CN113569401B - 深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法 - Google Patents

Abstract

本公开了一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，首先，基于应力拱形成原理，确定基岩中能够形成稳定应力拱的临界厚度，进而建立深埋采场覆岩类型评价标准，弥补了深埋、厚松散层、基岩厚度显著变化地层条件覆岩结构类型评价标准方面的空白。然后基于上述标准，针对超薄基岩和薄基岩地层条件，提出基岩加厚改造设计方案，包括加厚改造设计区域的长度、厚度等；最后，提出薄基岩加厚改造设计方法，提出了多水平倾斜顶部顺式注浆方案和施工方法，并对钻孔布置、注浆材料等参数进行了设计，可实现采场灾害事故的主动控制，避免了以往被动的采场内控制措施引发的灾害事故。

Description

深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法

技术领域

本发明涉及矿山压力与岩层控制领域，尤其涉及到深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法。

背景技术

随着近几十年来的大规模开采，我国东部(山东、安徽、河南、河北)浅埋煤炭资源几近枯竭，矿井正在开采第四系厚松散层、薄基岩条件下的深埋煤炭资源。东部地区现场地质勘探表明，深埋煤层上覆基岩厚度变化较大，部分区域基岩厚度仅有十几米，部分区域基岩厚度达到上百米，不同基岩厚度条件下，岩层破断运动特征及其引发的采场矿压规律迥然不同，采场围岩稳定性控制影响差距显著。但通过文献检索发现，关于该类地层条件下采场覆岩分类及其运动灾害控制，存在以下两方面的缺陷：

(1)当前，对于该类地层(深埋、厚松散层、基岩厚度显著变化)条件下采场覆岩类型的评价标准，尚无任何研究。现有的采场覆岩分类评价体系，主要针对浅埋地层条件(埋深≤200m)、仅以采场三带为指标进行分类，且评价方法中未考虑覆岩运动所形成的应力拱形成及保持稳定的力学条件。

(2)众所周知，当基岩达到一定厚度时，岩层会在下沉过程中形成拱结构，对下部采场具有保护作用；当基岩厚度较小时则无法形成此类拱保护结构，致使在工作面出现端面冒顶、片帮等事故。为减少基岩较薄无法成拱条件下发生的灾害事故，当前措施主要为端面煤岩加固、注浆的措施，但这类措施都是在基岩覆盖下的工作面采场内进行的，属于被动的控制措施。事实上，采场上覆岩层结构及其运动才是造成采场事故的根本动力。目前，尚未有从覆岩结构改造角度出发的、主动的控制措施。

发明内容

针对煤层上部岩层无法形成关键层的地层条件，本专利提出一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法。首先，基于应力拱形成原理，确定基岩中能够形成稳定应力拱的临界厚度，进而建立深埋采场覆岩类型评价标准；然后，基于建立的评价标准，针对超薄基岩和薄基岩地层条件，提出基岩加厚改造设计方案，包括加厚改造设计区域的长度、厚度等；最后，提出薄基岩加厚改造设计方法，包括钻孔布置方案及参数、注浆材料、注浆压力、注浆时间、工序、劳动组织等。

一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，包括以下步骤：

第一步 深埋采场覆岩类型评价标准

步骤1.1)确定基岩应力拱保持稳定的临界拱厚

当基岩内可形成稳定应力拱时，应力拱的临界拱厚表达式为：

式中，D_arch为应力拱拱厚；H_arch为应力拱高度；l_arch为应力拱跨度；q(x)为基岩上覆岩层均布载荷；θ为任意截面同岩拱法向截面之间夹角；R为拱脚所受垂直应力；T为拱脚所受水平应力；其中R、T的表达式为：

其中，应力拱高度H_arch取煤层到关键层的高度；应力拱跨度l_arch取周期来压步距；基岩上覆岩层均布载荷q(x)取(1.2～2.0)x，x取(0.5～0.7)倍周期来压步距；θ按经验值取5～10°；

步骤1.2)确定能够形成应力拱的临界基岩厚度

基岩内能够形成稳定应力拱的最小厚度称为临界基岩厚度，其表达式如下：

∑H_min＝D_arch+∑H_c+∑H_L (4)

