CN111978018B - 空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充填墩柱大小与形态控制方法，属于采空区治理领域，具体是涉及一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法。本发明提出了一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态的控制方法，该方法可在地面进行操作，将高浓度浆液注入到采空区中，并在采空区中形成大小和形态可控的墩柱，利用局部充填方式，在采空区内部建立有效承载墩柱，实现有效支撑顶板，控制顶板变形，同时实现节约注浆材料，降低工程成本的目的。

Description

空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法

技术领域

本发明涉及一种充填墩柱大小与形态控制方法，属于采空区治理领域，具体是涉及一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法。

背景技术

煤矿大空洞型采空区是地下煤炭资源开采完成后留下的巨型空洞，是一种不稳定的人工地质构造，随着形成时间的推移和赋存环境的变化，这种不稳定构造可能发生退化而衍生地面塌陷、矿山地震等矿山灾害。尤其小型煤矿，开采手段落后，顶板管理方式粗放，且缺乏必要地质资料，遗留的采空区潜在灾害更加严重。由于目前的采空区多为开采多年后遗留下来的，其工作面早已封闭，人无法下达到工作面进行直接治理，只能通过地面打钻注浆的方式将其粗略填充，因此，目前国内采空区治理多为稀浆全部充填法。但稀浆全充填方法治理采空区时浆液容易沿着优势通道远距离流动，形成较多的无效浆液，且无法预知浆液流动范围，而且无法做到全充填，往往具有较高的不接顶范围，并且产生较大的材料浪费，充填治理成本高，充填治理效果检验难以达到设计要求。因此，现在专家学者正在研究采空区部分充填治理方法，对于采空区治理时设计多少墩柱、墩柱的尺寸、墩柱的承载等设计问题，可利用力学手段进行计算，但是对于设计出来的墩柱如何在采空区中实现仍是一个难题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

为了解决上述现有技术中存在的技术缺陷，本发明提出了一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态的控制方法，该方法可在地面进行操作，将高浓度浆液注入到采空区中，并在采空区中形成大小和形态可控的墩柱，利用局部充填方式，在采空区内部建立有效承载墩柱，实现有效支撑顶板，控制顶板变形，同时实现节约注浆材料，降低工程成本的目的

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.48-1.52；

风积砂：8.0-8.4；

水：1.2-2.5；

其中，风积砂粒径小于2mm。

一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.10-1.20；

煤矸石：6-6.4；

水：1.1-2.2；

其中，煤矸石粒径小于2mm。

一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括：

将钻孔穿透采空区顶板，在钻孔中安装注浆管；

利用所述注浆管向采空区内注浆以形成墩柱，所述墩柱顶端与采空区顶板接触；

利用墩柱固化后来支撑采空区顶板。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，基于下式确定注浆启动压力p：

式中，Q为启动流量，ρ_m为高浓度浆液的密度，d为管道的内径；a_m为压力波传播速度。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，基于下式确定压力波传播速度a_m：

式中，C_V为高浓度浆液的体积浓度，E_s为高浓度浆液中固体颗粒的弹性模量，E_h为高浓度浆液的体积压缩弹性模量，E_p为管壁弹性模量，d为管道的内径，e为管道的壁厚。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括高浓度浆液自由堆积阶段的注浆控制，具体为：

注浆开始，按照注浆启动压力p进行注浆，将高浓度浆液连续注入注浆孔，此时，高浓度浆液未接顶属于自由堆积阶段，当注浆管孔口位置的压力计显示的压力突然升高时浆液接顶，即在采空区形成图凸型形态注浆体，自由堆积阶段结束。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括堆积角度成型阶段的注浆控制，具体为：

将泵送压力减小0.2MPa～0.8MPa，可使凸型形态坡面位置浆液粘度增加一定程度后再被新充填进来的浆液覆盖，此过程浆液堆积体形态将从凸型形态变为堆积角度固定的较为规则的等腰梯形，注浆时间为100～110min，堆积角度成型阶段结束。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，包括整体扩展阶段的注浆控制，具体为：

