CN111810196A - 一种地面注浆加固破碎顶板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种地面注浆加固破碎顶板的方法，包括以下步骤：S1、浆液选择；S2、采空区孔隙率计算；S3、构建注浆模型，确定注浆加固高度；S4、注浆孔布置；S5、钻孔注浆。本发明可根据采空区的实际情况计算孔隙率并构建注浆模型，可以合理的进行钻孔位置和注浆加固高度确定，注浆效果得到有效提高，大大提高了煤层破碎顶板的整体强度，并减少了一定的工作量，对特厚、较厚煤层破碎顶板的加固有显著的进步效果。
Description
技术领域
本发明涉及采煤注浆领域，具体的是一种地面注浆加固破碎顶板的方法。
背景技术
煤炭是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。合理设计，科学采煤，是实现煤矿安全高效生产的必然趋势，然而，煤矿各类安全事故频繁发生，其中顶板事故发生率最高，是运输事故的2.23倍，是瓦斯事故的3.49倍，占煤矿事故的主要部分。为控制垮落带直覆下采煤顶板事故的发生，矿业工程师们开始实践采用井下顺层钻孔预注浆加固顶板，所用注浆材料一般为水泥浆。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。
现有技术多采用井底钻孔注浆，但是在工作面具有较厚的易破碎顶板时，采用井底钻孔注浆效果一般，首先，易碎顶板厚度较大，工程量较大；其次，井下钻孔施工角度限度较大，钻孔很难达到设计的要求，导致注浆效果较差；最后，井下顶板钻孔注浆范围小、封孔难度大、浆液易外流、注浆效果差。
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注浆加固破碎顶板的方法，可根据采空区的实际情况计算孔隙率并构建注浆模型，可以合理的进行钻孔位置和注浆加固高度确定，注浆效果得到有效提高，大大提高了煤层破碎顶板的整体强度，并减少了一定的工作量，对特厚、较厚煤层破碎顶板的加固有显著的进步效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种地面注浆加固破碎顶板的方法，包括以下步骤：
S1、浆液选择；
S2、采空区孔隙率计算；
S3、构建注浆模型，确定注浆加固高度；
S4、注浆孔布置；
S5、钻孔注浆。
优选地，步骤S1中浆液采用水泥加粉煤灰组合方式，以粉煤灰为主，水泥比例控制在10-20％，水灰比控制在1：0.8-1。
优选地，步骤S2中孔隙率计算具体包括以下步骤：
(1)以工作面采空区底板与采煤工作面交线的中点为坐标原点O，沿底板中轴线指向采空区深部为x轴方向，沿采煤面指向上巷端头为y轴方向，沿采煤面指向地面并与底板垂直的方向为z轴方向，构建采空区坐标系及采场构造，x取值范围为0-240，y取值范围为-60-60，α为岩层倾角；
(2)按照如下公式计算考虑重力影响的采空区垮落岩石的空隙率：
式中：ly为采空区倾向宽度；
x为采空区数学模型的x坐标；
y为采空区数学模型的y坐标；
h为直接顶厚度；
l为基本顶破断岩块长度；
H为采高或采放高；
Kpb为直接顶破碎岩体残余碎胀系数，δ0＝1MPa；
β1为回归系数，垮落岩石为页岩时，β1取-0.0488，垮落岩石为泥岩时，β1取-0.028，垮落岩石为砂岩时，β1取0.0254；
a为岩层倾角；
Y为垮落岩石容重，N/m3。
步骤S3中注浆加固高度的确定具体包括以下步骤：
Ⅰ、设开挖进尺1m，悬空顶板高h，悬空跨度L，取单位宽度b＝1m进行应力分析，采用深梁截面应力计算的三角级数解，得到不同梁高情况下水位深梁最大拉应力；
Ⅱ、将计算的到的不同梁高梁端顶部拉应力值δmax分别与砼规计算得到的混凝土抗拉强度δt比较，使其满足δmax＜δt，从而确定满足条件的注浆加固高度。
优选地，步骤S4中注浆孔布置要根据注浆的浆液扩散范围以及注浆时间来选择适合的注浆钻孔布置间距，注浆的浆液扩散范围根据孔隙率、注浆压力、浆液粘度和注浆时间计算。
