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。

大社矿覆岩隔离注浆合理层位高度

为了合理确定大社矿覆岩隔离注浆的最佳注浆层位高度,采用3DEC数值模拟的方法,结合大社矿921102工作面的实际情况,建立6种不同注浆层位高度(220 m、240 m、260 m、280 m、300 m、320 m)的设计方案,分析注浆充填材料对覆岩关键层的支撑作用,以及不同注浆层位高度对工作面地表减沉和地表倾斜的影响规律。结果表明,随着注浆层位高度的增加,地表最大沉降量也同时增大,建立注浆层位高度与最大下沉量的拟合曲线,注浆层位高度与最大下沉量呈指数关系;随着注浆层位高度的增加,地表倾斜变形量也同时增大,建立注浆层位高度与地表倾斜变形量的拟合曲线,注浆层位高度与地表倾斜变形值呈指数关系,现场工业性结果与数值模拟的结果基本吻合。

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。

覆岩隔离注浆充填绿色开采技术

充填是煤矿减损开采与固废减排的技术,覆岩隔离注浆充填是在深入揭示覆岩卸荷膨胀累积效应基础上提出的绿色开采新方法。该项技术通过确定控制岩层移动与地表沉陷的关键层,采用压实注浆新工艺,在关键层下的主层位实施高压注浆,将下方覆岩的卸荷膨胀量重新压缩转化为可充填空间,大幅提高了注采比,在采空区形成压实承载结构,支撑关键层,实现岩层沉陷控制与建(构)筑物保护。覆岩隔离注浆充填采用粉煤灰、煤矸石、煤泥等作为注浆材料,充分利用了煤矿采动空间与空隙,实现固废减排。介绍了不同类型固废制浆的工艺及特点,论述了充填浆液从固体-浆体-压实体的转变过程,以及浆液流动泌水固结特征。浆液由钻孔进入覆岩裂隙腔体内快速泌水,并在压力作用下不断固结压实,泌出水向注浆层围岩渗流。岩层饱和度对泌出水向工作面的流动产生影响。注浆充填体最终在地层内形成压实体,保证了地表沉陷控制的长期效果。除沉陷控制、固废减排之外,覆岩隔离注浆充填还可用于减震防冲、保水采煤等领域,并在无煤柱开采、相邻采空区开采、多煤层开采等复杂地质采矿条件中得到了成功应用。该技术的适用条件是工作面具有一定的基岩厚度,能够找出可作为注浆层位的关键层。未来该技术仍需在减震防冲、保水采煤中开展进一步试验研究。

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。

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。

淮北矿区巨厚火成岩下隔离注浆充填减灾机理研究

为解决淮北矿区部分矿井面临的坚硬厚覆岩下采煤灾害防治问题,对海孜煤矿II102采区巨厚火成岩下隔离注浆充填减灾进行了试验研究,揭示了坚硬厚覆岩下采动致灾机理,火成岩厚120~170 m、单向抗压强度120 MPa、完整性好,在其下方煤层开采时该岩层将大面积悬顶,使载荷施加于实体煤上形成应力集中;加之采深大,在该岩层下该工作面安全生产面临极大威胁。为此,提出了隔离注浆充填减灾技术措施,即在已采与待采工作面之间留设隔离煤柱,并先对已采工作面进行注浆充填消除离层空间,在后续工作面开采中实施注浆充填,从而对覆岩形成有效支撑。试验结果表明:地面9个注浆钻孔,向采动离层带、采空区充填粉煤灰471 994 m^3,安全采出煤炭56.3万t,消除了采区动力灾害威胁。

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。

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。

王楼煤矿13307工作面覆岩隔离注浆充填技术适用性评价

王楼煤矿井田范围内零散分布30个村庄,压覆大量煤炭资源。以往主要采取留设煤柱方式解决村庄压煤问题,损失了大量煤炭资源。工作面覆岩隔离注浆充填技术既能最大限度地提高煤炭资源回收,又能有效保护地面建(构)筑物使用安全。

覆岩隔离注浆充填开采技术在寺家庄矿的应用研究

覆岩隔离注浆充填开采技术是一种高效低成本充填技术,设计合理的隔离煤柱,充分利用上覆岩层的自承载能力,通过地面钻孔对采动覆岩高压注浆充填,形成压实支撑区,利用压实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“三下”开采。

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。

铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填开采试验研究

针对铁路隧道压煤开采问题,研究了长壁开采条件下铁路隧道的破坏形式及保护要求,提出覆岩隔离注浆充填保护隧道的方法。在采动影响下,铁路隧道保护的核心是变形后的内轮廓满足限界要求,其控制的关键在于减少开采导致的移动量。提出计算采动变形条件下隧道限界富余量的方法,推导出开采变形后隧道内轮廓的坐标方程,并计算其与限界的富余空间。开展长壁综放工作面覆岩注浆充填保护地面铁路隧道试验研究,共施工7个地面钻孔,对覆岩内裂隙进行注浆充填。通过实施注浆充填,隧道减沉率达到88%,限界满足列车通行要求。该方法为开采影响下地面隧道保护提供参考与借鉴。

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。

废弃井筒积水注浆隔离技术

为治理与临漳煤矿相连的废弃采空区井筒积水,分析废弃井筒积水条件,查清水源及通道,克服现场不利的施工条件,利用定向钻进技术,从井筒壁外打钻进入井筒,探明井筒坍塌和堵塞情况,调整原定施工方案,采用间歇注浆工艺,监测注浆过程水位、注浆压力变化,成功隔断上部冲积层水源经井筒补给煤矿的通道,达到治水效果。