CN111810194A - 一种地面预注浆加固高度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种地面预注浆加固高度的确定方法，本发明在具体实施时，对工作面开挖进尺，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落，针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果以及，强度验算，将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求，再采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值，确定加固高度，使得地面预注浆加固的高度更加精确，提高了采煤注浆的效率，保证安全高效回采。
Description
技术领域
本发明涉及采煤地面注浆领域，具体的是一种地面预注浆加固高度的确定方法。
背景技术
煤炭是我国重要的基础能源和原料，煤炭行业可持续健康发展，为国民经济发展作出了重大贡献。为了适应经济形势的发展，确保能源需求，国家一方面投资建设一批大型矿井，另一方面提高现有矿井的生产能力。注浆技术实用性强，在工程领域应用范围广泛，发展迄今为止已有两百余年。
在地面注浆施工过程中，现有的注浆加固的高度不精确，虽起到了一定的加固作用，但水泥浆液在无压条件下自由扩散不均匀，浆液快速凝固，无法做到大面积覆盖，还受现场作业环境复杂、扩散半径小导致钻孔工程量大、注浆成本高等弊端，严重影响了工作面接替及安全高效回采。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种地面预注浆加固高度的确定方法，本发明在具体实施时，对工作面开挖进尺，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落，针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果以及，强度验算，将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求，再采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值，确定加固高度，使得地面预注浆加固的高度更加精确，提高了采煤注浆的效率，保证安全高效回采。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种地面预注浆加固高度的确定方法，包括以下步骤：
一、注浆模型的确定
工作面开挖进尺，顶板处于悬空状态，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落；
二、注浆后顶板理论强度验算
针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果；
1)、计算结果
计算结果包括正应力σx、压应力σy和切应力τxy；
2)、强度验算
将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求；
三、注浆顶板数值模拟验算
采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值；
四、确定加固高度
进一步地，所述步骤一中工作面开挖进尺的深度为L＝0.8m，开挖的L＝0.8m处于在采空区内。
进一步地，所述步骤二中的破碎顶板的注浆跨度为L＝0.8m，计算出梁跨为0.8m，梁高为2.5m、2m的计算结果。
进一步地，所述步骤二中的计算结果为根据Y轴坐标计算正应力σx、压应力σy和切应力τxy。
进一步地，所述步骤二中的强度验算为梁跨：梁高，根据比例值判断。
进一步地，所述步骤三模拟验算中，比较的是浆后顶板在自重应力与上覆荷载作用下最大正应力。
本发明的有益效果：
本发明在具体实施时，对工作面开挖进尺，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落，针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果以及，强度验算，将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求，再采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值，确定加固高度，使得地面预注浆加固的高度更加精确，提高了采煤注浆的效率，保证安全高效回采。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例注浆顶板模型示意图；
图2是本发明实施例梁高2.5m梁端截面各应力分量折线图；
图3是本发明实施例深梁正应力分布示意图；
图4是本发明实施例梁高2.5m梁端截面各应力分量折线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种地面预注浆加固高度的确定方法，包括以下步骤：
一、注浆模型的确定
工作面开挖进尺为L＝0.8m，在支架向前推动的间隔时间内，开挖的L＝0.8m在采空区内，顶板处于悬空状态，容易发生垮落导致支架推进受阻，影响开挖进度，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落；
二、注浆后顶板理论强度验算
针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果；
1)、计算结果
计算结果包括正应力σx、压应力σy和切应力τxy；
2)、强度验算
将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求；
三、注浆顶板数值模拟验算
采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值符合强度要求；
四、确定加固高度
实施例：
注浆加固高度的确定
一、注浆模型的确定
