一种离层注浆工艺

本发明属于煤炭开采，具体地说是一种离层注浆工艺。

背景技术：

1、富煤、贫油、少气的资源禀赋特征，决定了未来相当长时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。我国煤矿多为地下开采，地下采煤引起的地表沉陷和生态环境问题日益严重；覆岩离层注浆开采，通过向关键层下方的离层空间注入浆体材料，支撑关键层，防止其发生破断，从而控制采动变形通过关键层向上传导，最终实现地表减沉的目的，表明离层注浆能够有效控制关键层变形与地表沉陷；

2、然而，传统的离层注浆工艺注浆浓度和压力低，限制了浆液的充填效果，无法有效支撑上部地层自重，影响注浆的稳定性和效果，并且多离层灌浆不能有效支撑上部地层，可能导致地层下沉，同时在对注浆时机方面存在不确定性，导致注浆效果不理想，无法准确控制注浆层位，对关键层和离层空间的要求较高，增加了操作难度。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种离层注浆工艺，以解决背景技术中所提出的问题。

2、一种离层注浆工艺，包括以下具体步骤：

3、s1、确定覆岩关键层，对煤层上覆的岩层进行分析，包括岩层的岩性、厚度、容重、抗拉强度和弹性模量，判别出在岩层活动中起主要控制作用的坚硬厚岩层，即为关键层；

4、s2、选择注浆层位，在关键层下方的离层区内、采动导水裂隙带之上选择注浆层位，注浆层位采用多层位注浆方式，设置有高位注浆和低位注浆；

5、s3、确定钻孔间距，根据关键层破断距离和浆液扩散半径确定；

6、s4、判断注浆时机，在工作面超前支承压力达到峰值时进行注浆，利用水压变化判断离层形成的最佳时机；

7、s5、设定注浆压力，根据注浆层位的自然地压，高位注浆压力设定在6mpa～10mpa，低位注浆压力设定在200kpa～500kpa；

8、s6、预备注浆材料，使用煤矸石粉末、粉煤灰、水泥或混合物浆液作为注浆材料；利用大量的粉煤灰、煤矸石等工业固体废弃物，实现以废治废，转化为资源；

9、s7、执行注浆操作，利用压力泵将浆液通过注浆管注入到关键层下的离层内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体。

10、优选的，关键层的确定通过地质钻探和测井获得岩层的厚度和岩性信息，并制作标准岩样进行岩石物理参数测试，获得容重、抗拉强度和弹性模量数据，确定主关键层n和亚关键层n-1；从而计算关键层的刚度和强度：

11、s101、计算关键层刚度：假设煤层上覆有n层基岩层，第i层岩层作用于第一层岩层的载荷计算表达式为：

12、pi＝ei·γi·hi

13、其中，pi表示第i层岩层的载荷，ei表示弹性模量，γi表示容重，hi表示厚度；

14、s102、计算关键层强度：通过比较硬岩层的破断距判断其是否随下层关键层的破断而同步破断，硬岩层的破断距计算采用两端固支梁模型，则极限跨距表达式为：

15、

16、其中，lmax表示极限跨距，e表示弹性模量，i表示惯性矩，γ表示容重。

17、优选的，注浆填充层位的确定需要计算裂隙带高度，表达式为：

18、hcrack＝k·m-0.95·m+1.82±14.57

19、其中，hcrack表示裂隙带高度，k表示常数，m表示累计采厚；在关键层下方，由采动导致的离层空间、采动导水裂隙带之上的离层区内为注浆层位。

20、优选的，根据关键层破断距离和浆液扩散半径确定钻孔间距，其中：

21、s301、确定关键层破断距离：由覆岩层分析得表达式：

22、

23、其中，l表示破断距离，h表示关键层的厚度，v表示泊松比，h表示覆岩层的厚度，e表示弹性模量，γ表示容重；

24、s302、估算浆液扩散半径：通过利用粉煤灰注入量计算充填压实体体积，从而推导估算公式，或由数值模拟确定，表达式为：

25、

26、其中，r表示浆液扩散半径，q表示注浆量，h表示注浆层的厚度；

27、s303、计算钻孔间距：钻孔间距小于或等于浆液扩散半径，确保浆液能够有效填充预期的区域，表达式如下：

28、d＝min(l,2r)

