1.一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,包括钻孔触探仪和电脉冲装置(4),所述钻孔触探仪包括输送杆(8)、升降器(7)、探头(9)、探针(10)、手压泵(6)和数据采集仪(12),所述输送杆(8)为伸缩式杆件,输送杆(8)的一端与升降器(7)连接,其外径小于待探测钻孔(2)的内径;所述升降器(7)安装在上区段巷道(5)内,升降器(7)为可升降式结构,且俯仰角度可调节,从而不仅可以调整输送杆(8)进入钻孔(2)的深度,也可以调节输送杆(8)的角度以适应不同角度的钻孔(2);所述探头(9)安装在输送杆(8)的上端,其顶端周身均匀的设置有四个径向安装孔(24),其内部还设置有连通到四个径向安装孔(24)里端的油道(27),油道(27)的进油口(24)设置在探头(9)的表面;探针(10)的数量四个,四个探针(10)分别安装在四个径向安装孔(24)中,且两两成对的分布在x轴和y轴方向上;探针(10)的里端外侧安装有活塞环(25),并通过活塞环(25)与径向安装孔(24)滑动密封配合,探针(10)的长度小于径向安装孔(24)的深度,且其里端还通过拉簧(26)与径向安装孔(24)的孔底连接;探针(10)顶端的外部设置在压力传感器;在探头(9)上设置有检测探针(10)伸出长度的位移传感器;所述手压泵(6)设置在上区段巷道(5)内,且通过油路(13)与探头(9)上的进油口(24)连接;所述数据采集仪(12)通过电缆(11)与位移传感器和压力传感器连接;
所述电脉冲装置(4)包括推杆(18)、操作台(16)、冲击波产生器(17)、封孔器(19)和控制器(14),所述推杆(18)的一端与操作台(16)连接,其外径小于钻孔(2)的内径;所述操作台(16)设置在上区段巷道(5)内,操作台(16)用于控制推杆(18)伸缩长度和俯仰角度的调节;所述冲击波产生器(17)的尺寸小于钻孔(2)的内径,其安装在推杆(18)的另一端;所述封孔器(19)为筒式结构,其套设在推杆(18)的外部,并与钻孔(2)的孔口相配合,用于建立推杆(18)与钻孔(2)的孔口之间的密封连接;封孔器(19)上设置有连通到其内腔中的注水口(20);控制器(14)与操作台(16)和冲击波产生器(17)连接;
其特征在于,具体包括以下步骤;
S1:在沿空巷道上区段工作面(22)回采前,煤柱(1)未受采动影响时,在已开掘的上区段上区段巷道(5)中一侧,沿煤柱(1)的延伸方向以一定的间距布设一排钻孔(2),钻孔(2)的深度不超过预留煤柱(1)的厚度;
S2:利用钻孔触探仪对钻孔(2)进行探测;通过调节升降器(7)将输送杆(8)放进钻孔(2)的内部,并将探头(9)输送到钻孔(2)内的待测位置;启动手压泵(6)工作通过油路(13)和油道(27)向径向安装孔(24)中供油,油液同时推动四个活塞环(25)向外侧移动,进而推动x轴方向上的两个探针(10)分别沿x轴正、负两个方向同时伸出,推动y轴方向上的两个探针(10)分别沿y轴正、负两个方向同时伸出;探针(10)缓慢伸出后,其端部逐渐与煤柱(1)中的煤体接触并压紧,直至深入到煤体中;数据采集仪(12)利用压力传感器和位移传感器进行信号的实时采集,并根据采集的信号分析钻孔(2)内压力和位移的信息数据,同时对信息数据进行记录和存储;断开手压泵(6)和油路(13)之间的连接,在拉簧(26)的作用下,探针(10)回缩到探头(9)内部,再通过调节升降器(7)带动输送杆(8)回缩,使探头(9)回缩至下一探测深度;依次获得不同深度的深度岩层(3)受压情况和位移信息数据,直至完成整个钻孔(2)的水平探测过程;
S3:数据采集仪(12)根据获得的钻孔(2)内压力和位移的信息数据,分析出煤柱(1)不同深度的受压程度以及煤体中裂隙的发育情况,对于煤柱(1)中裂隙较大的部分可直接进行注浆加固作业,对煤柱(1)裂隙较小的部分,依次进行步骤S4和S5;
