專利名稱：減緩采煤區(qū)地表下沉的方法及其實施設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦的“三下”(即建筑物下、鐵路下、水體下)開采技術(shù)領(lǐng)域，主要適用于各種開采方法，地下采煤后，對上覆巖層內(nèi)離層傳遞帶進行密實充填，以減緩地表下沉。
地下采煤，破壞了地層原有壓力的平衡，由于巖石的自身重力，引起采場圍巖的活動，特別是煤層上覆巖層的活動。這種活動逐漸向上發(fā)展直到地表，從被開采煤層的頂板起，自下而上地出現(xiàn)了彎曲破裂帶(冒落破裂帶)、離層傳遞帶、緩慢沉降帶，導致地表下沉，影響地面建筑物與設(shè)施的安全。目前國內(nèi)外為解決采煤區(qū)地表沉降問題都采用了一些方法，但都不盡理想。其辦法有1.采煤時留置安全保護煤柱，或采用“條帶法”開采，以作支撐，此方法的滯留煤量多，降低了回采率;2.采煤后即時用水力、風力對采空區(qū)進行充填，此方法充填密實度差，只能解決薄煤層的開采問題，對厚煤層乃致特厚煤層開采問題無法解決。3.大面積協(xié)調(diào)開采、分次開采法是使采區(qū)地表均勻下沉并要始終保持地面水平，對煤層賦存條件要求嚴格，技術(shù)上、管理上難度大，無法普遍推廣。最終只有對采煤區(qū)地表的建筑物進行加固、維修或搬遷，造成重大經(jīng)濟損失。
本發(fā)明的目的是研制一種在采空區(qū)的對應(yīng)地表，對煤層上覆巖層進行密實充填、減緩地表下沉的方法及其實施設(shè)備。
本發(fā)明方法的要點是在采煤區(qū)的對應(yīng)地表，向煤層上覆巖層的離層傳遞帶中打鉆孔，然后用泵將充填材料從鉆孔壓入離層傳遞帶的空隙中，實現(xiàn)高壓密實充填，減緩與阻截離層傳遞帶以上巖層的繼續(xù)下沉。
鉆孔的位置在采區(qū)地表的預(yù)計最大下沉點和預(yù)計量小水平移動點之間的范圍內(nèi)，并根據(jù)該范圍內(nèi)地表建筑物和設(shè)施具體情況確定。若受地面建筑的限制，鉆孔可適當向上山方向移置。最大下沉點和最小水平移動點，按每個礦區(qū)的地表變形規(guī)律、根據(jù)有關(guān)參數(shù)，通過計算和圖解方法求得。如果是水平煤層其最大下沉點和最小水平移動點就在采空區(qū)的中心位置，如果是傾斜煤層，則要根據(jù)煤層傾角、下山影響角、上山影響角、最大下沉角等參數(shù)，求出最大下沉點和最小水平移動點。
兩個相鄰鉆孔的距離可為250-350m，鉆孔的深度H應(yīng)小于或等于煤層的上覆巖層厚度H0減去礦區(qū)采煤后形成的導水裂隙帶的最大高度h1和安全隔離帶巖層厚度h2，即H≤H0-h1-h2。鉆孔深度需達到離層傳遞帶中，但又不能接觸彎曲破裂帶，安全隔離帶屬于離層傳遞帶的一部分，是與彎曲破裂帶靠近的那一部分。安全隔離帶的厚度要根據(jù)巖層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)確定，可取50-150m。
