CN113433132A - 一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明在传统的相似模拟试验装置基础上，提出一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法，该装置能够根据试验场地灵活移动，可以模拟不同煤层倾角，根据设计改变箱体尺寸，适用于不同几何相似比情况，能够根据开挖过程中离层区的出现位置灵活调整注浆管的位置，并且可以模拟多层位离层注浆和多个工作面同时进行离层注浆作业情况，可以很好的对整个覆岩离层注浆充填作业流程进行相似模拟。通过覆岩离层注浆得到的数据可以跟已有理论及数值模拟研究间进行验证和修正，为煤矿提供可靠的充填开采依据，促进煤炭安全绿色开采。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭行业绿色充填开采减沉控制领域，具体涉及一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，煤炭资源需求量急剧增长，深部煤炭资源开采已成为常态。传统的垮落法处理采空区，大规模开采后带来的地表沉陷、地下水系破坏、矸石排放等生态环境问题日益突出。近年来，覆岩离层注浆减沉技术已成为解决上述问题的有效技术途径之一，覆岩离层注浆是充分利用煤层开采后的离层空间，将充填材料通过地面钻孔注入离层区域，减缓岩层弯曲下沉，减轻地表沉陷，有效实现了地下开采与地面注浆充填平行作业，互不干扰，具有成本低、煤炭回采率与生产效率高，适合高产能等特点。目前，有学者对于覆岩离层注浆充填理论和数值模型进行了研究，由于众多影响条件制约现场实测和实践研究，需要设计一套能够模拟实际生产条件下覆岩离层注浆的装置，从而跟已有理论及数值模拟研究间进行验证和修正，为煤矿提供可靠的充填开采依据。
鉴于此，近年来公开了一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟系统及其方法(公告号：CN109507393A)和一种模拟垮落带充填浆体三维流态的试验装置及方法(公告号：CN111487166A)等，但上述方法没有涉及到覆岩离层注浆充填的整体流程模拟，设计的装置比较简单粗放，没有考虑模拟煤层开采协同覆岩离层注浆充填过程中注浆位置的选择。针对上述存在问题，本发明提出一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法，该装置能够根据试验场地灵活移动，可模拟不同煤层倾角，能够根据开挖过程中离层区的出现位置灵活调整注浆管的位置，并且可以模拟多层位离层注浆和多个工作面同时进行离层注浆作业情况，可以很好的对整个覆岩离层注浆充填作业流程进行相似模拟，为煤矿提供可靠的充填开采依据，促进煤炭安全绿色开采。
发明内容
本发明基于覆岩离层注浆减沉技术，针对上述技术中存在的问题，提出一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法，通过室内试验克服了现场实测研究的众多制约条件，可以跟已有理论及数值模拟研究间进行验证和修正，为煤矿提供可靠的充填开采依据。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，主要包括：模拟装置箱体、微型搅拌注浆一体泵、螺旋杆、活动挡板、载荷补充液压装置、顶板、注浆管、注浆孔槽、钻孔器、前挡板、线路孔、高清摄像机、电动角位台、侧挡板、轮子、采集监测系统和固定支撑架。