S4:选取一个钻孔(2),利用电脉冲装置(4)对煤柱(1)裂隙较小的部分进行致裂作业,通过操作台(16)控制推杆(18)伸入到钻孔(2)中裂隙发育较小或裂隙较小部分的底部,利用封孔器(19)封住钻孔(2)的孔口,并通过连接在注水口(20)上的水路进行注水作业;钻孔(2)中注满水后,接通电源,冲击波通过圆形的冲击波产生器(17)将能量以圆形扩散方式向四周释放,冲击波能量释放的瞬间对周围的煤柱(1)产生撕裂作用,扩散的冲击波结合钻孔(2)中的水形成电液效应,进一步增加对煤柱(1)的撕裂式破坏程度,有效增大了煤体的裂隙,利用冲击波重复冲击作业,在该过程中,通过注水口(20)持续低压注水,并保持恒定的水压,水沿着冲击波产生的裂隙进入到煤体深部,能利用水将冲击波进一步耦合到钻孔(2)周围的煤体中,水既能充当冲击波的传播介质,又能起到保护冲击波产生器(2)的作用,重复进行多次冲击作业直至煤体裂隙增大到指定范围,即完成该作业点的作业,接着收缩推杆(18)至下一裂隙发育较小部分,重复上一个作业点的作业方式,依次作业至距孔口0.3m处,即完成一个钻孔(2)的作业;控制器(14)通过冲击波产生器(17)能获得冲击波的实时延伸距离,进而获得四周致裂范围并在显示器上进行显示;
S5:通过控制器(14)上连接的显示器观察冲击波致裂范围,在达到预期效果后,取出电脉冲装置(4),并进行下一邻近钻孔(2)的冲击作业,重复步骤S4的操作,同时,通过水压的变化情况,判断当前钻孔(2)的致裂范围是否与上一钻孔(2)的致裂范围是否贯通,在两个相邻致裂范围相通时,即完成该钻孔(2)的冲击作业,并继续进行下一钻孔(2)的致裂作业,直至整个上区段巷道(5)中煤柱(1)裂隙小的区域全部致裂结束,这样,在上区段工作面(22)回采前,对未扰动的煤柱(1)进行了超前致裂;
S6:当煤柱(1)裂隙较小的部分全部致裂结束后,煤柱(1)内部的裂隙均已增大到符合要求的尺寸,在煤柱(1)原有锚网支护的基础上,由钻孔(2)中放入注浆锚杆(21)对煤柱(1)内部进行注浆加固,注浆锚杆(21)长度方向的两侧上布置有一排出浆口(15),并在孔口处用封孔圈进行封孔,连接注浆设备和注浆锚杆(21)的首端,利用注浆设备向钻孔(2)的深部进行注浆,浆液随着裂隙扩散至煤体中,与煤体胶结形成一个整体,注浆达到指定压力范围后稳压持续10~15min,注浆作业完成,停止注浆;依次对其他钻孔(2)采取同样的注浆方式进行注浆,使整个煤柱(1)中的煤体重新形成一个整体,增加了煤柱(1)的承载力和稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,在步骤S6中,纵向上的一排钻孔(2)的数量为四个,且相邻的两个钻孔(2)之间的间距为800mm;纵向上的一排钻孔(2)的间距为1000mm;所述钻孔(2)孔径为75mm,所述注浆锚杆(21)直径为
28mm,长度小于钻孔(2)深度。
3.根据权利要求1或2所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,在步骤S6中的注浆材料中添加有示踪剂,便于通过示踪剂观测浆液渗透范围。
4.根据权利要求3所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,其特征在于,在步骤S6中注浆材料选用单液水泥浆液,单液水泥浆液的水灰质量比为1:0.75,且搅拌的过程中加入外加剂;外加剂为1:6的减水剂和膨胀剂的混合物,其浆液粘度33S,密度
1.62G/CM3,结石率97%。
5.根据权利要求4所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,所述探头(9)直径54mm,探针(10)直径5mm。
6.根据权利要求5所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,在步骤S6中,注浆压力1.0~2.0MPa。
7.根据权利要求6所述的一种沿空巷道窄煤柱超前注浆加固方法,其特征在于,在步骤S4和S5中经过致裂作业后的裂隙的宽度不小于浆液颗粒直径的3倍。