新型煤层顶板离层注浆材料及方法

权利要求书： 1.一种煤层顶板离层注浆方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别建立两个物料输送站，采用三通将粉煤灰输送管道、生石灰输送管道、钻杆连接在一起；

(2)在确定最佳注浆时机后，开始注浆，只打开粉煤灰输送管道开关，将粉煤灰源源不断的注入到开采煤层顶板关键层之下的离层空间之中，当泵压达到0.5MPa时，关闭粉煤灰输送管道开关；

(3)制作生石灰浆，水灰比采用3∶1～8∶1，先采用高水灰比的生石灰浆，泵压每提高

0.10MPa，则降低一个生石灰浆水灰比级；

泵压在0.50～0.59MPa时，生石灰浆的水灰比为8∶1，泵压在0.60～0.69MPa、0.70～

0.79MPa、0.80～0.89MPa、0.90～0.99MPa、1.00～1.10MPa时，生石灰浆的水灰比为7∶1、6∶

1、5∶1、4∶1、3∶1，使生石灰浆充分充填粉煤灰之间的空隙和地层之中的微小裂隙，使粉煤灰与生石灰形成具有一定强度的充填体；

(4)当泵压提高到1.10MPa时，将粉煤灰输送管道、生石灰浆输送管道的开关同时打开，观察2个注浆泵的泵压，保证2个注浆泵的泵压同步，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰浆的水灰比为2∶1，通过控制生石灰浆注浆泵的流量，将粉煤灰与生石灰的质量比控制在75％∶25％；

(5)当泵压提高到5.00MPa时，停止注浆工作；

(6)停止注浆72小时后，扫孔至原钻孔深度；下测量光纤至孔底，准备进行注浆减沉效果监测；

(7)采用P.O42.5普通硅酸盐水泥进行封孔，水灰比采用0.5∶1，边提钻杆边向钻孔内注入水泥，直至钻孔完全被水泥封闭，注浆完成。

2.如权利要求1所述的一种煤层顶板离层注浆方法，其特征在于，还包括，钻机搬迁后埋水泥标桩，并保证其质量，在孔口竖立钢钉或钢筋作为永久性标志点，并明确标明标志点高程，作为后期监测注浆孔减沉效果的测量标志。

3.如权利要求1所述的一种煤层顶板离层注浆方法，其特征在于：所述步骤(1)中，粉煤灰物料输送站为固定式输送站，可以长距离输送粉煤灰；生石灰物料输送站为移动式的输送站，在井场使用，保证生石灰浆现场生成现场使用。

说明书： 一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法技术领域[0001] 本发明属于煤炭绿色开采技术领域，具体是一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法。背景技术[0002] 据我国国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国”三下”(建筑物下、铁路下和水体下)压煤约137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.6亿吨，而建筑物下压煤中的60％为村庄下压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约了矿区的发展。[0003] 传统开采技术会引起地表塌陷和建筑物破坏，不仅造成矿井采掘接替失衡，还带来巨大经济成本、环境问题和地矿矛盾，导致压占煤炭无法开发利用，降低了资源采出率、缩短了矿区服务年限，阻碍了区域经济发展。随着经济和社会的发展，传统搬迁开采的成本越来越高、实施难度越来越大。条带开采虽能有效控制开采沉陷，但采出率低(小于30％～50％)、工作面短、巷道掘进率高、采煤效率低。实施充填开采能够提高煤炭采出率，但仍面临效率低、成本偏高等问题(许家林等，2004、2011、2019；轩大洋等，2012)。因此，研发高效低成本的建筑物压煤充填开采技术是践行绿色发展理念、维持矿业可持续的重大需求。

