一种煤层底板筏基础的建造方法.pdf

本发明的煤层底板筏基础的建造方法，包括以下步骤：1)选择建立筏基础层位：根据煤层底板灰岩含水层的分布、抗渗性特征，选定第一层灰岩至第四层灰岩为建造筏基础的层位；2)确定筏基础面积：平面上筏基础范围扩大到工作面风、机巷及切眼外35m，通过全覆盖注浆形成筏基础，工作面位于该筏基础内；3)加固改造筏基础；4)检验筏基础，本发明的煤层底板筏基础的建造方法具有适应性强、简单易行、安全可靠的特点，可广泛应用于高承压水体上带压开采。

1.  一种煤层底板筏基础的建造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选择建立筏基础层位：根据煤层底板灰岩含水层的分布、抗渗性特征，选定第一层灰岩至第四层灰岩为建造筏基础的层位；
2)确定筏基础面积：平面上筏基础范围扩大到工作面风、机巷及切眼外35m，通过全覆盖注浆形成筏基础，工作面位于该筏基础内；
3)加固改造筏基础：通过注浆加固提高煤层底板岩层的阻水能力，对所述筏基础垂向范围内的第一层灰岩至第四层灰岩经注浆加固形成隔水层，其中第三层灰岩和第四层灰岩注浆加固形成隔水关键层，根据注浆材料、扩散半径、抗渗性试验，确定注浆材料、水灰比、注浆量、注浆终压、扩散半径及注浆范围；
4)检验筏基础：采用物探方法和钻探方法检验注浆效果，确保筏基础牢固可靠。

2.  根据权利要求1所述的煤层底板筏基础的建造方法，其特征在于：所述步骤4)中的注浆材料为325号普通硅酸盐水泥，水灰比配比为1:1，注浆时按照由稀到浓，再由浓到稀的步骤进行注浆。

3.  根据权利要求2所述的煤层底板筏基础的建造方法，其特征在于：所述步骤4)中注浆时采用单液水泥浆，注浆结束标准为：注浆终压不小于静水压的2倍，注浆吸浆量不大于20L/min。