在用鉆機打孔時，每50米測一次鉆孔斜度，每隔適當距離，取巖芯一次，以便掌握上覆巖層的資料，鉆孔達到預(yù)定深度時，取出鉆具進行電測，測得鉆孔不同深度的直徑和溫度。鉆孔直徑可為160-170mm。根據(jù)上述資料進行固井設(shè)計，固井的方法是先在鉆孔內(nèi)放入套管，為保證固井水泥環(huán)的厚度，套管直徑要比鉆孔直徑小30-50mm為保證套管豎直并居于鉆孔中央，在套管周圍置有扶正器，為便于水泥漿流動，套管下端比鉆孔底部要高出一段。然后在套管的上端安裝固井井頭裝置(膠塞予先置于井頭裝置內(nèi))，打開注水泥漿閥門，將500＃水泥制成比重為1.3-1.5的水泥漿注入套管內(nèi)，注漿量由套管外面的環(huán)形空間容積Q決定，Q＝KHπ(R2-r2)，式中，H為鉆孔深度，R為鉆孔的平均半徑，r為套管半徑，K為余富系數(shù)。由于注入水泥漿量要多于環(huán)形空間需要量，即K取為1.1-1.2。當達到規(guī)定注入量時，關(guān)閉注入水泥漿閥門，打開注泥漿閥門，使具有60-70kg/cm2壓力的泥漿注入套管內(nèi)，驅(qū)使套管內(nèi)的膠塞下移，將套管內(nèi)的水泥漿，由管下端壓入管外的環(huán)形空間，待水泥漿溢出后，關(guān)閉注泥漿閥門，保持壓力養(yǎng)生48小時左右，然后打開閥門放壓，拆除井頭裝置，重新下鉆具，清除鉆孔底部膠塞和水泥等一些雜物后。在套管內(nèi)按置注漿管，注漿管與套管直徑之比為1∶1.5-2.5。注漿管下端要比套管長出5-20m，在注漿管下端約有5m左右長度的管壁上，沿軸線方向均勻地設(shè)有排出漿孔，相鄰兩孔距離可為500mm，孔徑為8-10mm，管的下端為斜口，有利于充填材料的排泄，避舛氯?。哉aㄗ昕祝┛謐壩芯謐爸茫詬米爸蒙獻壩兇⒔藶廢低澈脫飯藶廢低?，诊喗隔湹统分柄嵣阀门E、F，閥門C、D和管路組成。循環(huán)管路系統(tǒng)是在注漿管阻塞時改變漿液流向，是防止和解決堵管問題的方便措施。
為實施本發(fā)明方法在井口設(shè)置固定式或移動式注漿站。
固定式注漿站包括儲灰場、皮帶機儲水箱、泥漿池，攪拌機，攪拌器、泥漿泵、井口裝置等，移動式注漿站，為多輛汽車組合，泥漿泵、攪拌機、泥漿箱、攪拌器、水箱等均在汽車上，可一站注多孔，充填材料可選用粒度在1mm以下的粉煤灰或粘土等，特別是利用火力發(fā)電廠的粉煤灰，既合理地處理了廢渣，又找到了廉價量大的充填材料，一舉兩得。體現(xiàn)了“以廢治沉”。
本發(fā)明方法的優(yōu)點不在礦井井下做工作而是在地面上采取措施對煤層上覆巖層離層帶進行密實充填，操作方法簡便易行，效果好，不受井下的空間、時間條件限制，不與生產(chǎn)干擾，安全可靠，井下開采，井上充填，開采充填兩不誤，可同步進行。不需復雜的技術(shù)裝備和高超的操作水平，易于掌握，造價低，設(shè)施可重復使用，利用率高，經(jīng)濟效益高，本發(fā)明方法與“條帶式”開采法比較，在達到相同地表變形值時，回采率可提高30%，生產(chǎn)效率可提高50%。與“大面積協(xié)調(diào)分次開采”法相比，在地面達到相同變形值時，巷道掘進率可降低一倍，巷道維修率可降低2-3倍，生產(chǎn)效率可提高50%以上。本發(fā)明方法雖需在地面打鉆孔、建注漿站，但與建筑物損壞動遷、土地沉陷賠償、復填造田等因素相比較經(jīng)濟效益是顯著的。


圖1是采煤區(qū)的上覆巖層斷面活動示意圖;
圖2是采煤區(qū)地表移動變形示意圖。
圖中，H0為上覆巖層總厚度，M為煤層厚度，a為緩慢沉降帶的厚度，b為離層傳遞帶的厚度，c為彎曲破裂帶的厚度，L為采空區(qū)長度δ為走向影響角，α為煤層傾角，β為下山影響角，γ為上山影響角，θ為最大下沉角，P為予計最大下沉點，S為予計最小水平變形點，W(x)為地表下沉預(yù)計曲線，Wmax為地表預(yù)計最大下沉值，u(x)為地表預(yù)計水平移動曲線，h1為采煤后形成的導水裂隙帶最大高度，h2為安全隔離巖層厚度。
