CN112695739B - 采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,以流砂层厚度与松散层厚度比为技术指标,对松散层移动角进行修正,按照基岩移动角和松散层移动修正角划定采动影响范围;以建构筑物群为受护对象,按照松散层和厚流砂层修正移动角划定建构筑物群保护范围;结合采动影响范围和建构筑物群保护范围,划定建构筑物群注浆加固范围,以建构筑物群的几何中心确定加固范围的中心;在注浆加固范围内布置环状注浆加固带,加固带布置方式呈间隔式“O”型分布,并基于注浆体流动性特征确定注浆带条数和注浆孔个数;确定注浆孔注浆固砂顺序。本申请减小煤炭开采对厚流砂层的扰动,稳固地基,实现保护地表建构筑物群的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域。具体地说是采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法。
背景技术
我国东部部分省份第四系砂层分布广泛,砂层胶结强度低,稳定性差,与临近岩层呈现不连续化、不成区域化,分布无规律,房屋建造时会对流砂层进行适当加固,从而提高地基稳固性。现有的固砂方法有:振冲法、碎石桩法、水泥搅拌法和注浆法。其中,振冲法是指加水振动使周围的饱和砂土密实;碎石桩法是指振动或冲击荷载将底部装有活瓣式桩靴的桩管挤入地层,在软弱地基中成孔后,再将碎石从桩管投料口处投入桩管内,然后边击实、边上拔桩管,形成密实碎石桩,并与桩周土体一起形成复合地基;水泥搅拌法是一种将水泥作为固化剂的主剂,利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌,使水泥与土发生一系列物理化学反应,使软土胶结从而提高强度;注浆法是指利用气压或者液压配以填充和挤密等方式,把能凝固的浆液均匀的注入岩层中,待硬化后可将岩土胶结成一个整体。
同时,“三下”开采是维持矿井正常生产和采掘接续的必然要求。然而,煤矿开采势必会造成地表岩层的运移,直至影响地表发生变形。煤炭资源的整个开采过程中不可避免的会对第四系砂层产生扰动,破坏第四系流砂层的稳定性,造成第四系流砂层变形过大,直接或间接的使地表的建构筑物的变形增大,影响地表建构筑物的安全使用。
近几年,“三下”压煤开采技术愈来愈成熟,在部分矿区拥有比较成功的案例。但是由于东部部分矿区第四系厚流砂层流动性大,稳定性差,受采动和人为采砂双重影响运移明显;虽然近年来井下采用条带开采,充填开采等技术尽可能的减少采动影响,但厚流砂层受采动影响从而影响地基稳定性的难题仍然没有得到有效解决。
现有技术中有利用废铁加固砂土地基的方法,其通过将回收的废铁压制成尖状的圆柱形铁柱并沉入地基内,制作浓度为30%~60%的盐水,倒入铁柱内,辅助以电热棒对铁柱加热,目的为加速铁柱的锈蚀,利用生成的氧化铁向内部孔隙扩散,形成氧化铁柱,胶结砂土颗粒,提高地基的承载能力,在含碎石和砂土的地基上梅花形布置钻孔,采用逐级逐层的方式将水泥和水的混合物注入钻孔,使松散的土颗粒胶结为一个整体,提高地基承载力。但是同时也存在如下问题:利用废铁加固砂土地基的方法对大面积的地基加固成本较高,加固地基深度有限,对于东部部分省份埋深较大的第四系厚流砂层适用性较差;注浆孔布置较多,经济成本较高,对于大区域注浆范围不适用,而且该技术缺乏考虑地下采动对地基的影响。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于提供一种达到减小采动影响对流砂层的扰动,稳固建构筑物物地基的目标,保证采动影响区内地表建构筑物群的安全运营的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,包括以下步骤:
(1)以流砂层厚度与松散层厚度比为技术指标,对松散层移动角进行修正,按照基岩移动角和松散层移动修正角划定采动影响范围;
(2)以建构筑物群为受护对象,按照松散层和厚流砂层修正移动角划定建构筑物群保护范围;