4.  根据权利要求3所述的煤层底板筏基础的建造方法，其特征在于：按照等效连续介质模型计算扩散半径，扩散半径在25～30m之间。

5.  根据权利要求4所述的煤层底板筏基础的建造方法，其特征在于：若考虑各向异性则扩散半径扩大为所述扩散半径的8～10倍。

一种煤层底板筏基础的建造方法
技术领域
本发明涉及采矿领域，具体涉及一种煤层底板筏基础的建立与利用的方法。
背景技术
我国某些区域的煤田例如山西组下部1煤组下距太原组灰岩(简称太灰)较近仅18～26m，开采过程中多次发生底板灰岩突水淹井事故，多年研究认为太灰上段第一层灰岩至第四层灰岩是山西组下部煤层开采的直接充水含水层，其中第三层、第四层灰岩厚度大，富水性相对强；中段(即第五层灰岩至第十一层灰岩顶板)为薄灰岩夹于泥岩、砂岩间，可认为是相对隔水层；下段(即第十一层灰岩至第十三层灰岩)与深部奥陶系厚层灰岩组成本区主要含水层，是重点设防对象。该灰岩岩溶水具高承压、不均一、难疏降的特点，水文工程地质条件较复杂，由于受底板高承压岩溶裂隙水的威胁，1煤组未能实现规模开采。
发明内容
本申请的发明目的在于解决目前上述技术问题，而提供一种适应性强、简单易行、安全可靠，且可广泛应用于高承压水体上带压开采的煤层底板筏基础的建造方法。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的煤层底板筏基础的建造方法包括以下步骤：
1)选择建立筏基础层位：根据煤层底板灰岩含水层的分布、抗渗性特征，选定第一层灰岩至第四层灰岩为建造筏基础的层位；
2)确定筏基础面积：平面上筏基础范围扩大到工作面风、机巷及切眼外35m，通过全覆盖注浆形成筏基础，工作面位于该筏基础内；
3)加固改造筏基础：通过注浆加固提高煤层底板岩层的阻水能力，对所述筏基础垂向范围内的第一层灰岩至第四层灰岩经注浆加固形成隔水层，其中第三层灰岩和第四层灰岩注浆加固形成隔水关键层，根据注浆材料、扩散半径、抗渗性试验，确定注浆材料、水灰比、注浆量、注浆终压、扩散半径及注浆范围；
4)检验筏基础：采用物探方法和钻探方法检验注浆效果，确保筏基础牢固可靠。
本发明所述步骤4)中的注浆材料为325号普通硅酸盐水泥，水灰比配比为1:1，注浆时按照由稀到浓，再由浓到稀的步骤进行注浆。
本发明所述步骤4)中注浆时采用单液水泥浆，注浆结束标准为：注浆终压不小于静水压的2倍，注浆吸浆量不大于20L/min。
本发明中按照等效连续介质模型计算扩散半径，扩散半径在25～30m之间。
本发明中若考虑各向异性则扩散半径扩大为所述扩散半径的8～10倍。
本发明的煤层底板筏基础的的建造方法与现有技术相比区别在于：高承压水体上开采煤炭资源主要方法为疏水降压开采，或者带压开采。而深部灰岩具高承压、富水性不均、难疏降特点，所以只能采用高承压水体上带压开采，为此采用加固底板隔水层或改造底板含水层，实现带压开采。由于底板灰岩含水层裂隙的各向异性，仅对工作面内底板注浆加固，深部高承压水可以经侧面导升并涌入矿坑，酿成事故。而通过本发明的煤层底板筏基础根据扩散半径确定工作面风、机巷和切眼外注浆范围，对灰岩岩体进行整体加固形成筏基础，利用该筏基础防止高承压水从侧向上涌入矿坑，可以避免类似的情况出现，此方法具有适应性强、简单易行、安全可靠的特点，可广泛应用于高承压水体上带压开采。
附图说明
图1是本发明的煤层底板下的太原组灰岩的整体结构示意图；
图2是本发明的煤层底板筏基础的的结构示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，煤层14直接底板发育泥岩、砂岩等地层，在煤层开采后，受采动影响失去隔水作用，灰岩地层为薄层灰岩与泥岩、粉砂岩、砂岩等相间发 育的一套地层组合，灰岩地层分三段：上段为第一层灰岩1、第二层灰岩2、第三层灰岩3和第四层灰岩4，是煤层开采主要充水含水层，中段为第五层灰岩5、第六层灰岩6、第七层灰岩7、第八层灰岩8、第九层灰岩9、第十层灰岩10，为弱含水层或相对隔水层，下段为第十一层灰岩11、第十二层灰岩12和第十三层灰岩13，与下伏奥灰平行不整合接触，奥灰为淮南地区主要含水层，是设防重点对象。
灰岩具埋深大、水压高、富水性不均、难疏降特点，只能采用高承压水体上带压开采。为此采用加固底板隔水层或改造底板含水层，增强底板抵抗深部太灰下段及奥灰的阻水能力，实现带压开采。由于底板灰岩含水层裂隙的各向异性，仅对工作面内底板注浆加固，深部高承压水可以侧面导升并涌入矿坑，酿成事故。
因此本实施例对灰岩岩体进行整体加固形成筏基础15，利用该筏基础15防止高承压水从侧向上涌入矿坑，避免类似的情况出现。
本实施例的煤层14底板筏基础15的建造方法，包括以下步骤：