工作面每开挖进尺L＝0.8m，在支架向前推动的间隔时间内，开挖的L＝0.8m在采空区内，顶板处于悬空状态，容易发生垮落导致支架推进受阻，影响开挖进度。对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落。具体注浆段的工程概况简图如图1所示。
如图1所示，注浆模型(图左)顶板为开采扰动破碎岩体，由此将顶板简化视为两端固支的深梁，梁跨L＝0.8m，梁高h，梁顶端施加应力荷载q＝0.3MPa。对此模型在不同的梁高h的情况下，采用深梁截面应力计算的三角级数解，可得到不同梁高情况下水位深梁最大拉应力。
二、注浆后顶板理论强度验算
针对这种注浆跨度为L＝0.8m时的破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，计算出梁跨为0.8m，梁高为2.5m、2m的计算结果，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果与强度验证如下：
1)、计算结果
| Y轴坐标 | 正应力σx | 压应力σy | 切应力τxy |
| -1.25 | -0.023 | 0.000 | 0.017 |
| -1.04 | 0.003 | 0.001 | 0.020 |
| -0.85 | 0.002 | 0.001 | 0.022 |
| -0.63 | 0.000 | 0.000 | 0.024 |
| -0.43 | -0.004 | -0.002 | 0.027 |
| -0.21 | -0.009 | -0.005 | 0.032 |
| 0.00 | -0.014 | -0.008 | 0.037 |
| 0.21 | -0.018 | -0.014 | 0.053 |
| 0.43 | -0.030 | -0.022 | 0.070 |
| 0.63 | -0.049 | -0.033 | 0.095 |
| 0.85 | -0.077 | -0.050 | 0.129 |
| 1.04 | -0.103 | -0.067 | 0.173 |
| 1.25 | 0.224 | -0.047 | 0.258 |
表1：梁高2.5m理论计算梁端应力分量值
图2为梁高2.5m梁端截面各应力分量理论折线图，其中，正应力σx最大值为0.224Mpa，压应力σy最大值为0.000MPa，切应力τxy最大值为0.258。
根据图2可明显看出梁端正应力分布在Y方向即梁高处的分布不具备对称性，中性轴位于Y＝1.16m处的位置，表明固支深梁的中性轴明显偏上，在靠近梁顶附近。且最大拉应力值在梁端顶部为0.224MPa，当梁高为2m时最大拉应力为0.257MPa(计算同梁高2.5m)。
2)、强度验算
在水灰比为1：1时的浆液注浆后的破碎岩体的轴心抗压强度为1.02MPa，根据砼规计算的出注浆顶板体的抗拉强度设计值为0.24MPa，然后将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，结果如下：
跨高比L/h＝0.8/2时：σxmax＝0.257MPa>σt＝0.24MPa不满足抗拉要求
跨高比L/h＝0.8/2.5时：σxmax＝0.224MPa<σt＝0.24MPa满足抗拉要求
通过理论计算所得到的结论可知，在梁跨为0.8m时，只有当加固高度至少为h＝2.5m时才能满足注浆后破碎顶板的强度要求。由此可知当浆液水灰比为1:1时注浆高度至少需要2.5m。
三、注浆顶板数值模拟验算
为验证跨高比为L/h＝0.8/2.5时的理论计算的准确性，对此采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，结果如下：
图3为深梁正应力分布图，图4为梁高2.5m梁端截面各应力分量模拟折线图，正应力σx最大值为0.207MPa，压应力σy最大值为0.000MPa，切应力τxy最大值为0.24MPa。
由图3与图4所示注浆后顶板在自重应力与上覆荷载作用下最大正应力为0.207MPa＜0.24MPa，符合砼规规定计算得出的抗拉强度要求。故此可以得出注浆高度为2.5m，跨度为0.8m符合强度要求。
四、确定加固高度
结合图3与图4的结论可知在浆液水灰比为1:1时，注浆加固高度至少需达到2.5m符合注浆后的顶板抗拉强度要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、注浆模型的确定
工作面开挖进尺，对顶板采取注浆手段加强顶板的结构强度，防止顶板破坏垮落；
二、注浆后顶板理论强度验算
针对破碎顶板，对注浆加固高度进行选取，根据理论计算当注浆段梁高取不同数值时理论计算结果；
1)、计算结果
计算结果包括正应力σx、压应力σy和切应力τxy；
2)、强度验算
将两种梁高的最大抗拉强进行强度验算，得到加固高度的最低值以满足注浆后破碎顶板的强度要求；
三、注浆顶板数值模拟验算
采用FLAC3D数值模拟验证最大拉应力值，得到注浆高度和跨度的数值；
四、确定加固高度。
2.根据权利要求1所述的一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，所述步骤一中工作面开挖进尺的深度为L＝0.8m，开挖的L＝0.8m处于在采空区内，顶板处于悬空状态。
3.根据权利要求1所述的一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，所述步骤二中的破碎顶板的注浆跨度为L＝0.8m，计算出梁跨为0.8m，梁高为2.5m、2m的计算结果。
4.根据权利要求1所述的一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，所述步骤二中在计算时是根据Y轴坐标计算正应力σx、压应力σy和切应力τxy。
5.根据权利要求1所述的一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，所述步骤二中的强度验算为得到梁跨：梁高的比值，根据比值判断是否满足抗拉要求。
6.根据权利要求1所述的一种地面预注浆加固高度的确定方法，其特征在于，所述步骤三模拟验算中，比较的是浆后顶板在自重应力与上覆荷载作用下最大正应力。
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