一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料及固结方法与流程

本发明涉及煤岩体固结技术领域，特别是小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料及固结方法。

背景技术：

矿井火灾是威胁我国矿井安全生产的主要灾害之一，据不完全统计，我国地下煤火90％属于小窑破坏型。其中山西、新疆、内蒙等矿区小窑火广泛分布。矿井小窑通常采取旧式房柱式采煤法，其造成最直接的后果就是资源开采率低，导致煤炭资源的巨大浪费，存在开采无序、资料不全、管理混乱等缺陷，给整合后的大型煤炭企业生产带来巨大困难，主要表现在以下几个方面：

(1)小煤窑在煤层中任意掘进开采，形成大量纵横交错的老采空区、老巷道；

(2)多采取巷柱式或短壁式等回采率极低的开采方式，采空区顶板与围岩不易垮冒；

(3)小窑采空区围岩裂隙发育，在采动影响下，极易产生漏顶、片帮、采空区坍塌等现象，从而形成大范围松散煤岩体。

矿井采掘通过小窑开采严重破坏区时，受复杂地质构造、构造应力、支护结构与参数及水流体动力作用等因素的影响，大范围松散煤岩体对采掘作业威胁极大，煤岩体整体性及原始平衡状态遭到破坏，煤岩体出现不同程度变形并伴随大量能量释放，同时煤岩体内的弱面与裂隙会进一步发展，煤岩体变得松动、膨胀、来压强烈、破碎、变形量大、流变时间长，目前现有的煤岩体稳定性控制技术多存在一些无法克服的弊端，尤其是在通过小窑开采严重破坏区时，其中：

(1)传统碹体支护具有施工过程复杂、成本高、适应性受限等缺点；

(2)刚性支架支护仅适用于巷道稳定、顶板压力较小等使用地点；

(3)以u型钢为主的各种可缩性金属支架成本高，且多数可缩性金属支架因施工质量差而易出现变形破坏，导致逐渐失去承压作用；

(4)锚杆、锚索支护技术无法较好地适应于高应力、大变形、冒顶与破碎围岩及受采动影响的巷道。

综上所述，目前我国煤炭行业缺乏一种基于对煤岩体变形破坏失稳特征研究的松散煤岩体固结方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，固结松散煤岩体，有效改善工作面、顶板、围岩受力结构与性能，同时加固改善巷道承压能力与围岩侧向支撑能力，确保后期巷道与工作面的安全高效掘进与回采，可减少巷道返修率、降低巷道维护成本。本发明还提出一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，其为i号注浆材料，i号注浆材料包括a组分和b组分，其中，

a组分包括以下重量份的组分：硫铝酸钙水泥55-60份、粉煤灰38-43份、碳酸钠0.8-1.5份、硫酸钙0.4-0.8份、氧化钙0.2-0.5份；

b组分包括35％-45％的硅藻酸钾和55％-65％的辛酸亚锡；

a组分和b组分按照1∶1的体积比混合使用。

在第一个技术方案中，作为优选的，a组分包括以下重量份的组分：硫铝酸钙水泥57份、粉煤灰41份、碳酸钠1份、硫酸钙06份、氧化钙0.4份；b组分包括40％的硅藻酸钾和60％的辛酸亚锡。

在第二个技术方案中，一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，其为ii号注浆材料，ii号注浆材料包括c组分和d组分，其中，

c组分包括以下重量份的组分：黏土55-65份、水泥30-37份、煤矸石粉3-5份、石膏0.7-1.5份；

d组份为35％-45％的速凝剂、35％-45％的催化剂和15％-25％的悬浮剂的混合物；

c组分和d组分按照1∶1的体积比混合使用。

在第二个技术方案中，作为优选的，所述速凝剂为葡萄糖酸钠三丙醇，催化剂为三亚乙基二胺，悬浮剂为锆英粉。

在第二个技术方案中，作为优选的，c组分包括以下重量份的组分：黏土60份、水泥35份、煤矸石粉4份、石膏1份；d组份为40％的速凝剂、40％的催化剂和20％的悬浮剂的混合物。

在第三个技术方案中，一种小窑开采破坏区松散煤岩体井下固结方法，使用如第一个技术方案中的小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，以及使用如如第二个技术方案中的小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，包括以下步骤：