进一步地，所述模拟装置箱体的活动挡板、顶板、侧挡板和底板为刚性材料，底部布置有轮子，保证模拟装置箱体可以灵活移动；所述前挡板一侧通过侧挡板上的转轴固定，可以做到270°开合，前挡板上布置线路孔来通过各种传感元件的监测线路，采用透光性出色的有机玻璃板来观察模拟装置箱体内部煤岩层的变化过程。
进一步地，所述活动挡板上焊接固定螺旋杆，螺旋杆长度可根据涉及的试验条件确定，侧挡板上布置螺旋杆位置的螺孔，螺旋杆穿过后用螺帽和垫圈固定，能够根据试验相似比要求改变模拟装置箱体的尺寸。
进一步地，所述顶板沿长边方向留设有注浆孔槽，能够根据开挖过程中离层区的出现位置灵活调整注浆管的位置；注浆管由钻孔器在注浆孔槽上钻孔后设置，来模拟注浆过程中钻孔铺设注浆管路；顶板上部均匀布置载荷补充液压装置，用来控制和补充上覆岩层的载荷。
进一步地，所述顶板为具有一定厚度刚性材料，注浆孔槽宽度和钻孔器规格由注浆管7尺寸确定,注浆孔槽为切削顶板形成，两端头铰接，设置在顶板宽度中间，钻孔器可沿着注浆孔槽选择任意钻孔位置，从而使注浆效果更加明显。
进一步地，所述钻孔器为碳钢材料，由钻柄、钻杆和钻头组成，钻杆为中空结构，钻孔时通过人力转动钻柄带动钻杆和钻头旋转，钻孔器必须与注浆孔槽垂直，避免打出斜孔，旋转时要向同一方向，使用后应立即用通条除去钻杆内的残渣并擦净。
一种模拟覆岩离层注浆充填的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据模拟实验几何相似比，确定模拟装置箱体的尺寸，调整活动挡板，根据模拟煤层赋存情况，调节电动角位台模拟煤岩层倾角，然后将固定支撑架开启，防止模拟装置箱体滑移，根据充填料浆材料配比，对各种充填材料进行称重；
(2)根据地质柱状图、煤岩层物理力学性质、配比号、模型比例尺、应力相似比和容重相似比确定相似材料用量和补偿载荷；
(3)将每一分层所需要的相似材料和水分别称重，混合后倒入搅拌机中搅拌均匀，将搅拌好的相似材料倒入模拟装置箱体中，用刮板将相似材料摊平、压实，每一分层间铺设云母粉，并在需要监测的层位铺设传感元件；
(4)铺设到设计高度，闭合顶板和前挡板，根据计算得到的补偿荷载调整载荷补充液压装置，开启电风扇加快煤岩层的风干，定时观察其风干情况；
(5)待到煤岩层风干后，进行模拟煤层开采，同时开启高清摄像机和采集监测系统观察上覆岩层的变化情况，当出现离层区时，停煤层止开挖，用钻孔器沿着垂直于注浆孔槽方向缓慢钻孔，避免破坏离层区，同时开启微型搅拌注浆一体泵，调试无误后将称重好的注浆材料倒入搅拌均匀，然后连接注浆管，开始模拟覆岩离层注浆充填作业，直至浆液在离层区沉淀形成饱和压实体时注浆充填作业结束。
进一步地，所述方法适用于实际煤层上覆岩层中存在厚、硬岩层的情况；根据试验需要可以增加不同上覆岩层注浆管来模拟多层位离层注浆；可布设测点根据高清摄像机采集到的信息进行注浆减沉量分析；也可在注浆浆液中加入示踪剂来探究浆液扩散规律；并且可以模拟2个或多个工作面同时进行离层注浆作业时的影响情况。
本发明具有以下有益之处：
本发明具有一定的创新性和可行性，在传统的相似模拟试验装置基础上，设计了模拟覆岩离层注浆充填的试验装置和方法，该装置能够根据试验场地灵活移动，可以模拟不同煤层倾角，根据设计改变箱体尺寸，适用于不同几何相似比情况，能够根据开挖过程中离层区的出现位置灵活调整注浆管的位置，并且可以模拟多层位离层注浆和多个工作面同时进行离层注浆作业情况，可以很好的对整个覆岩离层注浆充填作业流程进行相似模拟。通过覆岩离层注浆得到的数据可以跟已有理论及数值模拟研究间进行验证和修正，为煤矿提供可靠的充填开采依据，促进煤炭安全绿色开采。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法的试验效果图；