[0004] 在采场上覆岩层中，对岩体活动起到决定性作用的岩层为关键层。在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部起决定作用的岩层称之为主关键层，对岩体活动局部起决定作用的岩层称之为亚关键层(钱鸣高等，1996)。[0005] 覆岩隔离注浆充填是一种有效的建(构)筑物压煤开采方法，其原理是通过高压注浆充填覆岩离层区，来压缩采空区破碎岩体并形成压实区，压实区与工作面之间的隔离煤柱联合控制覆岩关键层变形与破断，从而减小地表沉陷(滕浩，2017)。[0006] 随着采煤工作面的不断推进，在覆岩关键层结构的控制作用下，上覆岩层由下而上成组破断运动，由于未破断关键层阻断了上部载荷向下的传递，导致其下部煤岩层产生卸荷膨胀(包括岩层碎胀和弹性膨胀)。随着关键层破断由下往上发展，覆岩卸荷高度不断增大，产生卸荷膨胀的岩层总厚度不断增大；同时下部卸荷煤岩受上部破断关键层载荷的压实作用不断累积，从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。显然，对于一般煤系地层的覆岩而言，其卸荷膨胀累积量是不可忽略的(许家林等，2020)。[0007] 我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。我国的能源工业稳步发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，2000年约为1.5亿吨，2020年已达到6.2亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。目前，我国粉煤灰的利用率还不到70％。

[0008] 生石灰(CaO)遇水生成氢氧化钙(Ca(OH)2)，氢氧化钙遇到二氧化碳(CO2)生成碳酸钙(CaCO3)。石灰消化时，理论需水量为生灰重量的32.13％。因为有一部分水要被蒸发掉，据以实际加水量为理论值的2～3倍。生石灰消化成石灰浆时，通常1千克生石灰约需要2.5千克水。石灰质量愈好，需水愈多，石灰浆一般含水50％左右。[0009] CaO+H2O＝Ca(OH)2+64.9Kj[0010] Ca(OH)2+CO2＝CaCO3↓+H2O[0011] 粉煤灰是指从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0.5～300μm。并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50％～80％，有很强的吸水性。[0012] 粉煤灰由结晶体、玻璃体及少量未燃炭组成。在结晶体中，有石英(α?SiO2)和莫来石(3Al2O3·2SiO2)。玻璃体的主要成分是SiO2和Al2O3。粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性Al2O3(玻璃体Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f?CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。[0013] 周万良等(2009，2010)，粉煤灰:石灰:二水石膏＝65:25:10的粉煤灰?石灰?二水石膏系统(以下简称为FLD)不同龄期的水化产物的数量和形貌进行了分析。3d龄期时FLA中只有很少的钙矾石晶体，此后随龄期增加钙矾石数量显著增加；70d后FLA中都能见到长针状钙矾石；420d后FLA中仍可以发现新的钙矾石生成。说明随着龄期增加新生矿物钙矾石数量增加。[0014] 氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)以及钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)的生成均可以增加粉煤灰的强度，特别是钙矾石的持续增多，说明其强度还在持续增强。[0015] 覆岩离层注浆充填技术的关键有：关键层的选择、覆岩离层空腔的测量、注浆时机选择、注浆材料、注浆工艺、注浆工序、注浆压力、注浆设备、注浆效果监测等。[0016] 覆岩离层注浆材料的选择是一项至关重要的工作，其决定着覆岩离层注浆减沉效果；同时，注浆工艺也会对覆岩离层注浆减沉效果产生较为是明显的影响。[0017] 参考文献：[0018] [1]许家林，赖文奇，钱鸣高.中国煤矿充填开采的发展前景与技术途径探讨[J].矿业研究与开发，2004(S1)：18～21.[0019] [2]许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望[J].采矿技术，2011，11(3)：24～30.[0020] [3]许家林，轩大洋，朱卫兵，等.基于关键层控制的部分充填采煤技术[J].采矿与岩层控制工程学报，2019，1(1)：013504.[0021] [4]轩大洋，许家林，朱卫兵.充填采煤减沉的适用性研究[J].中国煤炭，2012，38(5)：44～48.[0022] [5]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996，21(3)：225～230.