式中，∑H_min为能够形成应力拱的临界基岩厚度；D_arch为临界拱厚；∑H_c为垮落带高度；∑H_L为裂隙带高度；其中∑H_c与∑H_L根据调研中覆岩岩性强度，选取表1中经验公式计算采场垮落带与裂隙带高度。

表1垮落带、裂隙带高度确定公式

步骤1.3)深埋采场覆岩类型评价标准

采用覆岩垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑H_f、应力拱厚D_arch与基岩厚度∑h的相对关系将采场进行分类，分为超薄基岩、薄基岩和正常基岩；根据超薄基岩、薄基岩与正常基岩赋存条件下采场矿压显现程度，需要对超薄基岩与薄基岩地层进行加厚改造；

第二步 超薄基岩与薄基岩区域加厚改造设计方案

步骤2.1)确定超薄基岩与薄基岩加厚改造区域与设计尺寸；

步骤2.1.1)在地表利用多个钻孔进行地质勘探，得到不同区域岩层柱状图；

步骤2.1.2)根据基岩厚度变化，确定基岩厚度小于∑H_min的区域为加厚改造设计区域。

步骤2.1.3)确定加厚改造区域设计走向长度w与倾向的长度l，w为薄基岩区域沿煤层走向的延展长度，l为工作面倾向长度。

步骤2.1.4)确定加厚改造设计区域厚度D为：

D＝∑H_min-∑H (6)

式中，D为加厚设计改造区域厚度；∑H_min为能够形成应力拱的临界基岩厚度；∑H为实际基岩厚度；

步骤2.2)超薄基岩与薄基岩区域加厚改造施工方案

步骤2.2.1)沿煤层走向开掘注浆巷道

在距基岩高度为1.5D处，加厚设计改造区域倾向长度l/2处，沿煤层走向开掘注浆巷道，巷道断面尺寸为高3m×宽4m；

步骤2.2.2)布置注浆管道

采用多水平倾斜顶部顺式注浆方案，实施过程中，采用液压钻机自注浆巷道底板向下钻出倾斜钻孔，倾斜钻孔与水平面夹角

为20°～40°，垂直高度为1.5D，沿工作面走向的相邻钻孔间距为50～80m，倾斜钻孔直径为56～80mm；第一个注浆孔位于加厚改造设计区域起始位置的正上方，在加厚改造设计区域内，倾斜钻孔自下而上划分为多个水平面，相邻水平垂直间距为d，4m≤d≤6m；

在单一水平面内，以倾斜钻孔与该水平面相交处为中心点，周围布置发散垂直的四个水平钻孔，其中两个钻孔沿工作面倾向布置，两个钻孔沿工作面走向布置；根据工作面尺寸确定水平钻孔长度为l/4，钻孔直径为56～80mm。

步骤2.2.3)注浆材料与注浆量确定

根据松散层裂隙率选择不同的注浆材料和配比，注浆材料的选择如下表所示：

表2注浆材料选择表

根据步骤2.1)确定的加厚改造设计区域尺寸，考虑到岩层裂隙程度与浆液充填率，注浆量Q计算公式为：

式中，λ为注浆损失系数；V为注浆体积；η为裂隙率；ε为浆液充填率；m为浆液结石率；其中注浆体积V表达式为：

V＝lwD (8)

式中，l为加厚改造设计区域倾向长度；w为加厚改造设计区域走向长度；D为薄基岩加厚改造设计区域厚度；

注浆时间T的计算公式为：

式中，T为注浆时间；Q为注浆总量；c为每小时注浆量；n为注浆水平个数；

第三步 超薄基岩与薄基岩区域加厚改造注浆方法

采用高压泵向第一水平面内的水平钻孔注浆，注浆时间T由公式(9)确定；第一水平面内水平注浆完毕后，静置5～7小时；继续延伸倾斜注浆孔至第二水平面，并按照第一水平面内的水平注浆程序完成注浆作业，按照上述步骤完成整个工作面所有钻孔注浆作业。

有益效果：(1)本发明基于应力拱形成力学原理，提出了基岩内应力拱保持稳定的临界拱厚表达式，确定了基岩可形成稳定应力拱的临界基岩厚度表达式，形成了深埋采场覆岩类型评价标准，弥补了深埋、厚松散层、基岩厚度显著变化地层条件覆岩结构类型评价标准方面的空白。