圖3是固井示意圖;
圖4是鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有井頭裝置1，壓力表2，膠塞6，扶正器3，套管4，固井水泥漿閥門A，壓力泥漿閥門B，固井水泥環(huán)5。注漿管7注漿管下部篩孔8，注漿管路系統(tǒng)9，循環(huán)管路系統(tǒng)10注漿管下端斜口11。
圖5為固定式井口注漿站示意圖。
圖中有貯料場12，皮帶機13，攪拌機14，貯水箱15，攪拌器16，泥漿池17，泥漿泵18，水井19，潛水泵20，充填井口裝置21。
圖6為采煤后井下充填方法，上覆巖層活動狀況。
圖7為采煤后，離層帶泥漿充填方法，上覆巖層活動狀況。
上述發(fā)明方法結(jié)合撫順礦區(qū)地表變形規(guī)律及有關(guān)參數(shù)制定了實施方案，經(jīng)撫順礦區(qū)一年多實施，證明理論符合實際，效果明顯，經(jīng)濟效益大。
圖4是撫順礦區(qū)實施本發(fā)明的鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖;打鉆用國產(chǎn)鉆機鉆孔深度達離層傳遞帶內(nèi)時，為330m，鉆孔直徑165mm，套管用直徑為127mm的鋼管，長325m，注漿管直徑73mm，在管下端5m的長度上有幾排篩孔，每相鄰兩孔距500mm，孔徑10mm，在井(鉆孔)口建立固定注漿站，皮帶機6KW，攪拌器電動機6KW，泥漿泵為80KW和135KW。
注漿過程是先打開注漿管路系統(tǒng)〔9〕的閥門E，將充填物料(粉煤灰)及水按一定比例送進攪拌機〔14〕進行均勻攪拌，拌好的漿液落入泥漿池〔17〕，比重大于或等于1.2。為防沉淀，泥漿池〔17〕內(nèi)設(shè)有攪拌器〔16〕，每隔一定時間攪拌一次，池〔17〕內(nèi)泥漿由泥漿泵〔18〕用30-50kg/cm2壓力經(jīng)注漿管路系統(tǒng)〔9〕、閥門E進入離層傳遞帶的空隙中。若注漿管〔7〕阻塞，就打開循環(huán)管路系統(tǒng)〔10〕的閥門C，打開注漿管路系統(tǒng)〔9〕的閥門F，關(guān)閉閥門E，泥漿泵〔18〕將泥漿從閥門F壓入套管〔4〕，由孔底經(jīng)注漿管〔7〕、閥門C返回到泥漿池〔17〕，即處理注漿管〔7〕的阻塞問題。
經(jīng)過撫順礦區(qū)一年來每天連續(xù)注漿，注漿壓力由最初的80kg/cm2降到50kg/cm2，最后穩(wěn)定到35kg/cm2左右，現(xiàn)已注漿20000m3，其中電廠粉煤灰7000m3、水13000m3。上述密實充填實驗，經(jīng)地表每月觀測數(shù)據(jù)累計統(tǒng)計表明，地表最大下沉量比預(yù)計減少50-60%，最大下沉速度比預(yù)計減緩70-80%，在地下采煤范圍25700m2，煤層厚度27m的情況下，采出煤炭100余萬噸，用上述方法充填后，地面建筑物無損壞，安全無恙。
權(quán)利要求