(3)结合采动影响范围和建构筑物群保护范围,划定建构筑物群注浆加固范围,以建构筑物群的几何中心确定加固范围的中心;
(4)在注浆加固范围内布置环状注浆加固带,加固带布置方式呈间隔式“O”型分布,并基于注浆体流动性特征确定注浆带条数和注浆孔个数;
(5)在间隔式“O”型注浆加固范围内,布置注浆钻孔,遵循“由外而内,由近及远”的注浆顺序实施注浆。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(1)中,包括如下步骤:
(1-2)由厚流砂层引起的地表移动范围A砂计算采煤导致的松散层采动范围的影响:
其中:A为采煤导致的松散层移动范围,h1为地表距离流砂层顶部的厚度,h2为流砂层底部距离基岩的厚度,
(1-3)由基岩移动角确定采动基岩影响范围:
针对沿工作面走向方向采动基岩影响范围:
dz=hjcotδ;
针对沿工作面倾向方向采动基岩影响范围:
dq1=hx*cotβ;
dq2=hs*cotγ;
其中:dz、dq1、dq2分别为沿煤层走向、倾向下山、倾向上山采空区边界到采动影响范围边缘的水平距离;
hj为基岩厚度,hs为沿倾向上山方向基岩厚度,hx为沿倾向下山方向基岩厚度,δ为沿煤层走向边界角,β为沿煤层倾向下山边界角,γ为沿煤层倾向上山边界角;
(1-4)由采动基岩影响范围和松散层移动修正角划定采动影响范围:即采煤导致的采动基岩影响范围与采煤导致的松散层采动影响范围的总影响范围:
针对沿工作面走向方向采动影响范围:
l=2dz+2A+a;
针对沿工作面倾向方向采动影响范围:
w=dq1+dq2+2A+b;
其中:l为走向方向采动影响范围的长度,w为倾向方向采动影响范围的宽度;a为采煤工作面的走向长度,b为采煤工作面的倾向长度;
走向方向采动影响范围和倾向方向采动影响范围为椭圆形,l为走向方向采动影响的椭圆形范围的长轴;w为倾向方向采动影响的椭圆形范围的长轴。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(1-1)中:
厚流砂层移动修正角Δσ可通过如下方式获得:
|Δσ|≤5°或者可以根据临近矿区的松散层移动角反算进行求取。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(1-1)中,k的取值范围如下所述:
当0<h砂/h松<0.2时,k=0.1;
当0.2≤h砂/h松<0.4时,k=0.2;
当0.4≤h砂/h松<0.6时,k=0.3;
当0.6≤h砂/h松<0.8时,k=0.4;
当0.8≤h砂/h松≤1.0时,k=0.5。
bc=2bz+c;
bk=2bq+d;
其中:bz、bq分别为保护范围长和宽两个范围距离建构筑物群边界的距离,bc、bk分别为保护范围的长和宽;h1为地表距离流砂层顶部的厚度;A砂为厚流砂层引起的地表移动范围;c、d分别为建构筑物群的长和宽;rb为建构筑物群保护范围的外接圆半径;
以建构筑物群保护范围的外接圆半径rb所确定的范围即为建构筑物群保护范围。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(3)中:结合步骤(1)中计算的采动影响范围和步骤(2)中计算的建构筑物群保护范围,取重叠部分作为建构筑物群注浆加固范围;
以建构筑物群的保护范围几何中心作为加固范围的中心,保护范围的外接圆半径作为注浆加固范围的半径。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(4)中:根据浆液的特性以及注浆压力,根据Maag理论在砂土层注浆模拟实验中得出的球形渗透理论,浆液的扩散半径按照下式计算:
其中,t为注浆时间;r为浆液扩散半径;βj为浆液黏度对水的黏度比;nj为被注载体的孔隙率;kj为被注载体的渗透系数;hj为注浆压力;r0为注浆管半径;
注浆加固带的布置方式为间隔式“O”型布置,“O”型环的加固带圈数m和每圈的注浆孔个数n分别由下式计算;