1)选择建立筏基础15层位：实测资料及理论研究表明，煤层14底板破坏 深度与采煤工作面的矿压作用和煤层底板的抗破坏能力有关，其底板破坏深度与开采深度成正比例关系，其公式为：h₁＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579，式中：h₁为底板采动导水破坏深度(m)；H为采深(m)；α为煤层14倾角(°)；L为工作面斜长(m)。通过公式和本区实测值得出底板采动破坏深度h1＝18.3m，并且通过RFPA和FLAC数值模拟得出采动底板破坏深度分别为19m和19.5m，而第一层灰岩至第四层灰岩的厚度分别为3.03m、2.77m、7.98m和10.05m，为了使注浆后煤层14底板不会受底板采动破坏影响，选择第一层灰岩至第四层灰岩为建造筏基础15的层位，重点对第三层、第四层灰岩注浆加固来再造隔水关键层。
2)确定筏基础15面积：平面上筏基础15范围扩大到工作面风、机巷及切眼外35m，通过全覆盖注浆形成筏基础15，工作面位于该筏基础15内；
3)加固改造筏基础15：通过注浆加固降低煤层14底板突水系数临界值，对筏基础15垂向范围内的第一层灰岩至第四层灰岩经注浆加固形成隔水层，对第三层灰岩和第四层灰岩注浆加固形成隔水关键层，通过注浆材料、扩散半径、抗渗性试验，确定注浆材料、水灰比、注浆量、注浆终压、扩散半径及注浆范围；
4)检验筏基础15：采用物探方法和钻探方法检验注浆效果，确保筏基础15牢固可靠。
本实施例中步骤4)中的注浆材料为325#普通硅酸盐水泥，水灰比配比为1:1，注浆时按照由稀到浓，再由浓到稀的步骤进行注浆。
具体实施时，在正式注浆前，先对不同类型的注浆液进行一系列试验，每个浆液类型分六组浓度，分别在六组不同钻孔进行注浆试验，主要考察注浆速率、泄压速率及总进浆量，其中注浆速率v1、泄压速率v2越快，注浆越有效，同时，浓度h越高，注浆成效越好，其中总进浆量Q越大，试验结果越接近真实效果。由此可以假定一有效因子M,则第i组浓度配比有：
Mi=hiv2iv1i·Σn=16Qn6Qi]]>
式中：v₁为注浆流量，v₂为泄压速率，Q为总进浆量，h为初始浓度。 
M用以定性的判断浆液效果，M值越小越有效，注浆材料类型选择试验过程为：
1.随着浆液浓度的提升，注浆速率呈现加速下降的趋势，转折点基本上在1:1与1.5:1之间。
2.从各个钻场计算出的M值可知，M值最小值基本在0.75:1与1.5:1之间。其中-650m1煤东翼截水巷4#钻场的S7-1#孔、10#钻场的S19-2#孔由于在材料试验期间就已经饱和，呈现注浆速率急速下降状态，因此得到的M值失真。
3.现场施工情况来看，加入黄泥和粉煤灰会加大工作量，而且黄泥的颗粒大小难以掌控，很难溶于水，几乎都沉淀形成块体，很容易打坏注浆机，故黄泥不考虑进入注浆材料中；而粉煤灰和黄泥的实际效果并没有水泥效果好、强度高。
4.经济效益上看，黄泥和粉煤灰浆液材料其运输和其制浆流程复杂，费用不会较水泥浆液低，而从试验钻孔注浆量可以看出其耗浆量不是很大，所用注浆的325#普通硅酸盐水泥不多，经济费用不会很高，经济效益好，故选用水泥浆液经济效益好，通过以上分析，最终选用325#普通硅酸盐水泥作为注浆材料，浆液浓度配比为1:1(质量比)，注浆时采用单液水泥浆，注浆终止标准为：注浆终压不小于静水压的2倍，注浆吸浆量不大于20L/min。
本实施例中步骤3)中的扩散半径的选择方法如下：为节省人力物力，扩散半径试验与注浆试验同时进行，主要考察：观测孔出浆历时，观测孔出浆时总进浆量，这里为简化计算，将扩散模型简化成高度为该层灰岩厚度的等效连续介质的圆柱模型，按照空隙率为0.1％可以算出各向同性和各向异性情况下的扩散半径，根据计算结果，原则上选取的注浆孔间距为44m，为保险起见并实现交叉渗透注浆，将注浆孔间距缩短至30m，按照等效连续介质模型计算扩散半径，扩散半径在25～30m之间，若考虑各向异性则扩散半径扩大为扩散半径的8～10倍。
本实施例步骤4)中的检验方法如下：
1.物探方法：物探法可以宏观地评定注浆效果，特别是对于帷幕注浆的纵向连续性检测。利用瞬变电磁法和电法等物探手段在注浆前进行物探，从而得出底板岩层的富水情况和地质构造情况，岩层视电阻率相对较高，为正常岩层，岩层视电阻率相对偏低，反映该层段岩层为异常区域。待注浆加固后在同条件下再进行物探检测，得到地质构造情况和富水情况。对比注浆前后物探规律，尤其是注浆前岩层视电阻率相对偏低的区域。如果注浆后探测到岩层视电阻率相对偏低的区域，应对其进行钻探监测。
2.钻探方法：根据分析注浆后浆液的扩散规律在浆液没有扩散到的区域和注浆后在物探中探测出电阻率相对较低的区域应该采用钻探方法检测以评价其注浆效果。在钻探法检测中利用“一孔多用”原则来检验其注浆效果，该钻孔不仅可以在宏观上观察裂隙充填情况，以判定注浆效果；而且可以做注水试验，抗渗性实验等来检测注浆效果；并可取芯做实验以探查其岩石的力学性质等来评价注浆效果。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。