步骤1、在巷道前端顶板打若干上向顶板深部注浆孔和浅板深部注浆孔，在巷道两侧打巷道上部侧孔和巷道下部侧孔；在巷道顶部打顶板深部注浆孔、顶板浅部注浆孔；

步骤2、将i号注浆材料放入注浆装置料斗总成，加入同体积水，搅拌后逐个注入顶板深部注浆孔和顶板浅部注浆孔，然后用清水冲洗注浆装置及管路；将ii号注浆材料放入注浆装置料斗总成，加入同体积水，搅拌后逐个注入巷道上部侧孔和巷道下部侧孔，最后用清水冲洗注浆装置及管路；

步骤3、当浆液压注完6-8小时小窑开采破坏区顶板及两帮围岩松散煤岩体固结后，开始巷道掘进工作；

重复步骤1-步骤3，完成小窑开采破坏区松散煤岩体井下固结和巷道掘进。

在第三个技术方案中，作为优选的，所述顶板深部注浆孔的打孔位置和角度如下：

第一个顶板深部注浆孔，其与巷帮间距离l2位置，与巷道走向夹角θ，与巷道倾向夹角β；

第二个顶板深部注浆孔，其与第一个顶板深部注浆孔距离2l1位置，与巷道走向夹角θ，与巷道倾向夹角90°，且第二个顶板深部注浆孔位于巷道倾向中间位置；

第三个顶板深部注浆孔，其与第二个顶板深部注浆孔距离2l1位置，与巷道走向夹角θ，与巷道倾向夹角β。

在第三个技术方案中，作为优选的，所述顶板浅部注浆孔的打孔位置和角度如下：

第一个顶板浅部注浆孔，其在巷道顶板前端走向上距离深部注浆孔l3位置，倾向上距离巷帮l1+l2位置，与巷道走向夹角θ；

第二个顶板浅部注浆孔，其在沿巷道倾向距离第一个顶板浅部注浆孔2l1位置，且与巷道走向夹角θ；

第一个顶板浅部注浆孔以及第二个顶板浅部注浆孔与巷道倾向夹角均为90°。

在第三个技术方案中，作为优选的，巷道上部侧孔和巷道下部侧孔的打孔位置和角度如下：

巷道上部侧孔：其在巷道两侧与深部注浆孔同一截面上，与巷道顶板距离h1处，与水平方向夹角α；

巷道下部侧孔：其在巷道两侧与深部注浆孔同一截面上，与巷道上部侧孔开孔位置往巷道底板方向距离h2处，与水平方向夹角α。

在第三个技术方案中，作为优选的，所述顶板深部注浆孔与巷道走向夹角同于顶板浅部注浆孔与巷道走向夹角θ。

使用本发明的有益效果是：

利用两种不同的专用注浆固结材料及注浆工艺，配合配套注浆装置对小窑开采破坏条件下的松散煤岩体本身及垮落形成的空洞区域进行固结，本专利技术显著改善了松散煤岩体力学结构与性能，提高了巷道顶板承压能力与围岩侧向支撑能力，井下近距离打钻注浆模式克服了地面钻孔施工距离远、钻杆易错位、时间长缺点，固结后的煤岩体为后续矿井巷道掘进创造了有利条件，弥补了撞楔、管棚注浆、工字钢对棚+金属网+钢带等现有临时支护技术工程量大、施工环境差、工人劳动强度高、工期长方面的不足，工人也无需在冒落危险区域作业，保证了现场作业安全，降低了巷道返修率与维护成本，提高了煤矿经济效益。

附图说明

图1是本发明小窑破坏区松散煤岩体井下固结方法实施时巷道截面注浆孔布置示意图。

图2是图1的a-a剖面图。

图3是图1的b-b剖面图。

附图标记包括：

图中：1-巷道；2-巷道上部侧孔；3-巷道下部侧孔；4-顶板深部注浆孔；5-顶板浅部注浆孔；6-松散煤岩体区；7-冒顶区。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，其为i号注浆材料，i号注浆材料包括a组分和b组分，其中，a组分包括以下重量份的组分：硫铝酸钙水泥55-60份、粉煤灰38-43份、碳酸钠0.8-1.5份、硫酸钙0.4-0.8份、氧化钙0.2-0.5份；b组分包括35％-45％的硅藻酸钾和55％-65％的辛酸亚锡；a组分和b组分按照1∶1的体积比混合使用。

作为优选的，a组分包括以下重量份的组分：硫铝酸钙水泥57份、粉煤灰41份、碳酸钠1份、硫酸钙06份、氧化钙0.4份；b组分包括40％的硅藻酸钾和60％的辛酸亚锡。