按照注浆终止压力进行注浆，根据采空区部分充填治理中充填墩柱尺寸设计，控制注浆量，采空区高度h_c，堆积角θ，接顶直径a_j，则总注浆量V_z为：

利用注浆孔孔口设置的流量计统计已注浆液的注浆总量V_y，注浆孔孔口流量计累计已注浆液V_y达到总注浆量V_z时注浆结束，所注浆液完成了整体扩展阶段的浆液堆积。

优选的，上述的一种用于空洞型采空区墩柱填充的高浓度浆液，基于下式计算注浆终止压力：

其中，L为工程设计接顶半径；D₀为流动通道内的等效半径，取0.01-0.08m范围以内值，p₀为注浆终止压力，p_a为大气压强。h表示浆液从地表至采空区顶板距离，γ为浆液自身重度，∑Δp_f为管路输运过程中总的沿程损失，ρ_m为浆液密度，v为浆液流速，λ为范宁阻力系数，

Re_c＝XRe_s，Re_s为根据有效粘度μ_e计算的有效雷诺数，X为修正系数，

μ_p为浆液的塑性粘度，D为管径，μ_e为有效粘度，τ_y为屈服应力，β_c为管壁滑移系数，由于滑移层粘度μ_w极低，可直接将其视作为水，取μ_w＝0.001，则有β_c＝500δ。滑移层厚度δ是物料平均粒径d_p以及浆液固体填充率C_v/C_vm的函数，即

因此，本发明具备以下优点：：本发明通过准确控制浆液充填至采空区后所形成的堆积体大小和形态，可满足采空区部分充填设计要求，降低充填成本，减少浪费。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为坍落度与堆积角关系图。

图2为充填过程示意图。

图3为浆液粘度随时间变化图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态的控制方法，包括以下步骤：利用钻探方式在地面向采空区设计位置打钻，并穿透采空区顶板；在所钻孔中安装注浆管，一方面为浆液输送提供畅通的路径，另一方面防止地层遇水崩解塌孔；利用浆料配比和浆料自身粘度、屈服应力随时间变化规律控制浆液堆积角度；利用泵送方式控制浆液扩散距离和浆液接顶面积。确保所注浆液在大空洞型采空区中形成所设计的墩柱，墩柱固化后有效支撑采空区顶板，控制顶板变形。

(1)合理配制浆液，根据浆液浓度、坍落度与堆积角关系，控制浆体堆积角；

受采空区地域条件限制，有些地方有丰富的风积砂，且经济成本较低，有些地方有丰富的煤矸石，既成本低又减少固废，将其资源利用，因此，设计了两种高浓度浆液配比，这两种浆液的配比都可以满足形成充填墩柱的工艺需求。

高浓度浆液材料配比一：以风积砂为骨料，水泥和粉煤灰分别为胶固剂和助流剂，其配比为水泥：粉煤灰：风积砂：水＝1:(1.48～1.52):(8.0～8.4):(1.2～2.5)，其中，风积砂粒径小于2mm且级配良好。

配比二：以煤矸石为骨料，水泥和粉煤灰为胶固剂和助流剂，其配比为水泥：粉煤灰：煤矸石：水＝1:(1.10～1.20):(6.0～6.4):(1.1～2.2)，其中，煤矸石需破碎使其粒径小于2mm。

根据高浓度浆液坍落度可确定充填墩柱最终堆积角大小。高浓度浆液坍落度在220～260mm之间时，堆积角度可控制为40°～15°。高浓度浆液坍落度与堆积角关系为

其中，

为堆积角，y为坍落度(图1)。

(2)过程控制

通过调整注浆压力、注浆时间和工艺，控制高浓度浆液充填过程，使其分别处于自由堆积(CC’D’D)阶段、堆积角度成型(BB’E’E)阶段、整体扩展(AA’F’F)阶段，实现充填墩柱的接顶面积、堆积角度、底面浆液扩散距离达到设计需求。具体为：

注浆开始，按照注浆启动压力p进行注浆，将高浓度浆液连续注入注浆孔，此时，高浓度浆液未接顶属于自由堆积阶段，当注浆管孔口位置的压力计显示的压力突然升高时浆液接顶，即在采空区形成图2中“凸”字型(CC’D’D)形态注浆体，自由堆积阶段结束。

