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面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范

杜金龙 潘树仁 刘长友 魏云迅 鲁岩 潘海洋 齐宽 赵明 刘厚松 姚宏鑫 周瑶 晏嘉 李世念 张彪 张丝诺

杜金龙, 潘树仁, 刘长友, 魏云迅, 鲁岩, 潘海洋, 齐宽, 赵明, 刘厚松, 姚宏鑫, 周瑶, 晏嘉, 李世念, 张彪, 张丝诺. 面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(3): 293-307. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002
引用本文: 杜金龙, 潘树仁, 刘长友, 魏云迅, 鲁岩, 潘海洋, 齐宽, 赵明, 刘厚松, 姚宏鑫, 周瑶, 晏嘉, 李世念, 张彪, 张丝诺. 面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(3): 293-307. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002
Du Jinlong, Pan Shuren, Liu Changyou, Wei Yunxun, Lu Yan, Pan Haiyang, Qi Kuan, Zhao Ming, Liu Housong, Yao Hongxin, Zhou Yao, Yan Jia, Li Shinian, Zhang Biao, Zhang Sinuo. Key grouting technology and engineering demonstration for green mines[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(3): 293-307. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002
Citation: Du Jinlong, Pan Shuren, Liu Changyou, Wei Yunxun, Lu Yan, Pan Haiyang, Qi Kuan, Zhao Ming, Liu Housong, Yao Hongxin, Zhou Yao, Yan Jia, Li Shinian, Zhang Biao, Zhang Sinuo. Key grouting technology and engineering demonstration for green mines[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(3): 293-307. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002

面向绿色矿山的注浆关键技术与工程示范

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.002
基金项目: 

国家自然科学基金 52074267

中国煤炭地质总局科技专项 ZMKJ-2017-01

中国煤炭地质总局科技专项 ZMKJ-2018-02

中国煤炭地质总局科技专项 ZMKJ-2022-JBGS01-1

详细信息
    作者简介:

    杜金龙(1980—),男,湖北枝江人,博士,正高级工程师,主要从事矿山环境修复等方面的研究工作。E-mail:dujinlong104@163.com

    通讯作者:

    潘树仁(1967—),男,江苏东台人,硕士,教授级高级工程师,主要从事水文地质、矿山环境修复等方面的研究工作。E-mail:sr_pan@sohu.com

  • 中图分类号: TD353

Key grouting technology and engineering demonstration for green mines

  • 摘要: 针对地表塌陷、水资源破坏、煤基固废堆积等问题,系统性提出了煤炭绿色开采“减沉、增载、处废、控水”一体化的多元耦合注浆技术体系,并成功示范。具体内容有:(1)综合利用理论分析、数值模拟、现场探测(钻探、超声成像、井下电视、光纤监测)等手段,研究了采动空隙空间与原生裂隙空间发育演化规律,尤其是将分布式光纤技术应用于离层空间探测,实现了注浆空间的精准识别。(2)利用煤基固废(煤矸石、粉煤灰)等制备了应用于不同场景的多源无机高性能注浆材料,将煤矸石作为离层注浆材料实现了规模化处置,同时研发了具有水下抗分散性、高体积系数、高塑性强度的新型KEP注浆堵水材料。(3)将丛式井技术运用到离层注浆孔钻探施工,有效规避采动超前破坏;集成研制了全天候、高泵压、大流量智能化注浆系统;应用补强注浆工艺,强化注浆减沉效果。(4)提出了注浆效果监测检测技术体系,重点阐述了钻探取芯与测井相结合的钻孔检测方法。(5)形成了以离层注浆减沉处废、垮落带注浆处废、老空区注浆增载处废和顶板裂隙注浆控水为核心的智能化技术体系,并在夏店煤矿、新浦磷矿、曹家滩煤矿、高家堡煤矿进行了工程示范,为我国绿色矿山建设提供了新思路。
  • 图  1  现有注浆技术分类

    Figure  1.  Classification of existing grouting technology

    图  2  面向绿色矿山的注浆关键技术体系

    Figure  2.  Key grouting technology system for green mines

    图  3  采动过程离层发育云图

    Figure  3.  Cloud map of bed separation development during mining

    图  4  门克庆煤矿井下电视探查离层结果影像

    Figure  4.  Image of underground television exploration for separation layer in Menkeqing Coal Mine

    图  5  门克庆煤矿关键层下方离层区横向裂隙超声成像结果

    Figure  5.  Ultrasonic imaging of transverse fractures in the separation zone below the key strata in Menkeqing Coal Mine