优选地，步骤S5中注浆的工艺流程为：A、注浆设备的安装与调试、相关大临工程施工；B冲洗注浆段；C安装孔口装置；D注浆系统试运转并做耐压试验；E压/注水试验、水泥浆凝固试验；F确定注浆参数；G造浆压注；H观测、记录与情况分析；I拆洗注浆系统；J压/注水试验；K优化注浆参数，准备下一阶段注浆。
本发明的有益效果：
1、本发明注浆在混凝土中掺加粉煤灰代替部分水泥或细骨料，不仅能降低成本，而且能提高混凝土的和易性、提高不透水、气性、抗硫酸盐性能和耐化学侵蚀性能、降低水化热、改善混凝土的耐高温性能、减轻颗粒分离和析水现象、减少混凝土的收缩和开裂以及抑制杂散电流对混凝土中钢筋的腐蚀；
2、本发明可根据采空区的实际情况计算孔隙率并构建注浆模型，可以合理的进行钻孔位置和注浆加固高度确定，注浆效果得到有效提高，大大提高了煤层破碎顶板的整体强度，并减少了一定的工作量，对特厚、较厚煤层破碎顶板的加固有显著的进步效果。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明实施例中工作面采空区坐标系及采场构造图；
图2是本发明实施例中工作面采空区顶板孔隙率分布图；
图3是本发明实施例中注浆顶板模型图；
图4是本发明实施例中梁高2.5m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。
以许疃煤矿某工作面为例，进行地面注浆加固破碎顶板，包括以下步骤：
S1、通过对初凝时间、结石率、强度、工程质量及经济效益等方面综合考量，最终确定许疃煤矿工作面地面钻孔预注浆浆液配比采用水泥：粉煤灰：水配比2:8:10的配比；
S2、取工作面采空区底板与采煤工作面交线的中点为坐标原点O，沿底板中轴线指向采空区深部为x轴方向，沿采煤面指向上巷端头为y轴方向，沿采煤面指向地面并与底板垂直的方向为z轴方向，x取值范围为0～240，y取值范围为-60～60，α为岩层倾角12°。构建7228工作面采空区坐标系及采场构造如图1所示；
按照如下公式计算考虑重力影响的采空区垮落岩石的空隙率：
式中：ly为采空区倾向宽度；
x为采空区数学模型的x坐标；
y为采空区数学模型的y坐标；
h为直接顶厚度；
l为基本顶破断岩块长度；
H为采高或采放高；
Kpb为直接顶破碎岩体残余碎胀系数，δ0＝1MPa；
β1为回归系数，垮落岩石为页岩时，β1取-0.0488，垮落岩石为泥岩时，β1取-0.028，垮落岩石为砂岩时，β1取0.0254；
a为岩层倾角；
Y为垮落岩石容重，N/m3。
将工作面开采参数及相关岩石力学参数带入上述采空区孔隙率计算理论公式得工作面采空区孔隙率分布图如图2。由图2可得：工作面采空区垮落带孔隙率浅部及两巷侧孔隙率大，最大值为0.58，而中部及内部孔隙率小，且随着工作面的推进，孔隙率持续减小，最后稳定在0.24左右
S3、构建注浆模型，确定注浆加固高度：
S3.1注浆模型如图3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；
S3.2进行强度分析结合实际工程情况对注浆加固高度进行选取，计算出梁跨为0.8m梁高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解结果与强度验证，计算梁高2.5m理论计算梁端应力如下表1，根据表1绘制梁高2.5m梁端截面各应力分量折线图如图4；
表1梁高2.5m理论计算梁端应力分量值
根据图4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2.24MPa。当梁高为2m时最大拉应力为0.257MPa(计算同梁高2.5m)；
S3.3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。
S4、注浆孔布置：
注浆钻孔位置布置要根据注浆的浆液扩散范围以及注浆时间，来选择适合的注浆钻孔布置间距，根据计算可知注浆时间在10个小时时间内扩散范围可达到40～50m，则钻孔间距可选择80-100m范围的间距；依据设计许疃矿治理范围、地质条件、水文地质条件、桨液扩散规律以及注
