全国推广应用,解决了东部矿区建筑物压煤开采难题,并在矸石减排、“减震防冲”“减漏保水”等方面开展了工程试验与实践。介绍了“双碳”背景下,针对煤矿充填材料不足问题,进一步研发“煤基固废+CO 2”覆岩隔离注浆充填绿色开采新技术构想,该技术可取得减沉、减漏、减震、减排、减碳等“一注五减”效果,实现煤炭资源的绿色开采与低碳利用。

覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究

分析了关键层下离层动态发育对离层充填的影响,针对目前离层区充填工艺不能阻止覆岩关键层初次破断的问题,提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术,它综合离层充填与条带开采技术的优点,通过离层区充填置换或减小分区隔离煤柱宽度,使“离层区充填体+关键层+分区隔离煤柱”形成共同承载体,从而达到有效减缓地面沉降的目的,提高了煤层采出率,促进了覆岩离层充填减沉技术的发展.采用数值模拟方法对离层分区隔离注浆充填原理作了进一步证实,并对其适用条件进行了分析.

覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术

为提高充填采煤效率、降低充填成本,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发了覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术。基于覆岩关键层结构设计合理的工作面采宽并在相邻工作面间留设一定宽度的隔离煤柱,通过地面钻孔对采动覆岩高压注浆充填,在工作面中部形成一定宽度的压实支撑区,与隔离煤柱联合控制覆岩关键层结构的稳定性,从而减小地表下沉,实现不迁村采煤。该技术已在淮北矿区8个煤矿的12个压煤采区得到成功应用,累计采出建筑物下压煤780余万t。

覆岩隔离注浆充填浆体压缩特性实验与应用

为确定覆岩主注浆层位内充填浆体的应力-变形特征,采用电液伺服万能试验机及自行设计的粉煤灰浆体压缩仪,开展了不同压力下粉煤灰浆体的压缩特性实验研究。结果表明:在覆岩应力的作用下,粉煤灰浆体体积不断减小,减小速率逐渐降低,最终趋于稳定;粉煤灰当量压缩系数随着压力增加而减小,二者近似呈对数关系。基于实验结果,建立了不同注浆充填深度条件下干粉煤灰质量与压实灰体体积的换算关系,进而改进了注采比计算公式,导出了注浆充填干灰质量极限值的计算公式,并进行了工程验证,从而为注浆充填参数设计提供了合理依据。

深井连续推进帷幕隔离跟随充填采矿技术

文中分析了我国缓倾斜薄矿脉开采的现状 ,提出了深井连续推进帷幕隔离跟随充填采矿新工艺 ,并详细介绍了新工艺中的关键设备水压支柱及帷幕隔离尾砂充填新技术的试验情况。

覆岩隔离注浆充填浆体泌水特性试验研究

覆岩隔离注浆充填开采是建筑物下压煤开采的有效方法,充填过程中浆体在压力作用下将出现泌水,泌出水过多时不仅容易导致充填效率低,同时沁水有可能沿断层等结构面溢出,对井下安全生产造成一定影响。为了确定覆岩注浆层位内充填浆体的泌出水量,掌握充填粉煤灰浆体泌水特性与注浆压力之间的关系,采用电液伺服万能试验机和自行设计的粉煤灰浆体压缩仪开展试验研究。试验结果表明,在压力作用下,粉煤灰浆体会持续泌水,泌出速率逐渐降低,直至浆体被压实后停止;粉煤灰固水率随着压力的增加而减小,二者近似呈对数关系。基于试验结果,建立了充填浆体泌水量与注浆充填压力及充填层位深度的关系式。

覆岩隔离注浆充填地面输浆管路堵塞机理研究

为确定覆岩隔离注浆充填工程中地面输浆管路堵塞机理,对输浆管路运行工况进行了监测,基于实测数据将输浆管路堵塞划分为附着型堵塞、沉积型堵塞和综合型堵塞3种类型。通过对粉煤灰浆体的流变特性、粉煤灰水化反应进行理论分析与实验验证,揭示了3种堵塞类型的形成机理,分析了管路粗糙度、化学成分、流速等因素对各类堵塞形成的影响。结果表明:附着型堵塞主要受粉煤灰水化反应胶凝化合物形成速率和浆体流速的双重影响;沉积型堵塞则主要是浆体流速过低导致的。据此提出了防止管路堵塞的建议措施。