    图  6  钻孔内光纤布设示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of optical fiber layout in borehole

    图  7  五阳煤矿试验工作面探查孔位置(红色圆圈)示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of exploratory hole position (red circle) in test working surface of Wuyang Coal Mine

    图  8  五阳煤矿光纤监测地层变形曲线

    Figure  8.  Formation/deformation curve monitored by optical fiber in Wuyang Coal Mine

    图  9  应力场分析原理

    Figure  9.  Mechanism of stress field analysis

    图  10  高家堡井田煤层顶界应力场模拟分析示例[24]

    Figure  10.  Simulation analysis of stress field at the top boundary of coal seam in Gaojiabao mine field[24]

    图  11  KEP的应力-应变曲线

    Figure  11.  Stress-strain curve of KEP

    图  12  KEP注浆材料的塑性强度变化曲线

    Figure  12.  Plastic strength change curve of KEP grouting material

    图  13  KEP浆液的抗水分散性

    Figure  13.  Water dispersion resistance of KEP grouting material

    图  14  KEP与纯水泥浆的结石率和密度

    Figure  14.  Stone rate and density of KEP material and cement grout

    图  15  KEP浆液结石体微观形貌

    Figure  15.  Micromorphology of KEP slurry stone body

    图  16  夏店煤矿注浆孔轨迹三维投影示意图

    Figure  16.  Three-dimensional projection of grouting hole track

    图  17  丛式井常见孔身结构示意图

    Figure  17.  Schematic diagram of common hole structure of cluster well

    图  18  羽状井定向钻探示意图

    Figure  18.  Directional drilling of pinnate well

    图  19  注浆系统智能管控一体化平台

    Figure  19.  Intelligent control integration platform of grouting system

    图  20  注浆效果监测检测技术体系

    Figure  20.  Grouting effect detection system

    图  21  夏店煤矿验证孔注浆层位附近局部柱状

    Figure  21.  Local columnar near the grouting layer of the verification hole

    图  22  验证孔所取粉煤灰压实体照片

    Figure  22.  Coal ash compaction taken from the verification hole

    图  23  基于多元耦合的核心注浆技术

    Figure  23.  Formed core grouting technology based on multiple coupling

    图  24  夏店煤矿注浆后沿走向测线地表下沉曲线

    Figure  24.  Surface subsidence curve along the strike survey line after grouting in Xiadian coal mine

    图  25  曹家滩煤矿瞬变电磁探测浆液扩散情况

    Figure  25.  Transient electromagnetic detection of slurry diffusion in Caojiatan project

    图  26  高家堡煤矿地面钻孔注浆量与矿井涌水量关系

    Figure  26.  Relationship between grouting volume and water yield of mine

    表  1  门克庆煤矿关键层各参数计算结果

    Table  1.   Calculation results of parameters of key strata in Menkeqing Coal Mine  m

    序号 类型 岩性 厚度 埋深 距煤层底板
    1 主关键层 中粒砂岩 290.40 346.40 350.95
    2 亚关键层Ⅲ 粗粒砂岩 15.23 386.30 311.05
    3 亚关键层Ⅱ 粗砂岩夹粉砂岩 31.76 468.43 228.92
    4 亚关键层Ⅰ 中粗砂岩 59.92 653.90 43.45
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    表  2  KEP浆液结石体序时抗压强度

    Table  2.   Sequential compressive strength of KEP slurry stone  MPa

    样品编号 3 d 7 d 28 d
    C001 0.44 1.29 3.97
    C002 0.39 1.14 3.46
    C003 0.42 1.13 2.96
    C004 0.45 1.15 2.58
    C005 0.46 1.21 3.93
    C006 0.41 1.18 3.95
    均值 0.43 1.18 3.48
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    表  3  矸石注浆主要设备参数一览表

    Table  3.   List of main equipment configuration for coal gangue grouting

    序号 设备名称 主要技术参数
    1 给料机 进料最大边长400 mm,产量80~120 t/h
    2 粗碎机 进料最大粒度500 mm,出料粒度65~200 mm,产量50~180 t/h
    3 细碎机 进料最大粒度200 mm,出料粒度3~5 mm,产量130~190 t/h
    4 球磨机 进料最大粒度25 mm,出料粒度0.074~0.4 mm,产量45.8~256 t/h
    5 带式输送机 带宽600 mm,送料量大于80 m3/h
    6 注浆泵 最大流量45.1 L/s,最大压力14.6 MPa,缸径120~180 mm
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-25
  • 修回日期:  2023-02-19
  • 刊出日期:  2023-06-30

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