[0023] [6]滕浩.覆岩隔离注浆充填压实区形成机制研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.[0024] [7]许家林，秦伟，轩大洋，等.采动覆岩卸荷膨胀累积效应[J].煤炭学报，2020，45(1)：35～43.[0025] [8]秦小云.寺河煤矿2305工作面覆岩离层注矸石充填减沉技术研究[J].能源技术与管理，2020,45(6)：72?.73，150[0026] [9]周万良，詹炳根，龙靖华.熟料?二水石膏系统和粉煤灰?石灰?二水石膏系统的水化产物[J].粉煤灰综合利用，2010(2)：17?19.[0027] [10]周万良，龙靖华，詹炳根.熟料?无水石膏系统与粉煤灰?石灰?无水石膏系统的水化产物[J].硅酸盐通报，2009，28(3)：558?562.[0028] [11]周万良，詹炳根，龙靖华.粉煤灰?石灰?二水石膏胶凝材料的体积稳定性及水化产物的性能[J].粉煤灰，2010(1)，8?10.[0029] 现有覆岩离层区注浆充填技术，通过施工地面钻孔，对采煤引起的上覆岩层中的离层空间进行高压注浆充填，将煤矸石、粉煤灰或者水泥基膏体通过注高压输送到上覆岩层中的离层空间，在采空区上部人为制造一定宽度的压实区，形成一种有效的柱式承载结构，对地表塌陷进行有效控制，可以增加矿山服务年限，提高资源回收率。现有的注浆材料有煤矸石、粉煤灰或者水泥基膏体。单纯采用煤矸石、粉煤灰为注浆材料的覆岩离层区注浆充填技术具有成本低、减少固体废弃物排放等优点，但同时存在减沉效果差，注浆孔存在跑、漏、冒等诸多问题；采用水泥基膏体为注浆材料的覆岩离层区注浆充填技术，是以水泥为基体材料，添加煤矸石、粉煤灰等材料，形成复合注浆材料，该方法具有减沉效果好、减少固体废弃物排放等优点，但其成本较高，很多企业无法接受。发明内容[0030] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法。[0031] 为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：[0032] 第一方面，一种新型煤层顶板离层注浆材料，以质量分数计，包括以下组分：[0033] 15～35份生石灰；[0034] 65～85份粉煤灰；[0035] 其中，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰的水灰比为2∶1～8∶1。[0036] 优选的，所述生石灰中，SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等四种氧化物质量百分比大于5％，CaO、MgO质量百分比60％；生石灰的细度为0.125mm，过0.125mm方孔筛后筛上剩余物质量低3

于总质量的20％，生石灰的密度为3200kg/m。

[0037] 优选的，所述粉煤灰中，SiO2、Al2O3、Fe2O3质量百分比50％，烧失量小于10％，三氧化二硫质量百分比小于3％，粉煤灰的细度为0.045mm，过0.045mm方孔筛后筛上剩余物质量3

低于总质量的45％，粉煤灰的密度为2600kg/m。

[0038] 第二方面，一种新型煤层顶板离层注浆方法，包括以下步骤：[0039] (1)分别建立两个物料输送站，采用三通将粉煤灰输送管道、生石灰输送管道、钻杆连接在一起；[0040] (2)在确定最佳注浆时机后，开始注浆，只打开粉煤灰输送管道开关，将粉煤灰源源不断的注入到开采煤层顶板关键层之下的离层空间之中，当泵压达到0.5MPa时，并闭粉煤灰输送管道开关；[0041] (3)制作生石灰浆，水灰比采用3∶1～8∶1，先采用高水灰比灰的生石浆，泵压每提高0.10MPa，则降低一个生石灰浆水灰比级；[0042] (4)当泵压提高1.10MPa时，将粉煤灰输送管道、生石灰浆输送管道的开关同时打开，观察2个注浆泵的泵压，保证2个注浆泵的泵压同步，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰的水灰比为2∶1，通过控制生石灰浆注浆泵的流量，将粉煤灰与生石灰的质量分比控制在75％∶25％；