进一步的，注浆启动压力p为

式中，U为启动流速，Q为启动流量，ρ_m为浆液的密度，d为管道的内径。在高浓度浆液充填时，属于固液两项流，与纯水的泵送不同，它需要有一定的启动压力克服浆液的初始阻力才行，此处压力p也是自由堆积阶段CC’D’D的压力。

a_m为压力波传播速度。

式中，C_V为高浓度浆液的体积浓度，E_s为高浓度浆液中固体颗粒(水泥、粉煤灰、风积砂、煤矸石)的弹性模量，E_h为高浓度浆液的体积压缩弹性模量，E_p为管壁弹性模量，d为管道的内径，e为管道的壁厚。

进一步的，高浓度浆液粘度随时间存在一定的变化关系(图3)μ＝0.015t+2.098，其中μ为粘度，t为时间。将泵送压力减小0.2MPa～0.8MPa，可使CC’和D’D坡面位置浆液粘度增加一定程度后后再被新充填进来的浆液覆盖，此过程浆液堆积体形态将从“凸”字型(CC’D’D)变为堆积角度固定的较为规则的等腰梯形(BB’E’E)，注浆时间为100～110min，堆积角度成型阶段结束。此过程，利用了浆液粘度随时间变化的规律，确定了减小后的泵送压力和流速，使新注入采空区中的浆液缓慢覆盖在已有粘度增加的浆液上面，使堆积体从凸字形变成等腰梯形。同时，利用这一规律确定了该阶段的注浆时间为100～110min。

进一步的，按照注浆终止压力进行注浆，根据采空区部分充填治理中充填墩柱尺寸设计，控制注浆量，采空区高度h_c，堆积角θ，接顶直径a_j，则总注浆量V_z为：

利用注浆孔孔口设置的流量计统计已注浆液的注浆总量V_y，注浆孔孔口流量计累计已注浆液V_y达到总注浆量V_z时注浆结束，所注浆液完成了整体扩展(AA’F’F)阶段的浆液堆积。这部分可根据设计要求进行确定，例如，采空区2m，堆积角31°，接顶直径为6m，那么，可计算总的注浆量为142.3m³，在注浆孔孔口设置流量计，统计已注浆液的总量Vy，计算所得的总的注浆量142.3m³减去已注浆液的总量Vy得整体扩展(AA’F’F)阶段所需注浆量，此过程注浆量达到整体扩展(AA’F’F)阶段所需注浆量，也是注浆孔孔口流量计累计已注浆液达到总注浆量。注浆结束。

进一步的，注浆终止压力为

其中，L为所形成的AA’F’F堆积体接顶最大半径，即工程设计接顶半径a_j；D₀为流动通道内的等效半径，取0.01～0.08m范围以内值，p₀为注浆终止压力，p_a为大气压强。h表示浆液从地表至采空区顶板距离，γ为浆液自身重度。ΣΔp_f为管路输运过程中总的沿程损失，ρ_m为浆液密度，v为浆液流速。

其中，D_i和L_i分别为对应第i段管路的直径和管长，v为浆液流速，λ为范宁阻力系数，根据考虑管壁滑移及流变性质综合作用的雷诺数Re_c而定，

Re_c＝XRe_s，Re_s为根据有效粘度μ_e计算的有效雷诺数；X为修正系数，

μ_p为浆液的塑性粘度，D为管径，μ_e为有效粘度，τ_y为屈服应力，β_c为管壁滑移系数，由于滑移层粘度μ_w极低，可直接将其视作为水，取μ_w＝0.001，则有β_c＝500δ。滑移层厚度δ是物料平均粒径d_p以及浆液固体填充率C_v/C_vm的函数，即