其中:r为浆液的扩散半径;rb为建构筑物群保护范围的外接圆半径。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(5)中,由外而内原则:注浆固砂顺序先对外侧的注浆孔进行注浆,后对内侧进行注浆。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(5)中,由近及远原则:采动影响范围内,可根据下方工作面布置的特点,先对注浆加固范围内靠近采空区一侧的注浆孔进行注浆,然后对距离采空区较远的注浆孔进行注浆。
上述采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,在步骤(5)中,注浆的孔径为110mm,孔间距根据步骤(4)中的“O”型环的圈数m和每圈的注浆孔个数n确定;制浆材料为波雷因浆液、高效抗氧剂材料。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果:
1、针对采动影响区内后流砂层变形较大的问题,设计了一套间隔式“O”型注浆加固的方法,减小了煤炭开采对厚流砂层的扰动,稳固地基,从而保护地表建构筑物群的目的。
2、本发明针对采动影响区建构筑物群下厚流砂层治理问题,采用构建间隔式“O”型环状注浆加固带的方法,对建构筑物群下厚流砂层进行注浆加固,达到稳固地基的目的。效果是:1)减小了由于煤炭开采对厚流砂层地区地表建构筑物安全运营带来的隐患;2)增加了厚流砂层地基对地表建构筑物群的承载力;3)与全部注浆加固方法相比,大幅度降低了建构筑物群治理成本,为采煤沉陷区厚流砂层上建构筑物安全运营提供了新的思路和方法。
3、本发明提出了一种采动影响区建构筑物下厚流砂层注浆加固方法,计算了采动影响范围及建构筑物群的保护范围,依据两者之间的几何关系计算了间隔式“O”型注浆加固带的层数及个数。适用于东部省份建构筑物群下特有的厚流砂层地质条件的地基加固。
4、技术关键点是提出了综合采动影响的建构筑物群下厚流砂层的注浆加固范围的确定方法以及间隔式“O”型注浆加固带的计算方法,能够较好的加固地基,达到厚流砂层上建构筑物群安全运营的目标。
5、根据采动影响区范围和建构筑物群保护范围,综合确定建构筑物下流砂层注浆加固范围;通过计算确定间隔式“O”型注浆加固的注浆带条数和注浆孔个数;在注浆加固范围内,先对靠近采空区一侧后远离采空区一侧,实施注浆钻孔注浆,稳固地基。现有技术中需要对整个建构筑物群保护范围整体进行注浆加固,确保增大厚流砂层地基稳定性,但治理成本及加固范围将大幅度增加。
附图说明
图1沿工作面走向方向采动影响范围确定示意图;
图2沿工作面倾向方向采动影响范围确定示意图;
图3含厚流砂层的建构筑物群影响范围确定示意图;
图4建构筑物群保护范围确定示意图;
图5建构筑物群注浆加固范围确定示意图;
图6间隔式“O”型注浆加固带示意图;
图7间隔式“O”环状注浆加固带注浆孔布设示意图;
图8采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固示意图。
具体实施方式
本实施例的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,共分为5个步骤。
一、以流砂层厚度与松散层厚度比为技术指标,对松散层移动角进行修正,按照基岩移动角和松散层移动修正角划定采动影响范围。
厚流砂层移动修正角Δσ可通过如下方式获得:可以根据临近矿区的松散层移动角反算进行求取,同时一般的|Δσ|≤5°。
k为流砂流动性有关的修正系数,数据来源可基于实测数据进行反演,k的取值范围如下所述;
当0<h砂/h松<0.2时,k=0.1;
当0.2≤h砂/h松<0.4时,k=0.2;
当0.4≤h砂/h松<0.6时,k=0.3;
当0.6≤h砂/h松<0.8时,k=0.4;
当0.8≤h砂/h松≤1.0时,k=0.5。
(1-2)由厚流砂层引起的地表移动范围A砂计算采煤导致的松散层采动范围的影响:
其中:A为采煤导致的松散层移动范围,h1为地表距离流砂层顶部的厚度,h2为流砂层底部距离基岩的厚度,
(1-3)由基岩移动角确定采动基岩影响范围:
针对沿工作面走向方向采动基岩影响范围:(如图1所示)
dz=hjcotδ;