图2为本发明一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法的模拟装置箱体试验图；
图3为本发明一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法的模拟装置箱体结构示意图；
图4为本发明一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法的钻孔器结构示意图。
附图中：模拟装置箱体1；微型搅拌注浆一体泵2；螺旋杆3；活动挡板4；载荷补充液压装置5；顶板6；注浆管7；注浆孔槽8；钻孔器9；前挡板10；线路孔11；高清摄像机12；电动角位台13；煤层14；开挖工作面15；冒落区16；裂隙带17；离层区18；侧挡板19；轮子20；采集监测系统21；钻柄22；钻杆23；钻头24；固定支撑架25。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
请参阅图1-4，本发明提供一种模拟覆岩离层注浆充填的装置及方法，该装置主要包括模拟装置箱体1、微型搅拌注浆一体泵2、螺旋杆3、活动挡板4、载荷补充液压装置5、顶板6、注浆管7、注浆孔槽8、钻孔器9、前挡板10、线路孔11、高清摄像机12、电动角位台13、侧挡板19、轮子20、采集监测系统21和固定支撑架25。
进一步地，所述模拟装置箱体1的活动挡板4、顶板6、侧挡板19和底板为刚性材料，底部布置有轮子20，保证模拟装置箱体1可以灵活移动；所述前挡板10一侧通过侧挡板19上的转轴固定，可以做到270°开合，前挡板10上布置线路孔11来通过各种传感元件的监测线路，采用透光性出色的有机玻璃板来观察模拟装置箱体1内部煤岩层的变化过程。
进一步地，所述活动挡板4上焊接固定螺旋杆3，螺旋杆3长度可根据涉及的试验条件确定，侧挡板19上布置螺旋杆3位置的螺孔，螺旋杆3穿过后用螺帽和垫圈固定，能够根据试验相似比要求改变模拟装置箱体1的尺寸。
进一步地，所述顶板6沿长边方向留设有注浆孔槽8，能够根据开挖过程中离层区18的出现位置灵活调整注浆管7的位置；注浆管7由钻孔器9在注浆孔槽8上钻孔后设置，来模拟注浆过程中钻孔铺设注浆管路；顶板6上部均匀布置载荷补充液压装置5，用来控制和补充上覆岩层的载荷。
进一步地，所述顶板6为具有一定厚度刚性材料，注浆孔槽8宽度和钻孔器9规格由注浆管7尺寸确定,注浆孔槽8为切削顶板6形成，两端头铰接，设置在顶板6宽度中间，钻孔器9可沿着注浆孔槽8选择任意钻孔位置，从而使注浆效果更加明显。
进一步地，所述钻孔器9为碳钢材料，由钻柄22、钻杆23和钻头24组成，钻杆23为中空结构，钻孔时通过人力转动钻柄22带动钻杆23和钻头24旋转，钻孔器9必须与注浆孔槽8垂直，避免打出斜孔，旋转时要向同一方向，使用后应立即用通条除去钻杆23内的残渣并擦净。
一种模拟覆岩离层注浆充填的方法，包括以下步骤：
(1)根据模拟实验几何相似比，确定模拟装置箱体1的尺寸，调整活动挡板4，根据模拟煤层赋存情况，调节电动角位台13模拟煤岩层倾角，然后将固定支撑架25开启，防止模拟装置箱体1滑移，根据充填料浆材料配比，对各种充填材料进行称重；
(2)根据地质柱状图、煤岩层物理力学性质、配比号、模型比例尺、应力相似比和容重相似比确定相似材料用量和补偿载荷；
(3)将每一分层所需要的相似材料和水分别称重，混合后倒入搅拌机中搅拌均匀，将搅拌好的相似材料倒入模拟装置箱体1中，用刮板将相似材料摊平、压实，每一分层间铺设云母粉，并在需要监测的层位铺设传感元件；
(4)铺设到设计高度，闭合顶板6和前挡板10，根据计算得到的补偿荷载调整载荷补充液压装置5，开启电风扇加快煤岩层的风干，定时观察其风干情况；