浆钻孔设计原则，结合矿方工作面巷道布置，综合考虑钻机能力、钻孔偏斜、井下巷道及采空区位置和地面建筑及地形条件等因素，先期布置3个钻孔，后期增补3个钻孔，浆液扩散范围40-50m，注浆钻孔布置间距应在80-100m。具体的钻孔布置位置以及钻孔深度情况如下：
一期设计施工注浆直孔3个，孔号分别为X1、X2、X3，钻孔地面开孔钻探至煤顶板3m位置，穿过第四系松散层、基岩段，终孔层位是煤顶板垮落带，增补施工注浆直孔3个，孔号分别为X4、X5、X6，钻孔钻探至煤底板下位置，穿过第四系松散层、基岩段，终孔层位是煤底板下，各钻孔均对“垮落带”进行预注浆加固；
S5、注浆流程：A、注浆设备的安装与调试、相关大临工程施工；B冲洗注浆段；C安装孔口装置；D注浆系统试运转并做耐压试验；E压/注水试验、水泥浆凝固试验；F确定注浆参数；G造浆压注；H观测、记录与情况分析；I拆洗注浆系统；J压/注水试验；K优化注浆参数，准备下一阶段注浆。
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)
1.一种地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、浆液选择；
S2、采空区孔隙率计算；
S3、构建注浆模型，确定注浆加固高度；
S4、注浆孔布置；
S5、钻孔注浆。
2.根据权利要求1所述的地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，所述步骤S1中浆液采用水泥加粉煤灰组合方式，以粉煤灰为主，水泥比例控制在10-20％，水灰比控制在1：0.8-1。
3.根据权利要求1所述的地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，所述步骤S2中孔隙率计算具体包括以下步骤：
(1)以工作面采空区底板与采煤工作面交线的中点为坐标原点O，沿底板中轴线指向采空区深部为x轴方向，沿采煤面指向上巷端头为y轴方向，沿采煤面指向地面并与底板垂直的方向为z轴方向，构建采空区坐标系及采场构造，x取值范围为0-240，y取值范围为-60-60，α为岩层倾角；
(2)按照如下公式计算考虑重力影响的采空区垮落岩石的空隙率：
式Ⅰ中：ly为采空区倾向宽度；
x为采空区数学模型的x坐标；
y为采空区数学模型的y坐标；
h为直接顶厚度；
l为基本顶破断岩块长度；
H为采高或采放高；
Kpb为直接顶破碎岩体残余碎胀系数，δ0＝1MPa；
β1为回归系数，垮落岩石为页岩时，β1取-0.0488，垮落岩石为泥岩时，β1取-0.028，垮落岩石为砂岩时，β1取0.0254；
a为岩层倾角；
Y为垮落岩石容重，N/m3。
4.根据权利要求1所述的地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，所述步骤S3中注浆加固高度的确定具体包括以下步骤：
Ⅰ、设开挖进尺1m，悬空顶板高h，悬空跨度L，取单位宽度b＝1m进行应力分析，采用深梁截面应力计算的三角级数解，得到不同梁高情况下水位深梁最大拉应力；
Ⅱ、将计算的到的不同梁高梁端顶部拉应力值δmax分别与砼规计算得到的混凝土抗拉强度δt比较，使其满足δmax＜δt，从而确定满足条件的注浆加固高度。
5.根据权利要求1所述的地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，所述步骤S4中注浆孔布置要根据注浆的浆液扩散范围以及注浆时间来选择适合的注浆钻孔布置间距，注浆的浆液扩散范围根据孔隙率、注浆压力、浆液粘度和注浆时间计算。
6.根据权利要求1所述的地面注浆加固破碎顶板的方法，其特征在于，所述步骤S5中注浆的工艺流程为：A、注浆设备的安装与调试、相关大临工程施工；B冲洗注浆段；C安装孔口装置；D注浆系统试运转并做耐压试验；E压/注水试验、水泥浆凝固试验；F确定注浆参数；G造浆压注；H观测、记录与情况分析；I拆洗注浆系统；J压/注水试验；K优化注浆参数，准备下一阶段注浆。
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