(2)基于建立的临界基岩厚度表达式及深埋采场覆岩类型评价标准，本发明实现了工程实践中薄基岩改造设计区域尺寸:走向长度、倾向长度、厚度的定量化、精确化计算，提高了基岩改造方案实施的可行性。

(3)从覆岩结构改造的角度出发，提出了多水平倾斜顶部顺式注浆方案和施工方法，并对钻孔布置、注浆材料等参数进行了设计，该方案设计合理、操作性强，可实现采场灾害事故的主动控制，避免了以往被动的采场内控制措施引发的灾害事故。

(4)提出了集基岩应力拱临界厚度计算、覆岩判别标准、覆岩改造方案、现场施工工艺于一体的深埋采场覆岩结构类型评价与改造体系，从理论设计到现场应用，层层深入、前后衔接、结构合理，思路清晰，研究方案切实可行。

(5)该注浆改造技术可有效避免超薄基岩和薄基岩地层条件下采场端面煤岩冒顶、片帮事故，提高采场围岩稳定性，减少事故处理费用，保证煤炭正常开采。

附图说明

图1为压力拱结构示意图。

图2a为薄基岩加厚区域位置主视图。

图2b为图3a的A-A剖视图。

图2c为图3a的B-B剖视图。

图3a为实施例1某矿3301工作面倾向地质剖面图。

图3b为实施例1某矿3301工作面ABCD区域钻孔柱状图。

图4a为实施例1多水平倾斜顶部顺式注浆方案立体图。

图4b为实施例1单个注浆管路立体图。

图4c为实施例1单个注浆管路正视平面图。

图4d为实施例1单个注浆管路俯视平面图。

图中，1-煤层；2-薄基岩加厚区域；3-薄基岩；4-厚松散层；5-工作面开切眼；6-注浆巷道；l-加厚改造区域设计长度；w-加厚改造区域设计宽度；∑H_min-形成应力拱基岩临界厚度；∑H-薄基岩厚度；D-加厚改造区域设计厚度；

-倾斜钻孔与水平面夹角。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

现场调研东部煤矿3301工作面主采3#煤层，煤层覆岩属于软弱岩层，平均厚度6m，周期来压步距为37m，即应力拱跨度l_arch＝37m；岩拱高度H_arch＝8m；q(x)取1.5x，x取25m；θ按经验值取5～10°；岩拱垂直截面与法向截面夹角θ＝5°，注浆损失系数λ，取1.1；浆液充填率ε，取0.75；浆液结实率m，取0.85；每小时注浆量c，取1500m³/h，应力拱结构如图1所示。

第一步 深埋采场覆岩类型评价标准

步骤1.1)确定基岩应力拱保持稳定的临界拱厚

将上述参数代入公式(1)、(2)、(3)确定应力拱临界拱厚：

步骤1.2)确定能够形成应力拱的临界基岩厚度

3301工作面煤层覆岩属于软弱岩层，通过查询表1经验公式得到垮落带、裂隙带高度与形成应力拱的临界厚度：

∑H_min≥D_arch+∑Hc+∑H_L＝47.2m

步骤1.3)深埋采场覆岩类型评价标准

采用覆岩两带高度、应力拱临界拱厚与基岩厚度的相对关系，将3301工作面覆岩进行分类：

(1)当基岩厚度小于10.78m时，定义为超薄基岩；

(2)当基岩厚度大于10.78m，小47.2m时，定义为薄基岩；

(3)当基岩厚度大于47.2m时，定义为正常基岩。

第二步 薄基岩区域加厚改造设计方法

步骤2.1)确定加厚改造区域与设计尺寸

步骤2.1.1)地质勘察得到的3301工作面自开切眼至停采线的倾向地质剖面图，如图3a所示；以及ABCD区域钻孔柱状图，如图3b所示。

步骤2.1.2)根据岩层柱状图所示基岩厚度变化，其中ABCD区域的基岩平均厚度为35m，小于∑H_min＝47.2m，大于∑H_c＝10.78m，根据深埋采场覆岩类型评价标准，属于薄基岩区域，需要进行加厚改造设计，薄基岩加厚区域的结构图如图2a-2c所示。