(5)待到煤岩层风干后，进行模拟煤层开采，同时开启高清摄像机12和采集监测系统21观察上覆岩层的变化情况，当出现离层区18时，停煤层止开挖，用钻孔器9沿着垂直于注浆孔槽8方向缓慢钻孔，避免破坏离层区18，同时开启微型搅拌注浆一体泵2，调试无误后将称重好的注浆材料倒入搅拌均匀，然后连接注浆管7，开始模拟覆岩离层注浆充填作业，直至浆液在离层区沉淀形成饱和压实体时注浆充填作业结束。
进一步地，所述方法适用于实际煤层上覆岩层中存在厚、硬岩层的情况；根据试验需要可以增加不同上覆岩层注浆管7来模拟多层位离层注浆；可布设测点根据高清摄像机12采集到的信息进行注浆减沉量分析；也可在注浆浆液中加入示踪剂来探究浆液扩散规律；并且可以模拟2个或多个工作面同时进行离层注浆作业时的影响情况。
实施例：
神华宁夏煤业集团下属某矿主采煤层9煤厚度平均6.66m，某工作面倾向长度250m，煤层倾角7°～10°，煤层厚度4.5m，上覆岩层厚度约为373m，容重为1.8×103kg/m3，直接顶为石灰岩，上覆岩层以砂岩为主。
(1)确定模型几何相似比为1∶100(模型：原型)，容重相似比为1∶1.5，模型模拟上覆岩层厚度为130m，则物理模拟平台尺寸为2.5m×0.6m×1.3m(长×宽×高)，固定活动挡板4，调节电动角位台13使模拟装置箱体1倾角为10°，然后将固定支撑架25开启，防止模拟装置箱体1滑移。
(2)根据：δ＝γH·(H-H1)/(αl·αγ)＝0.0405MPa，确定上覆岩层补偿荷载，式中：
γH——上覆岩层容重，其平均值约为25KN/m3；
αl——长度相似常数，取100；αγ——容重相似常数，取1.5；
H——从地表至煤层顶板岩层厚度，373m，H1——模型模拟上覆岩层厚度，130m。
根据G＝L·B·H·γ确定模型各分层材料用量，式中：
L——模型长度，m；B——模型宽度，m；H——模拟岩层各分层高度，m；
γ——模拟岩层各分层容重。
(3)将每一分层所需要的相似材料和水分别称重，混合后倒入搅拌机中搅拌均匀，将搅拌好的相似材料倒入模拟装置箱体1中，用刮板将相似材料摊平、压实，每一分层间铺设云母粉，并在需要监测的层位铺设传感元件。
(4)铺设到1.3m时，闭合顶板6和前挡板10，调整载荷补充液压装置5时补偿荷载达到0.0405MPa，同时开启电风扇加快煤岩层的风干，定时观察其风干情况。
(5)待到煤岩层风干后，进行模拟煤层开采，同时开启高清摄像机12和采集监测系统21观察上覆岩层的变化情况，实验中模拟工作面推进速度为10cm/h，当出现离层区18时，停煤层止开挖，用钻孔器9沿着垂直于注浆孔槽8方向缓慢钻孔，避免破坏离层区18，同时开启微型搅拌注浆一体泵2，调试无误后将称重好的注浆材料倒入搅拌均匀，然后连接注浆管7，开始模拟覆岩离层注浆充填作业，直至浆液在离层区沉淀形成饱和压实体时注浆充填作业结束。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：主要包括模拟装置箱体1、微型搅拌注浆一体泵2、螺旋杆3、活动挡板4、载荷补充液压装置5、顶板6、注浆管7、注浆孔槽8、钻孔器9、前挡板10、线路孔11、高清摄像机12、电动角位台13、侧挡板19、轮子20、采集监测系统21和固定支撑架25。
2.根据权利要求1所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：所述模拟装置箱体1的活动挡板4、顶板6、侧挡板19和底板为刚性材料，底部布置有轮子20，保证模拟装置箱体1可以灵活移动；所述前挡板10一侧通过侧挡板19上的转轴固定，可以做到270°开合，前挡板10上布置线路孔11来通过各种传感元件的监测线路，采用透光性出色的有机玻璃板来观察模拟装置箱体1内部煤岩层的变化过程。