[0043] (5)当泵压提高5.00MPa时，停止注浆工作；[0044] (6)停止注浆72小时后，扫孔至原钻孔深度；下测量光纤至孔底，准备进行注浆减沉效果监测；[0045] (7)采用P.O42.5普通硅酸盐水泥进行封孔，水灰比采用0.5∶1，边提钻杆边向钻孔内注入水泥，直至钻孔完全被水泥封闭，注浆完成。[0046] 优选的，还包括，钻机搬迁后埋水泥标桩，并保证其质量，在孔口竖立钢钉或钢筋作为永久性标志点，并明确标明标志点高程，作为后期监测注浆孔减沉效果的测量标志。[0047] 优选的，所述步骤(1)中，粉煤灰物料输送站为固定式输送站，可以长距离输送粉煤灰；生石灰物料输送站为移动式的输送站，在井场使用，保证石灰浆现场生成现场使用。[0048] 优选的，所述步骤(3)中，泵压在0.50～0.59MPa时，生石灰浆的水灰比为8∶1，泵压在0.60～0.69MPa、0.70～0.79MPa、0.80～0.89MPa、0.90～0.99MPa、1.00～1.10MPa时，生石灰浆的水灰比为7∶1、6∶1、5∶1、4∶1、3∶1，使生石灰浆充分充填粉煤灰之间的空隙和地层之中的微小裂隙，使粉煤灰与生石灰形成具有一定强度的充填体。[0049] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：[0050] 本发明中，立足于废物利用，利用粉煤灰、生石灰制作新型注浆材料，可以解决现有覆岩离层注浆减沉效果差、成本高、注浆孔跑、漏、冒等诸多问题，降低了成本，实现更好的注浆效果。附图说明[0051] 图1是本发明的整体结构示意图。[0052] 图2是本发明的流程图。具体实施方式[0053] 以下结合附图1?2，进一步说明本发明一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法的具体实施方式。本发明一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法不限于以下实施例的描述。[0054] 实施例1：[0055] 本实施例给出一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法的具体实施方式，以质量分数计，包括以下组分：[0056] 15份生石灰；[0057] 85份粉煤灰；[0058] 其中，粉煤灰的水灰比为1∶1，生石灰的水灰比为2∶1。[0059] 进一步的，所述生石灰中，SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等四种氧化物质量百分比大于5％，CaO、MgO质量百分比60％；生石灰的细度为0.125mm，过0.125mm方孔筛后筛上剩余物质

3

量低于总质量的20％，生石灰的密度为3200kg/m。

[0060] 进一步的，所述粉煤灰中，SiO2、Al2O3、Fe2O3质量百分比50％，烧失量小于10％，三氧化二硫质量百分比小于3％，粉煤灰的细度为0.045mm，过0.045mm方孔筛后筛上剩余物质3