1.一種減緩采煤區(qū)地表下沉的方法，其特征是在采煤區(qū)的對應(yīng)地表向煤層上覆巖層的離層傳遞帶中打孔，然后用泵將充填材料(泥漿)從鉆孔壓入離層傳遞帶的空隙中。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是鉆孔的位置在采區(qū)地表的預(yù)計最大下沉點和預(yù)計最小水平移動點之間的范圍內(nèi)，若受地面建筑物限制，鉆孔可適當向上山方向移置。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是兩個相鄰鉆孔之間的距離可為250-350m。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是鉆孔的深度H應(yīng)小于或等于煤層的上覆巖層厚度H0減去礦井采煤后形成的導水裂隙帶的最大高度h1和安全隔離帶巖層厚度h2，即H≤H0-h1-h2。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是鉆孔的直徑可為160-170mm，套管〔4〕的直徑要比鉆孔直徑小30-50mm。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是固鉆孔時，先在鉆孔內(nèi)裝入套管〔4〕，套管〔4〕周圍置有扶正器〔3〕，套管〔4〕下端比鉆孔底部高出一段，然后在套管〔4〕的上端安裝固井井頭裝置〔1〕，(膠塞〔6〕予先置于井頭裝置內(nèi))，打開注水泥漿閥門A，將水泥漿灌入套管〔4〕內(nèi)，當達到規(guī)定注入量時，關(guān)閉注入水泥漿閥門A，打開注泥漿閥門B，具有60-70kg/cm2壓力的泥漿驅(qū)使套管〔4〕內(nèi)的膠塞〔6〕下移，將套管〔4〕內(nèi)的水泥漿由管〔4〕下端壓入管外的環(huán)形空間，待水泥漿溢出地面后，關(guān)閉閥門B，保持壓力養(yǎng)生48小時左右，再打開閥門放壓，拆除井頭裝置〔1〕，重新下鉆具清除鉆孔底的膠塞〔6〕、水泥等雜物。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在套管〔4〕內(nèi)插入注漿管〔7〕，注漿管〔7〕比套管〔4〕長5-20m，注漿管〔7〕與套管〔4〕直徑之比為1∶1.5-2.5。
8.按照權(quán)利要求1、7所述的方法，其特征是在注漿管〔7〕下端約有5m左右長度的管壁上沿軸線方向均勻的設(shè)有排漿孔〔8〕，相鄰兩孔〔8〕距離可為500mm，直徑為8-10mm。
9.一種實施減緩采煤區(qū)地表下沉方法的井口注漿站，其特征是該站的設(shè)施包括儲料場〔12〕、皮帶機〔13〕、攪拌機〔14〕、貯水箱〔15〕攪拌器〔16〕、泥漿池〔17〕、泥漿泵〔19〕、潛水泵〔20〕、井口裝置〔21〕。
10.按照權(quán)利要求9所述的井口注漿站，其特征是井口裝置〔21〕上裝有注漿管路系統(tǒng)〔9〕、循環(huán)管路系統(tǒng)〔10〕及其C、D、E、F閥門。
全文摘要
本發(fā)明是一種減緩采煤后地表下沉的方法及其實施設(shè)備，其方法是在采空區(qū)的對應(yīng)地表向煤層上覆巖層的離層傳遞帶打鉆，然后固孔，最后向離層傳遞帶的空隙中高壓充填泥漿，以達到減緩下沉的目的，在充填時需在井口建立注漿站。
文檔編號E21B33/138GK1032378SQ87105090
公開日1989年4月12日 申請日期1987年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月26日
發(fā)明者齊東洪, 范學理, 杜維欣, 陳炤, 李波, 張朋福, 洪家明, 趙德深 申請人:撫順礦務(wù)局, 阜新礦業(yè)學院