29、其中，钻孔间距表示为d，关键层的破断距离为l，浆液的扩散半径为r，使钻孔间距足够小以确保两个相邻钻孔的浆液扩散区域进行重叠，进行有效的注浆覆盖。

30、优选的，在进行高位注浆操作时，钻孔位于离层区域内，钻孔间距不超过20米，覆盖整个离层区域，主关键层n下方的钻孔深度覆盖亚关键层n-1的上部，使注浆材料能够达到关键层n和亚关键层n-1之间的离层区域，进行有效渗透到裂隙中，使用注浆泵将浆液注入钻孔中，从而将其输送到主关键层n下方的离层区域；

31、在进行低位注浆操作时，钻孔位于离层区域内，钻孔间距不超过10米，覆盖整个离层区域，亚关键层n-1上方的钻孔深度覆盖主关键层n的下部，使注浆材料能够到达亚关键层n-1和主关键层n之间的离层区域，进行有效渗透到裂隙中，使用注浆泵将浆液注入钻孔中，将其输送到亚关键层n-1上方的离层区域。

32、优选的，判断注浆时机采用“四区”控制模型，将采动覆岩离层注浆地表沉陷划分为常规区、过渡区、注浆区和控制区；常规区为最接近工作面的区域，在常规区不进行注浆，过渡区位于常规区和注浆区之间，在过渡区进行部分注浆，在注浆区进行注浆以控制沉陷，控制区位于注浆区外围，进行注浆用于最终控制沉陷。

33、优选的，执行注浆操作时，进行提前成孔，在离层形成时立即实施注浆，并选择泵流量大且能够无级变速的注浆泵。

34、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

35、本发明通过高压注浆，有效支撑上部地层，注浆浓度达到75％，有效提高浆液的充填效果，使在采煤采空区上部地层出现离层尚未塌陷垮落之时，立即进行注浆处理，保持了稳定的地层结构，整体技术在保证减沉的基础上，还具有煤炭工作面采宽大，回采率高的优点。

技术特征：

1.一种离层注浆工艺，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.如权利要求1所述一种离层注浆工艺，其特征在于：关键层的确定通过地质钻探和测井获得岩层的厚度和岩性信息，并制作标准岩样进行岩石物理参数测试，获得容重、抗拉强度和弹性模量数据，确定主关键层n和亚关键层n-1；从而计算关键层的刚度和强度：

3.如权利要求1所述一种离层注浆工艺，其特征在于：注浆填充层位的确定需要计算裂隙带高度，表达式为：

4.如权利要求1所述一种离层注浆工艺，其特征在于：根据关键层破断距离和浆液扩散半径确定钻孔间距，其中：

5.如权利要求4所述一种离层注浆工艺，其特征在于：在进行高位注浆操作时，钻孔位于离层区域内，钻孔间距不超过20米，覆盖整个离层区域，主关键层n下方的钻孔深度覆盖亚关键层n-1的上部，使注浆材料能够达到关键层n和亚关键层n-1之间的离层区域，进行有效渗透到裂隙中，使用注浆泵将浆液注入钻孔中，从而将其输送到主关键层n下方的离层区域；

6.如权利要求1所述一种离层注浆工艺，其特征在于：判断注浆时机采用“四区”控制模型，将采动覆岩离层注浆地表沉陷划分为常规区、过渡区、注浆区和控制区；常规区为最接近工作面的区域，在常规区不进行注浆，过渡区位于常规区和注浆区之间，在过渡区进行部分注浆，在注浆区进行注浆以控制沉陷，控制区位于注浆区外围，进行注浆用于最终控制沉陷。

7.如权利要求1所述一种离层注浆工艺，其特征在于：执行注浆操作时，进行提前成孔，在离层形成时立即实施注浆，并选择泵流量大且能够无级变速的注浆泵。

技术总结本发明属于煤炭开采技术领域，提供了一种离层注浆工艺，包括以下具体步骤：判别关键层，在关键层下方的离层区内、采动导水裂隙带之上选择注浆层位，采用多层位注浆方式，设置高位注浆和低位注浆；根据关键层破断距离和浆液扩散半径确定钻孔间距；在工作面超前支承压力达到峰值时进行注浆，利用水压变化判断离层形成的最佳时机；设定高位注浆压力设定在6MPa～10MPa，低位注浆压力设定在200KPa～500KPa；使用煤矸石粉末、粉煤灰、水泥或混合物浆液作为注浆材料；本发明有效支撑上部地层，有效提高浆液的充填效果，保持了稳定的地层结构，在保证减沉的基础上，还具有煤炭工作面采宽大，回采率高的优点。技术研发人员：周科,刘应科受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15