步骤2.1.3)根据ABCD区域尺寸，确定加厚改造区域走向长度w＝150m，倾向长度l＝100m。

步骤2.1.4)确定加厚改造设计区域厚度

将数据代入公式(6)得到加厚改造区域设计厚度D：

D＝∑H_min-∑H＝47.2-35＝12.2m

步骤2.2)薄基岩区域加厚改造设计施工方案

步骤2.2.1)开掘注浆巷道

在距基岩高度为18.3m处，薄基岩加厚设计改造区域倾向长度50m处，沿煤层走向开掘注浆巷道，巷道断面尺寸为高3m×宽4m；

步骤2.2.2)布置注浆管道(如图4a、4、4c、4d所示)

采用多水平倾斜顶部顺式注浆方案，在注浆巷道向底板内增设倾斜钻孔，倾斜钻孔与水平面夹角为30°，垂直高度为18.3m，沿工作面走向的相邻钻孔走向间距为60m，倾斜钻孔直径为65mm；薄基岩加厚改造设计区域内，倾斜钻孔自下而上划分为2个水平面，相邻水平面垂直间距为5m。

在单一水平面内，在倾斜钻孔周围布置发散垂直的四个水平钻孔(A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄)，其中两个钻孔沿工作面倾向布置，两个钻孔沿工作面走向布置，根据工作面尺寸确定水平钻孔长度为25m，钻孔直径为65mm。

步骤2.2.3)注浆材料与注浆量确定

根为现场调研结果，3301工作面松散层裂隙率为60％，属于中裂隙率岩层，根据注浆材料表选择注浆材料为A、B组材料混合，其中A组成分硫酸盐水泥，B组成分石灰及石膏，其比例为1.3:1。

根据步骤2.1)计算得到薄基岩改造设计区域尺寸，将数据代入公式(7)、(8)、(9)得到：

V＝lwD＝150×100×12.2＝183000m³

第三步 薄基岩区域加厚改造注浆方法

薄基岩加厚改造设计工作在本区域煤层开采前完成，第一个注浆孔位于薄基岩加厚改造设计区域起始位置的正上方，实施过程中，采用液压钻机、自注浆巷道底板向上钻出倾斜注浆孔，至第一水平面A₁点后，以A₁点为中心点，在其四周水平周向均布钻孔A₁₁，A₁₂，A₁₃，A₁₄；采用高压泵向第一水平面水平钻孔内注浆，注浆时间为23.6小时。

第一水平面水平注浆完毕后，静置5～7小时；继续延伸倾斜注浆孔至第二水平位置，然后以第二水平面内A₂点为中心点，在其四周水平周向均布钻孔A₂₁，A₂₂，A₂₃，A₂₄，并按照第一水平面水平注浆程序，注浆时间为23.6小时，并静置5～7小时，按照上述步骤完成整个工作面所有钻孔注浆作业。

Claims (7)

1.一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步深埋采场覆岩类型评价标准

步骤1.1)确定基岩应力拱保持稳定的临界拱厚

当基岩内可形成稳定应力拱时，应力拱的临界拱厚表达式为：

式中，D_arch为应力拱拱厚；H_arch为应力拱高度；l_arch为应力拱跨度；q(x)为基岩上覆岩层均布载荷；θ为任意截面同岩拱法向截面之间夹角；R为拱脚所受垂直应力；T为拱脚所受水平应力；其中R、T的表达式为：

其中，应力拱高度H_arch取煤层到关键层的高度；应力拱跨度l_arch取周期来压步距；基岩上覆岩层均布载荷q(x)取(1.2～2.0)x，x取(0.5～0.7)倍周期来压步距；θ按经验值取5～10°；

步骤1.2)确定能够形成应力拱的临界基岩厚度

基岩内能够形成稳定应力拱的最小厚度称为临界基岩厚度，其表达式如下：

ΣH_min＝D_arch+ΣH_c+ΣH_L (4)

式中，∑H_min为能够形成应力拱的临界基岩厚度；D_arch为临界拱厚；∑H_c为垮落带高度；∑H_L为裂隙带高度；其中∑H_c与∑H_L根据调研中覆岩岩性强度，选取经验公式计算采场垮落带与裂隙带高度；