覆岩隔离注浆充填浆液无压阶段扩散规律实验研究

浆液流动规律对覆岩隔离注浆充填参数设计及技术效果具有重要影响。浆液流动受注浆压力控制,而实际的注浆压力由零压、增压等多阶段组成。研究表明,无压阶段内注采比最大可达10%,研究浆液在该阶段内的扩散规律有助于优化注浆初期的浆液参数与钻孔布置。本研究采用理论分析与实验研究方法进行覆岩隔离注浆充填浆液在无压注浆阶段的扩散规律研究,利用量纲分析方法建立浆液扩散距离的无量纲公式,设计可视化的注浆充填浆液扩散模拟系统,开展浆液扩散规律的实验研究,并对无量纲方程进行求解。实验系统由透明有机玻璃板构成的可视化模拟裂隙、恒速率注浆泵、搅拌机及监测等部分组成。利用该实验系统研究注浆流量、终孔距裂隙高度、浆液运动黏度等因素对粉煤灰浆液扩散距离与浆体形态的影响。实验结果表明:浆体扩散经历径向扩散和双向扩散两个阶段,并以双向扩散为主。其中,径向阶段呈以注浆孔为中心的圆形扩散,双向阶段呈两边对称的面状扩散。基于实验结果,求解浆液无压阶段的扩散距离公式,并对有效性进行验证。得出两个阶段浆体形态的简化描述模型,并推导不同扩散时间不同位置的浆体厚度计算公式,阐明无压注浆阶段的浆液扩散规律。基于研究结果对覆岩隔离注浆充填在无压阶段的注浆充填设计提出建议。

阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆充填开采实践

为了解决阳泉矿区坪上煤矿铁路隧道及村庄压煤与该矿资源紧缺的矛盾,采用覆岩隔离注浆充填开采技术对其进行回采。以工作面钻孔柱状图为基础,采用关键层判别软件确定了研究工作面覆岩的关键层位及注浆深度;设计了注浆钻孔的分布位置,在铁路隧道内布设监测线。结果表明,采用覆岩隔离注浆充填技术能够将大幅度控制铁路隧道的沉降及变形,确保了处理后的铁路隧道简单维修后能够正常使用,证明了覆岩隔离注浆充填开采方法控制铁路隧道形变的可行性。

煤矸石离层注浆充填“五位一体”开采工艺研究

为协同解决制约煤炭高效开采的矸石处置、灾害治理、生态保护等难题,提出了百万吨煤矸石覆岩隔离注浆充填处废、防冲、减震、保水、减沉的“五位一体”安全绿色开采工艺。研究了台阶式自流型制浆输浆工艺,解决了制浆输浆系统占地紧张、长距离输送等难题,达到了大规模处理矸石、系统节能稳定的目的。该工艺在葫芦素煤矿进行了现场试验,实现了一期处理矸石能力70万t/a,二期投产后处理矸石能力将达到150万t/a,累计节省矸石处理和水处理费用约1730万元,注浆充填区域地表下沉量降低52.9%~53.2%,工作面平均涌水量降幅17.7%~29.1%,冲击地压能量发生次数减少774次,降幅30.5%,取得了较好的经济、安全环保效果。

沿空留巷巷旁充填系统模板支架及其应用

沿空留巷巷旁充填系统是目前国内机械化程度较高的充填系统。在总结无煤柱开采沿空留巷巷旁支护技术基础上,针对回采工作面以模板支架为关键装备的巷旁支护充填系统,重点阐述了不同形式或用途的模板支架结构特征。结合煤矿生产应用实践,介绍了回采工作面巷旁支护模板支架充填系统工艺。实践证明:充填支架(模板)适于沿空留巷巷旁支护系统,充填体强度性能稳定,可有效控制顶板及围岩活动,留巷维护效果良好。

临涣煤矿Ⅱ3采区覆岩隔离注浆充填开采试验

覆岩隔离注浆充填技术是控制煤矿开采沉陷和实现建筑物下压煤开采的一种有效方法。针对临涣煤矿Ⅱ3采区建(构)筑物压覆条件及地质开采条件,提出了无煤柱连续开采注浆充填减损方案。注浆充填减损效果模拟结果表明,多工作面覆岩隔离注浆充填开采后,地表变形值可控制在0.8 mm/m以内,处于I级变形。本研究制定了采区覆岩隔离注浆充填试验方案,并进行了现场试验及监测,3个工作面共充填粉煤灰38万t,累计采出压煤煤量130.6万t。钻孔内部岩移监测表明,注浆充填起到了很好的压下托上作用;地表沉陷观测表明,累计地表最大下沉335.1 mm,地面建筑物均得到有效保护。该项试验为多工作面开采条件下地面建(构)筑物注浆充填保护提供了理论及实践基础。

覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术探究

文章介绍了覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术的原理和应用情况,分析了该技术的应用条件,探讨了覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术在实际应用中需要把握的各要素。为煤矿选择开采方法提供参考。

覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术

现阶段,充填开采在国内煤矿领域得到了全面的发展,同时在压煤开采及环保中具有深远的意义。怎样从根本深化充填采煤有效性、减少充填投资即为煤矿充填开采环节亟待解决的一个问题,部分充填采煤技术是处理此问题的有效举措。以覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术作为切入点,在此基础上予以深入探究。

部分充填采煤技术的研究与实践

对煤矿充填开采而言,如何提高充填采煤效率、降低充填成本是需要持续深入研究的问题。结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发的部分充填采煤技术,为上述问题的解决提供了一条重要途径。在对我国充填采煤技术发展进行综述的基础上,系统总结了部分充填采煤技术的研究进展,包括:部分充填开采的概念与技术框架,覆岩隔离注浆充填、短壁冒落区嗣后充填、长壁墩柱同步充填等3种部分充填采煤技术的原理、设计方法、适用条件和应用情况。实践证明,部分充填是一种高效低成本充填采煤技术,尤其是覆岩隔离注浆充填,其吨煤充填成本仅为30~60元,单面充填采煤能力可达60~100万t/a,已在淮北矿区得到推广应用。

高性能混凝土在沿空留巷巷旁充填中的应用

通过分析研究屯兰矿18205工作面采用高性能混凝土进行沿空留巷巷旁充填支护试验情况,总结了材料的组成、性能特点和充填体构造与充填工艺要求,并对存在的问题及产生的原因进行了分析,提出了治理对策和预防措施。结果表明:高性能混凝土具有良好力学性能,可用于井下沿空留巷巷旁充填支护。充填体按高宽比1.0∶0.7,并配以适当的构造钢筋,对已充填体的墙体裂缝可采用无机注浆材料堵漏,高性能混凝土作巷旁充填材料,充填体稳定性好,可在沿空留巷巷旁充填支护中推广应用。

巷内预置充填带无煤柱覆岩离层充填开采技术优化研究

针对西山矿区为统筹解决地面沉降和留宽煤柱进行条带开采回采率之间存在的矛盾,在分析覆岩离层分区隔离注浆充填和巷内预置充填带无煤柱开采技术特点的基础上,提出巷内预置充填带无煤柱覆岩离层分区隔离充填开采技术,并根据实际资料,利用FLAC3D进行数值模拟。结果表明,预置充填体上的矿山压力及其稳定性满足生产要求,该技术可以使煤炭回采率得到提高,井下环境更加安全健康,地表沉陷控制效果更加理想。

部分充填采煤技术的应用研究

在当前的煤矿企业中,如何提高充填采煤效率、降低充填成本始终是煤矿企业面临的重要问题,也是需要进行持续性研究的现实问题.随着现代科学技术的发展,尤其是在充分的掌握部分充填采煤技术的同时,结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求的相关研发已逐步取得了相应的进展.借此,本主要从当前我国充填采煤技术发展为基础,系统的总结部分充填采煤技术在当前煤矿开采中的进展情况,以便更好的将部分充填开采的概念与技术框架,覆岩隔离注浆充填、短壁冒落区嗣后充填、长壁墩柱同步充填等采煤技术的相关原理、设计方法、适用条件和应用情况进行科学、合理、有效的分析,继而更好的推进部分充填采煤技术的全面发展.

淮北矿区海孜煤矿覆岩隔离注浆技术

绿色矿山建设成为行业共识,众多煤矿都在积极探寻高效环保的新型生产方式。淮北矿区海孜煤矿将矿山充填技术与矿井废弃物处理有机结合,采用了矸石覆岩隔离注浆充填技术,介绍了技术的背景、思路、原理以及实际应用情况。该技术能有效减少地面塌陷及地裂隙等地质灾害,同时消除地面煤矸石大量堆积导致的对矿区生态环境的破坏,实现经济效益和社会效益双达标。该技术可为矿山绿色开采提供新思路、新方法。

采动覆岩卸荷膨胀累积效应

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。