一种小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，其为ii号注浆材料，ii号注浆材料包括c组分和d组分，其中，c组分包括以下重量份的组分：黏土55-65份、水泥30-37份、煤矸石粉3-5份、石膏0.7-1.5份；d组份为35％-45％的速凝剂、35％-45％的催化剂和15％-25％的悬浮剂的混合物；c组分和d组分按照1∶1的体积比混合使用。

作为优选的，所述速凝剂为葡萄糖酸钠三丙醇，催化剂为三亚乙基二胺，悬浮剂为锆英粉。作为优选的，c组分包括以下重量份的组分：黏土60份、水泥35份、煤矸石粉4份、石膏1份；d组份为40％的速凝剂、40％的催化剂和20％的悬浮剂的混合物。

具体的，i号注浆材料为双组份膨胀发泡类阻燃材料，主要利用其膨胀充填特性，其中a组份主要成分为硫铝酸钙水泥、粉煤灰、碳酸钠、硫酸钙、氧化钙。其中，硫铝酸钙水泥、粉煤灰、碳酸钠、硫酸钙、氧化钙在a组份中重量份数比分别为：58份、40份、1.1份、0.55份、0.45份。b组份主要为硅藻酸钾和辛酸亚锡，硅藻酸钾与辛酸亚锡在b组份中质量百分比分别为：40％、60％。a、b两种组份按照1∶1的体积比混合，注浆时，混合后的a、b料用同体积水充分混合，可迅速反应产生泡沫并快速膨胀到体积的2-5倍，膨胀完毕后，几分钟内硬化，20min硬化后抗压强度达到0.3mpa左右。

ii号注浆材料亦为双组份有机矿物树脂材料，主要利用其渗透固结特性，其中c组份主要为黏土、水泥、煤矸石粉和石膏，其中黏土、水泥、煤矸石粉、石膏在c组份中重量份数比分别为：61份、36份、4.1份、1.1份。d组份主要为葡萄糖酸钠三丙醇、三亚乙基二胺和锆英粉，其中，葡萄糖酸钠三丙醇、三亚乙基二胺、锆英粉在d组份中质量百分比分别为：40％、40％、20％，两种组份按照1∶1的体积比混合，注浆时，混合后的c、d料用同体积水充分混合，迅速反应产生块状聚合物，聚合物进入煤岩体后，会渗透裂隙与空隙中发生固化，与煤岩体产生高度粘合，使松散破碎煤岩体粘结成一体，且该种材料在水中不膨胀、不与水反应、在潮湿的煤岩层也具有良好的粘合性，可渗透0.14mm以上宽度的缝隙，具有超强渗透性，反应时间短、可控，反应温度低于99℃，阻燃、抗静电。

实施例2

如图1-图3所示，本实施例提出的一种小窑开采破坏区松散煤岩体井下固结方法，使用如实施例1中提出的小窑破坏区松散煤岩体井下固结材料，即i号注浆材料和ii号注浆材料，包括以下步骤：

步骤1、在巷道1前端顶板打若干上向顶板深部注浆孔4和浅板深部注浆孔，在巷道1两侧打巷道上部侧孔2和巷道下部侧孔3；在巷道1顶部打顶板深部注浆孔4、顶板浅部注浆孔5，顶板浅部注浆孔5打入冒顶区7；

步骤2、将i号注浆材料放入注浆装置料斗总成，加入同体积水，搅拌后逐个注入顶板深部注浆孔4和顶板浅部注浆孔5，然后用清水冲洗注浆装置及管路；将ii号注浆材料放入注浆装置料斗总成，加入同体积水，搅拌后逐个注入巷道上部侧孔2和巷道下部侧孔3，最后用清水冲洗注浆装置及管路；

步骤3、当浆液压注完6-8小时小窑开采破坏区顶板及两帮围岩松散煤岩体固结后，开始巷道1掘进工作；

重复步骤1-步骤3，完成小窑开采破坏区松散煤岩体井下固结和巷道1掘进。

具体的，顶板深部注浆孔4的打孔位置和角度如下：

第一个顶板深部注浆孔4，其与巷帮间距离l2位置，与巷道1走向夹角θ，与巷道1倾向夹角β；第二个顶板深部注浆孔4，其与第一个顶板深部注浆孔4距离2l1位置，与巷道1走向夹角θ，与巷道1倾向夹角90°，且第二个顶板深部注浆孔4位于巷道1倾向中间位置；第三个顶板深部注浆孔4，其与第二个顶板深部注浆孔4距离2l1位置，与巷道1走向夹角θ，与巷道1倾向夹角β。