步骤1.3)深埋采场覆岩类型评价标准

采用覆岩垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑H_f、应力拱厚D_arch与基岩厚度∑h的相对关系将采场进行分类，分为超薄基岩、薄基岩和正常基岩；根据超薄基岩、薄基岩与正常基岩赋存条件下采场矿压显现程度，需要对超薄基岩与薄基岩地层进行加厚改造；

第二步超薄基岩与薄基岩区域加厚改造设计方案

步骤2.1)确定超薄基岩与薄基岩加厚改造区域与设计尺寸；

步骤2.1.1)在地表利用多个钻孔进行地质勘探，得到不同区域岩层柱状图；

步骤2.1.2)根据基岩厚度变化，确定基岩厚度小于∑H_min的区域为加厚改造设计区域；

步骤2.1.3)确定加厚改造区域设计走向长度w与倾向的长度l，w为薄基岩区域沿煤层走向的延展长度，l为工作面倾向长度；

步骤2.1.4)确定加厚改造设计区域厚度D为：

D＝ΣH_min-ΣH (6)

式中，D为加厚设计改造区域厚度；∑H_min为能够形成应力拱的临界基岩厚度；∑H为实际基岩厚度；

步骤2.2)超薄基岩与薄基岩区域加厚改造施工方案

步骤2.2.1)沿煤层走向开掘注浆巷道

步骤2.2.2)布置注浆管道

采用多水平倾斜顶部顺式注浆方案，实施过程中，采用液压钻机自注浆巷道底板向下钻出倾斜钻孔，第一个注浆孔位于加厚改造设计区域起始位置的正上方，在加厚改造设计区域内，倾斜钻孔自下而上划分为多个水平面；

在单一水平面内，以倾斜钻孔与该水平面相交处为中心点，周围布置发散垂直的四个水平钻孔，其中两个钻孔沿工作面倾向布置，两个钻孔沿工作面走向布置；

第三步超薄基岩与薄基岩区域加厚改造注浆方法

采用高压泵向第一水平面内的水平钻孔注浆；第一水平面内水平注浆完毕后，静置一段时间；继续延伸倾斜注浆孔至第二水平面，并按照第一水平面内的水平注浆程序完成注浆作业，按照上述步骤完成整个工作面所有钻孔注浆作业。

2.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，步骤1.2)中垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑H_f的计算公式为：

当覆岩岩性为坚硬岩层，单轴抗压强度为40-80MPa时

当覆岩岩性为中硬岩层，单轴抗压强度为20-40MPa时，

当覆岩岩性为软弱岩层，单轴抗压强度为10-20MPa时，

当覆岩岩性为极软弱岩层，单轴抗压强度小于10MPa时，

3.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，步骤1.3)中，深埋采场覆岩分类方法为：

(1)当基岩厚度∑h小于垮落带高度∑Hc时，定义为超薄基岩；

(2)当基岩厚度∑h大于垮落带高度∑Hc，并小于垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑H_f与应力拱厚D_arch之和时，定义为薄基岩；

(3)当基岩厚度∑h大于垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑H_f与应力拱厚D_arch之和时，定义为正常基岩。

4.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，步骤2.2.1)中，在距基岩高度为1.5D处，加厚设计改造区域倾向长度l/2处，沿煤层走向开掘注浆巷道，巷道断面尺寸为高3m×宽4m。

5.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，步骤2.2.2)倾斜钻孔与水平面夹角

为20°～40°，垂直高度为1.5D，沿工作面走向的相邻倾斜钻孔间距为50～80m，倾斜钻孔直径为56～80mm；相邻水平面垂直间距为d，4m≤d≤6m；根据工作面尺寸确定水平钻孔长度为l/4，钻孔直径为56～80mm。

6.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，步骤2.2.2)中注浆材料的选择和配比由裂隙率类型和孔隙率决定：

在高裂隙率，孔隙率为75％-100％的情况下，注浆材料为普通水泥浆单浆液；

在中裂隙率，孔隙率为50％-75％的情况下，注浆材料由A、B组材料混合，其中A组成分硫酸盐水泥，B组成分石灰及石膏，其比例为1.3:1；

在低裂隙率，孔隙率为30％-50％的情况下，注浆材料为水泥-水玻璃双浆液；

在极低裂隙率，孔隙率小于30％的情况下，注浆材料选用水玻璃-氯化钙浆液。

7.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法，其特征在于，在第三步中，水平注浆后分别静置5～7小时。

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