3.根据权利要求1所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：所述活动挡板4上焊接固定螺旋杆3，螺旋杆3长度可根据涉及的试验条件确定，侧挡板19上布置螺旋杆3位置的螺孔，螺旋杆3穿过后用螺帽和垫圈固定，能够根据试验相似比要求改变模拟装置箱体1的尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：所述顶板6沿长边方向留设有注浆孔槽8，能够根据开挖过程中离层区18的出现位置灵活调整注浆管7的位置；注浆管7由钻孔器9在注浆孔槽8上钻孔后设置，来模拟注浆过程中钻孔铺设注浆管路；顶板6上部均匀布置载荷补充液压装置5，用来控制和补充上覆岩层的载荷。
5.根据权利要求4所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：所述顶板6为具有一定厚度刚性材料，注浆孔槽8宽度和钻孔器9规格由注浆管7尺寸确定,注浆孔槽8为切削顶板6形成，两端头铰接，设置在顶板6宽度中间，钻孔器9可沿着注浆孔槽8选择任意钻孔位置，从而使注浆效果更加明显。
6.根据权利要求1和5所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的装置，其特征在于：所述钻孔器9为碳钢材料，由钻柄22、钻杆23和钻头24组成，钻杆23为中空结构，钻孔时通过人力转动钻柄22带动钻杆23和钻头24旋转，钻孔器9必须与注浆孔槽8垂直，避免打出斜孔，旋转时要向同一方向，使用后应立即用通条除去钻杆23内的残渣并擦净。
7.一种模拟覆岩离层注浆充填的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据模拟实验几何相似比，确定模拟装置箱体1的尺寸，调整活动挡板4，根据模拟煤层赋存情况，调节电动角位台13模拟煤岩层倾角，然后将固定支撑架25开启，防止模拟装置箱体1滑移，根据充填料浆材料配比，对各种充填材料进行称重；
(2)根据地质柱状图、煤岩层物理力学性质、配比号、模型比例尺、应力相似比和容重相似比确定相似材料用量和补偿载荷；
(3)将每一分层所需要的相似材料和水分别称重，混合后倒入搅拌机中搅拌均匀，将搅拌好的相似材料倒入模拟装置箱体1中，用刮板将相似材料摊平、压实，每一分层间铺设云母粉，并在需要监测的层位铺设传感元件；
(4)铺设到设计高度，闭合顶板6和前挡板10，根据计算得到的补偿荷载调整载荷补充液压装置5，开启电风扇加快煤岩层的风干，定时观察其风干情况；
(5)待到煤岩层风干后，进行模拟煤层开采，同时开启高清摄像机12和采集监测系统21观察上覆岩层的变化情况，当出现离层区18时，停煤层止开挖，用钻孔器9沿着垂直于注浆孔槽8方向缓慢钻孔，避免破坏离层区18，同时开启微型搅拌注浆一体泵2，调试无误后将称重好的注浆材料倒入搅拌均匀，然后连接注浆管7，开始模拟覆岩离层注浆充填作业，直至浆液在离层区沉淀形成饱和压实体时注浆充填作业结束。
8.根据权利要求7所述的一种模拟覆岩离层注浆充填的方法，其特征在于：所述方法适用于实际煤层上覆岩层中存在厚、硬岩层的情况；根据试验需要可以增加不同上覆岩层注浆管7来模拟多层位离层注浆；可布设测点根据高清摄像机12采集到的信息进行注浆减沉量分析；也可在注浆浆液中加入示踪剂来探究浆液扩散规律；并且可以模拟2个或多个工作面同时进行离层注浆作业时的影响情况。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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