顶板浅部注浆孔5的打孔位置和角度如下：

第一个顶板浅部注浆孔5，其在巷道1顶板前端走向上距离深部注浆孔l3位置，倾向上距离巷帮l1+l2位置，与巷道1走向夹角θ；第二个顶板浅部注浆孔5，其在沿巷道1倾向距离第一个顶板浅部注浆孔52l1位置，且与巷道1走向夹角θ；第一个顶板浅部注浆孔5以及第二个顶板浅部注浆孔5与巷道1倾向夹角均为90°。

顶板深部注浆孔4与巷道1走向夹角同于顶板浅部注浆孔5与巷道1走向夹角θ。

巷道上部侧孔2和巷道下部侧孔3的打孔位置和角度如下：

巷道上部侧孔2：其在巷道1两侧与深部注浆孔同一截面上，与巷道1顶板距离h1处，与水平方向夹角α；巷道下部侧孔3：其在巷道1两侧与深部注浆孔同一截面上，与巷道上部侧孔2开孔位置往巷道1底板方向距离h2处，与水平方向夹角α。

实施例3

结合实施例1和实施例2，并参考图1-图3，本实施例详细说明小窑开采破坏区松散煤岩体井下固结方法。

步骤a：设计并施工第一循环注浆钻孔，由一排巷道帮、顶深孔与一排巷顶浅孔组成并交替进行，其中：

(1)顶板深部注浆孔4一排三个，在小窑开采破坏区巷道1顶板松散煤岩体垮落后形成的孔洞区域施工，三个顶板深部注浆孔4倾角均为60°，左、中、右钻孔水平夹角分别为220°、0°及70°(沿巷道1走向对称分布)，左右两侧顶板深部注浆孔4开孔位置均距离中间顶板深部注浆孔41.2m；

(2)顶板浅部注浆孔5一排两个，在未垮落松散煤岩体区6域施工，其开孔位置沿巷道1走向与顶板深部注浆孔4相距0.5m，倾向上距离中间顶板深部注浆孔4两侧各0.6m，钻孔水平倾角与方位角与顶板深部注浆孔4相同；

(3)巷道1两侧煤岩体施工侧孔，一排四个，每侧各两个：巷道上部侧孔2开口位置距离巷道1顶板0.7m、水平倾角10°；巷道下部侧孔3开口位置距离巷道1顶板1.8m、水平倾角-10°。

如上所述，顶板浅部注浆孔5直径42mm、孔深2.5m；顶板深部注浆孔4直径32mm、孔深8m；巷道上部侧孔2和巷道下部侧孔3直径32mm、孔深5m，钻孔施工完毕，均需全程下套管并安设阀门，其他循环均按此规则设计、施工注浆钻孔，具体循环次数由松散煤岩体冒落范围决定。

步骤b：将i号注浆材料、ii号注浆材料及注浆装置运至注浆区域附近安全地带，将高压胶管接至注浆钻孔，通过快速接头将高压胶管与s管阀连接起来；供水同时开启注浆装置料斗螺旋搅拌部分，将组份材料按设计掺加比例倒入料斗中搅拌，然后启动注浆装置泵送系统与液压系统，在两个泵送油缸交替动力作用下，将充分混合的浆体材料连续送入s管中，并最终压入目标充填区域；每一循环中，优先注顶板浅部注浆孔5，后注顶板深部注浆孔4，最后注巷道上部侧孔2和巷道下部侧孔3。按照先注顶板后注围岩顺序，单个孔顺次注浆。用i号注浆材料充填顶板区域，ii号注浆材料处理围岩区域。

步骤b：将第一循环内所有钻孔注满后，停止注料，用清水冲洗整个注浆管路及注浆泵，完毕后设计并施工第二循环注浆钻孔，直至整个小窑开采破坏区域内松散煤岩体区6域注浆充填结束。

为明确本实施例中部分符号的含义，添加以下说明：

α、巷道1上或下部侧孔与水平方向夹角；

β、顶板深部注浆孔4与巷道1倾向夹角；

θ、顶板深部注浆孔4与巷道1走向夹角；

h1、巷道上部侧孔2开孔位置与巷道1顶板的距离；

h2、巷道上部侧孔2开孔位置与巷道下部侧孔3开孔位置间的距离；

h3、巷道下部侧孔3开孔位置与巷道1底板的距离；

h、巷道1高度；

l1、顶板深部注浆孔4与顶板浅部注浆孔5开孔位置间巷道1倾向距离；

l2、顶板深部注浆孔4与巷帮间的距离；

l3、顶板深部注浆孔4与顶板浅部注浆孔5开孔位置间巷道1走向距离；

l巷道1宽度。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

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