量低于总质量的45％，粉煤灰的密度为2600kg/m。

[0061] 实施例2：[0062] 本实施例给出一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法的具体实施方式，以质量分数计，包括以下组分：[0063] 25份生石灰；[0064] 75份粉煤灰；[0065] 其中，粉煤灰的水灰比为1.5∶1，生石灰的水灰比为5∶1。[0066] 实施例3：[0067] 本实施例给出一种新型煤层顶板离层注浆材料及方法的具体实施方式，以质量分数计，包括以下组分：[0068] 35份生石灰；[0069] 65份粉煤灰；[0070] 其中，粉煤灰的水灰比为2∶1，生石灰的水灰比为8∶1。[0071] 实施例4：[0072] 本实施例给出一种新型煤层顶板离层注浆方法的具体实施方式，如图1所示，图中，1为粉煤灰物料站(固定式物料输送站)；2为生石灰物料站(移动式物料输送站)；3为粉煤灰输送管道；4为生石灰输送管道；5为注浆泵；6为流量表；7为压力表；8为阀门；9为法兰盘；10为钻孔；11为钻杆；12为钻孔壁；13为煤层顶板覆岩关键层上部岩层；14为煤层顶板覆岩关键层(砂岩等)；15为离层空间；16为煤层顶板覆岩关键层下部软弱岩层(泥岩、粉砂岩)。[0073] 该方法包括以下步骤：[0074] (1)分别建立两个物料输送站，采用三通将粉煤灰输送管道、生石灰输送管道、钻杆连接在一起；[0075] (2)在确定最佳注浆时机后，开始注浆，只打开粉煤灰输送管道开关，将粉煤灰源源不断的注入到开采煤层顶板关键层之下的离层空间之中，当泵压达到0.5MPa时，并闭粉煤灰输送管道开关；[0076] (3)制作生石灰浆，水灰比采用3∶1～8∶1，先采用高水灰比灰的生石浆，泵压每提高0.10MPa，则降低一个生石灰浆水灰比级；[0077] (4)当泵压提高到1.10MPa时，将粉煤灰输送管道、生石灰浆输送管道的开关同时打开，观察2个注浆泵的泵压，保证2个注浆泵的泵压同步，粉煤灰的水灰比为1∶1～2∶1，生石灰的水灰比为2∶1，通过控制生石灰浆注浆泵的流量，将粉煤灰与生石灰的质量分比控制在75％∶25％；[0078] (5)当泵压提高5.00MPa时，停止注浆工作；[0079] (6)停止注浆72小时后，扫孔至原钻孔深度；下测量光纤至孔底，准备进行注浆减沉效果监测；[0080] (7)采用P.O42.5普通硅酸盐水泥进行封孔，水灰比采用0.5∶1，边提钻杆边向钻孔内注入水泥，直至钻孔完全被水泥封闭，注浆完成。[0081] 进一步的，还包括，钻机搬迁后埋水泥标桩，并保证其质量，在孔口竖立钢钉或钢筋作为永久性标志点，并明确标明标志点高程，作为后期监测注浆孔减沉效果的测量标志。[0082] 进一步的，所述步骤(1)中，粉煤灰物料输送站为固定式输送站，可以长距离输送粉煤灰；生石灰物料输送站为移动式的输送站，在井场使用，保证石灰浆现场生成现场使用。[0083] 进一步的，所述步骤(3)中，泵压在0.50～0.59MPa时，生石灰浆的水灰比为8∶1，泵压在0.60～0.69MPa、0.70～0.79MPa、0.80～0.89MPa、0.90～0.99MPa、1.00～1.10MPa时，生石灰浆的水灰比为7∶1、6∶1、5∶1、4∶1、3∶1，使生石灰浆充分充填粉煤灰之间的空隙和地层之中的微小裂隙，使粉煤灰与生石灰形成具有一定强度的充填体。[0084] 工作原理：如图1所示，根据前期勘查成果，确定煤层顶板覆岩关键层，然后进行注浆孔钻探，并对关键层之下的离层空间进行监测，确定最佳注浆时机，开始注浆后，仅注粉煤灰，当泵压达到0.5MPa时，停止加注粉煤灰，当泵压为0.5～1.10MPa时，开始注生石灰浆，先采用高水灰比灰的生石浆，泵压每提高0.10MPa，则降低一个生石灰浆水灰比级，生石灰浆的水灰比为8∶1～3∶1，当泵压提高至1.10MPa时，同进加注粉煤灰、生石灰浆，当泵压达到5.00MPa时，停止注浆，扫孔后下测量光纤，封孔后监测减沉效果。

[0085] 通过煤层顶板覆岩离层注浆可以解放出“三下”煤炭资源，延长煤矿的服务年限。通过新型注浆材料和新型注浆施工方法的使用，在煤层顶板上覆岩层的离层空间之中通过高压注浆泵人工充填粉煤灰和生石灰复合注浆材料，新型注浆材料能够使充填体快速形成一定强度，而且随着时间的延长充填体中钙矾石等新生矿物会持续增加，充填体的抗压强度还会有进一步的提高，使离层充填体与关键层一起构成煤层采空区上部的支撑系统，控制了覆岩关键层变形与破断，从而减小地表沉陷；同时，由于离层充填体能够快速固化，从而防止后期注浆孔的跑、漏、冒等诸多问题。由于新型注浆材料的粘结材料采用成本更低的生石灰，同时采用新的注浆工艺最大限度地控制了成本。采用新型注浆材料以及新工艺，可以解决现有覆岩离层注浆减沉效果差、成本高、注浆孔跑、漏、冒等诸多问题。

[0086] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。