基于某项目建设场对本实施例的方案进行了验证。建设场地存在侏罗系延安组4-3煤层采空区，为小煤窑人工房(巷)柱式开采形成的，采空区高度2m，采空区上覆岩较为坚硬且相对完整，采用高浓度胶结材料对采空区进行部分充填。在采空区场地中部建高浓度浆体充填站，高浓度注浆材料为粉煤灰、水泥、风积砂、水，按照水泥：粉煤灰：煤矸石：水＝1:1.50:8.0:1.8，坍落度235mm，堆积角31°。充填站将通过卧式双轴连续搅拌机进行充分搅拌，利用混凝土泵将高浓度浆液连续注入注浆孔，泵压设定3.25Mpa，流量为1.5m³/h，完成自由堆积阶段注浆，形成自由堆积阶段堆积体；当注浆管孔口位置的压力计显示的压力突然升高时浆液接顶，减小泵送压力至2.8MPa，注浆时间为100～110min，堆积角度成型阶段结束。泵送压力提高至4MPa，利用孔口压力计控制整体注浆量为142.3m³，使接顶直径为6m，底部扩散距离直径为12.7m。浆体经过固化、胶结成结石体，对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层进一步冒落，保证上部建(构)筑物安全稳定。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，包括：

将钻孔穿透采空区顶板，在钻孔中安装注浆管；

利用所述注浆管向采空区内注浆以形成墩柱，所述墩柱顶端与采空区顶板接触；

利用墩柱固化后来支撑采空区顶板；

其中，利用所述注浆管向采空区内注浆以形成墩柱的过程包括高浓度浆液自由堆积阶段的注浆控制，堆积角度成型阶段的注浆控制，整体扩展阶段的注浆控制；

其中，在高浓度浆液自由堆积阶段的注浆控制，具体为：

注浆开始，按照注浆启动压力p进行注浆，将高浓度浆液连续注入注浆孔，此时，高浓度浆液未接顶属于自由堆积阶段，当注浆管孔口位置的压力计显示的压力突然升高时浆液接顶，即在采空区形成图凸型形态注浆体，自由堆积阶段结束；其中，基于下式确定注浆启动压力p：

式中，Q为启动流量，ρ_m为高浓度浆液的密度，d为管道的内径；a_m为压力波传播速度；

其中，在堆积角度成型阶段的注浆控制，具体为：

将泵送压力减小0.2MPa～0.8MPa，可使凸型形态坡面位置浆液粘度增加一定程度后再被新充填进来的浆液覆盖，此过程浆液堆积体形态将从凸型形态变为堆积角度固定的较为规则的等腰梯形，注浆时间为100～110min，堆积角度成型阶段结束；

其中，在整体扩展阶段的注浆控制，具体为：

按照注浆终止压力进行注浆，根据采空区部分充填治理中充填墩柱尺寸设计，控制注浆量，采空区高度h_c，堆积角θ，接顶直径a_j，则总注浆量V_z为：

利用注浆孔孔口设置的流量计统计已注浆液的注浆总量V_y，注浆孔孔口流量计累计已注浆液V_y达到总注浆量V_z时注浆结束，所注浆液完成了整体扩展阶段的浆液堆积。

2.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，基于下式确定压力波传播速度a_m：

式中，C_V为高浓度浆液的体积浓度，E_s为高浓度浆液中固体颗粒的弹性模量，E_h为高浓度浆液的体积压缩弹性模量，E_p为管壁弹性模量，d为管道的内径，e为管道的壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，基于下式计算注浆终止压力：

其中，L为工程设计接顶半径；D₀为流动通道内的等效半径，取0.01-0.08m范围以内值，p₀为注浆终止压力，p_a为大气压强；h表示浆液从地表至采空区顶板距离，γ为浆液自身重度，∑Δp_f为管路输运过程中总的沿程损失，ρ_m为浆液密度，v为浆液流速，λ为范宁阻力系数，

Re_c＝XRe_s，Re_s为根据有效粘度μ_e计算的有效雷诺数，X为修正系数，

μ_p为浆液的塑性粘度，D为管径，μ_e为有效粘度，τ_y为屈服应力，β_c为管壁滑移系数，由于滑移层粘度μ_w极低，可直接将其视作为水，取μ_w＝0.001，则有β_c＝500δ；滑移层厚度δ是物料平均粒径d_p以及浆液固体填充率C_v/C_vm的函数，即

4.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，向采空区内注浆的高浓度浆液包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.48-1.52；

风积砂：8.0-8.4；

水：1.2-2.5；

其中，风积砂粒径小于2mm。

5.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，向采空区内注浆的高浓度浆液包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.10-1.20；

煤矸石：6-6.4；

水：1.1-2.2；

其中，煤矸石粒径小于2mm。

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