针对沿工作面倾向方向采动基岩影响范围:(如图2所示)
dq1=hx*cotβ;
dq2=hs*cotγ;
其中:dz、dq1、dq2分别为沿煤层走向、倾向下山、倾向上山采空区边界到采动影响范围边缘的水平距离;
hj为基岩厚度,hs为沿倾向上山方向基岩厚度,hx为沿倾向下山方向基岩厚度,δ为沿煤层走向边界角,β为沿煤层倾向下山边界角,γ为沿煤层倾向上山边界角;
(1-4)由采动基岩影响范围和松散层移动修正角划定采动影响范围:即采煤导致的采动基岩影响范围与采煤导致的松散层采动影响范围的总影响范围:
针对沿工作面走向方向采动影响范围:(如图1所示)
l=2dz+2A+a;
针对沿工作面倾向方向采动影响范围:(如图2所示)
w=dq1+dq2+2A+b;
其中:l为走向方向采动影响范围的长度,w为倾向方向采动影响范围的宽度;a为采煤工作面的走向长度,b为采煤工作面的倾向长度;
走向方向采动影响范围和倾向方向采动影响范围为椭圆形,l为走向方向采动影响的椭圆形范围的长轴;w为倾向方向采动影响的椭圆形范围的长轴。
二、以建构筑物群为受护对象,按照松散层和厚流砂层修正移动角划定建构筑物群保护范围。
bc=2bz+c;
bk=2bq+d;
其中:bz、bq分别为保护范围长和宽两个范围距离建构筑物群边界的距离,bc、bk分别为保护范围的长和宽;h1为地表距离流砂层顶部的厚度;A砂为厚流砂层引起的地表移动范围;c、d分别为建构筑物群的长和宽;rb为建构筑物群保护范围的外接圆半径。
以建构筑物群保护范围的外接圆半径rb所确定的范围即为建构筑物群保护范围。
三、结合采动影响范围和建构筑物群保护范围,划定建构筑物群注浆加固范围,以建构筑物群的几何中心确定加固范围的中心。
结合步骤(一)中计算的采动影响范围和步骤(二)中计算的建构筑物群保护范围,取重叠部分作为建构筑物群注浆加固范围;
以建构筑物群的保护范围几何中心作为加固范围的中心,保护范围的外接圆半径作为注浆加固范围的半径。(如图4所示)
四、在注浆加固范围内布置环状注浆加固带,加固带布置方式呈间隔式“O”型分布,并基于注浆体流动性特征确定注浆带条数和注浆孔个数。
根据浆液的特性以及注浆压力,根据Maag理论在砂土层注浆模拟实验中得出的球形渗透理论,浆液的扩散半径按照下式计算:
其中,t为注浆时间;r为浆液扩散半径;βj为浆液黏度对水的黏度比;nj为被注载体的孔隙率;kj为被注载体的渗透系数;hj为注浆压力;r0为注浆管半径;
注浆加固带的布置方式为间隔式“O”型布置,“O”型环的加固带圈数m和每圈的注浆孔个数n分别由下式计算;
其中:r为浆液的扩散半径;rb为建构筑物群保护范围的外接圆半径。
五、在间隔式“O”型注浆加固范围内,布置注浆钻孔,遵循“由外而内,由近及远”的注浆顺序实施注浆。
(1)钻孔工艺
注浆工艺采用常用方法即可。孔径为110mm,注浆扩散半径根据步骤四中计算公式计算,走向孔间距根据步骤四中“O”型环的圈数m和每圈的注浆孔个数n确定,制浆材料主要为波雷因浆液、高效抗氧剂等材料。确保浆体浓度高,流动性强,凝固速度快。
(2)注浆顺序
①由外而内:注浆固砂顺序先对外侧的注浆孔进行注浆,后对内侧进行注浆遵循“由外而内”的原则进行。如图7:先对1层和2层进行注浆,后3层和4层。
②由近及远:采动影响范围内,可根据下方工作面布置的特点,先对注浆加固范围内靠近采空区一侧的注浆孔进行注浆,然后对距离采空区较远的注浆孔进行注浆,如图7中1-9~1-14注浆孔注浆时间优于1层其他注浆孔。这样设计的目的是最大的程度的保证注浆固砂效果,使注浆体和厚流砂层胶结,稳固地基,达到注浆加固效果。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (9)
1.采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)以流砂层厚度与松散层厚度比为技术指标,对松散层移动角进行修正,按照基岩移动角和松散层移动修正角划定采动影响范围;
(2)以建构筑物群为受护对象,按照松散层和厚流砂层修正移动角划定建构筑物群保护范围;
(3)结合采动影响范围和建构筑物群保护范围,划定建构筑物群注浆加固范围,以建构筑物群的几何中心确定加固范围的中心;
(4)在注浆加固范围内布置环状注浆加固带,加固带布置方式呈间隔式“O”型分布,并基于注浆体流动性特征确定注浆带条数和注浆孔个数;
(5)在间隔式“O”型注浆加固范围内,布置注浆钻孔,遵循“由外而内,由近及远”的注浆顺序实施注浆;
在步骤(1)中,包括如下步骤:
(1-2)由厚流砂层引起的地表移动范围A砂计算采煤导致的松散层采动范围的影响:
其中:A为采煤导致的松散层移动范围,h1为地表距离流砂层顶部的厚度,h2为流砂层底部距离基岩的厚度,
(1-3)由基岩移动角确定采动基岩影响范围:
针对沿工作面走向方向采动基岩影响范围:
dz=hjcotδ;
针对沿工作面倾向方向采动基岩影响范围:
dq1=hx*cotβ;
dq2=hs*cotγ;
其中:dz、dq1、dq2分别为沿煤层走向、倾向下山、倾向上山采空区边界到采动影响范围边缘的水平距离;
hj为基岩厚度,hs为沿倾向上山方向基岩厚度,hx为沿倾向下山方向基岩厚度,δ为沿煤层走向边界角,β为沿煤层倾向下山边界角,γ为沿煤层倾向上山边界角;
(1-4)由采动基岩影响范围和松散层移动修正角划定采动影响范围:即采煤导致的采动基岩影响范围与采煤导致的松散层采动影响范围的总影响范围:
针对沿工作面走向方向采动影响范围:
l=2dz+2A+a;
针对沿工作面倾向方向采动影响范围:
w=dq1+dq2+2A+b;
其中:l为走向方向采动影响范围的长度,w为倾向方向采动影响范围的宽度;a为采煤工作面的走向长度,b为采煤工作面的倾向长度;
走向方向采动影响范围和倾向方向采动影响范围为椭圆形,l为走向方向采动影响的椭圆形范围的长轴;w为倾向方向采动影响的椭圆形范围的长轴。
2.根据权利要求1所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(1-1)中:
厚流砂层移动修正角Δσ可通过如下方式获得:
|Δσ|≤5°或者可以根据临近矿区的松散层移动角反算进行求取。
3.根据权利要求1所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(1-1)中,k的取值范围如下所述:
当0<h砂/h松<0.2时,k=0.1;
当0.2≤h砂/h松<0.4时,k=0.2;
当0.4≤h砂/h松<0.6时,k=0.3;
当0.6≤h砂/h松<0.8时,k=0.4;
当0.8≤h砂/h松≤1.0时,k=0.5。
5.根据权利要求1所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(3)中:结合步骤(1)中计算的采动影响范围和步骤(2)中计算的建构筑物群保护范围,取重叠部分作为建构筑物群注浆加固范围;
以建构筑物群的保护范围几何中心作为加固范围的中心,保护范围的外接圆半径作为注浆加固范围的半径。
7.根据权利要求1所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(5)中,由外而内原则:注浆固砂顺序先对外侧的注浆孔进行注浆,后对内侧进行注浆。
8.根据权利要求1所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(5)中,由近及远原则:采动影响范围内,可根据下方工作面布置的特点,先对注浆加固范围内靠近采空区一侧的注浆孔进行注浆,然后对距离采空区较远的注浆孔进行注浆。
9.根据权利要求6所述的采动影响区建构筑物群下厚流砂层注浆加固方法,其特征在于,在步骤(5)中,注浆的孔径为110mm,孔间距根据步骤(4)中的“O”型环的圈数m和每圈的注浆孔个数n确定;制浆材料为波雷因浆液、高效抗氧剂材料。
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CN112695739A (zh) | 2021-04-23 |
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