CN115203852B - 一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，属于矿井充填技术领域。首先开展矿井注浆区域岩层钻孔取样，并测定其物理力学参数，然后基于上述参数应用离散元模拟软件建立嗣后空间空隙演化模型，研究嗣后空间发育衰减规律，计算出注浆时机T1，再分析试验区域相邻工作面地表变形实测数据，研究其关键层破断规律，基于此确定嗣后空间注浆时机T2；综合考虑上述两个注浆时机，确定该煤矿最佳的嗣后空间注浆时机。该方法为煤矿开采嗣后空间注浆充填时机研究提供参考，确保注浆效果良好，进一步丰富了注浆充填理论，使得嗣后空间矸石注浆充填技术实践应用性以及可推广性更强。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，属于矿井充填技术领域。
背景技术
近年来，国家对于绿色开采、能源环保等方面提出了新的要求，大力促进煤矸石等大宗固废物实现规模化处置，嗣后空间矸石注浆充填技术成为矸石井下规模化处置的关键途径。嗣后空间矸石注浆充填是指将破碎至一定粒径级配的煤矸石加水制成矸石料浆，通过充填泵与充填管路等设备，输送至煤矿开采嗣后空间进行处理的技术。
注浆时机的准确选择是嗣后空间矸石注浆充填技术成功实施的关键。精准的注浆时机可以使矸石处理量最大化、及时填充嗣后空间空隙，控制关键层破坏，保护地表生态；注浆时机过早或过晚则矸石处理量较小，关键层及地表控制效果差。嗣后空间注浆时机与嗣后空间的空隙演化息息相关，随着采煤工作面的不断推进，采空区范围不断扩大，嗣后空间的产生、发展、闭合具有显著的时空效应，为了保证注浆效果最好，亟需精准确定煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，能够确定合适的注浆时机，使得嗣后空间注浆充填效果最佳，保证在规模化处理矸石的前提下更好地控制关键层破断与地表沉陷。
为了实现上述目标，本发明提出煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，利用计算机建立嗣后空间空隙演化模型，模拟嗣后空间发育衰减规律，确定注浆时机T1；再分析试验区域相邻工作面地表变形实测数据，研究其关键层破断规律，基于此确定嗣后空间注浆时机T2；综合考虑上述两个注浆时机，确定出该煤矿最佳的嗣后空间注浆时机T，防止注浆作业对采空区造成二次影响；
具体步骤如下：
步骤1)基于实验室单轴压缩、拉伸、剪切试验测试矸石注浆区域煤岩物理力学特性，得到矸石注浆区域煤岩的物理力学参数；
步骤2)根据试验测得的煤岩物理力学参数，结合工作面开采高度、工作面尺寸、岩性结构、煤层埋藏深度信息，利用离散元数值模拟软件构建基于离散元的嗣后空间空隙时空演化模型，通过模拟节理岩石或离散块体岩石在准静载或动载条件下的力学行为，模拟出煤层开采完成后顶板垮落出现空隙的力学行为，随着开采长度的增加获得整个嗣后空间空隙的分布及演化规律；
步骤3)识别嗣后空间空隙的分布及空隙率的演化规律数据，根据不同的参数：开采高度、工作面尺寸、工作面区域、模拟步数获得对应的嗣后空间空隙率数据，然后将嗣后空间空隙率数据转化成对应嗣后空间空隙率演化曲线，根据嗣后空间空隙率演化曲线判断该嗣后空间的空隙衰减规律，从而确定该参数下的嗣后空间的注浆时机范围T1；
步骤4)结合实际矿井的实测数据，分析矿井试验区域临近工作面地表变形特征，分析煤层采动关键层破断时间，即发现地表大幅度下沉则表示关键层破断，基于关键层破断规律，确定嗣后空间注浆时机范围T2；
步骤5)综合考虑通过计算机模拟的嗣后空间空隙时空演化模型最终确定的注浆时机范围T1与矿井实测数据确定出来的嗣后空间注浆时机范围T2，确定最终的注浆时机T；
步骤6)对试验区域工作面实际注浆过程中，实时监测注浆压力、注浆流量、地表变形数据，判断该注浆时机T是否正确，并基于反馈予以修正。
进一步，所述步骤1)中，煤岩物理力学参数包括密度ρ、体积模量K、剪切模量G、抗拉强度Rm、内聚力c、内摩擦角
进一步，所述步骤2)中，嗣后空间空隙率的分析步骤为：
步骤21)首先在嗣后空间空隙时空演化模型的演化结果图像中截取目标区域图像；
步骤22)将目标区域图像导入图像分析处理软件，调整比例尺，并框选所要计算的总体区域，软件自动识别或人工选择空隙面积，自动计算空隙率并输出结果；
步骤23)基于上步骤所得一系列空隙率数据，利用Origin软件作图可得嗣后空间空隙率的时空演化规律，即嗣后空间发育衰减规律。
进一步，所述步骤3)中，基于空隙率分布时空演化规律确定注浆时机范围T1的原则为空隙率越大，越适合嗣后空间矸石注浆。
进一步，所述步骤4)中，基于关键层破断规律确定注浆时机范围T2的原则为关键层未破断、地表下沉值小且稳定时适合嗣后空间矸石注浆。
进一步，所述步骤5)中，最终确定的注浆时机T为范围T1与范围T2的交汇区域，若无交汇区域，最终注浆时机T的选择以T1为准。
进一步，所述步骤6)中，监测注浆相关数据，若注浆量远小于注浆设计值，则重新对嗣后空间打钻取样，测试取样的空隙率，对照步骤3)所得嗣后空间空隙时空演化曲线，重新调整嗣后空间注浆时机范围T1，以便确定该注浆区域的最佳注浆时机T；根据地表布置的测点或多测点组成的测线监测地表变形量，若地表变形量出现大幅度增大则表明关键层开始破断，注浆时机不合理，需加大注浆量压实采空区、防止关键层继续破断。
有益效果：本方法应用在嗣后空间矸石注浆充填条件下，根据上述步骤能够快速准确的确定注浆充填的时机，以保证注浆时不会对采空区造成二次影响，在规模化处理矸石的前提下更好地防止关键层破断、破坏矿区生态，为矸石嗣后空间注浆充填设计提供了理论支撑，为注浆充填时机的确定提供了参考，使得注浆充填效果得到保证。该方法逻辑清晰，可复制性强，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法的实施框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法的实施例作进一步的描述：
1)某煤矿核定生产能力8.0Mt/a，年产矸石60万t/a，且逐年增加。3-1煤层倾角1～3°，平均厚度5.7m，埋藏深度为655～670m，待充填区域为3-1801工作面上方嗣后空间内，工作面长246m，于2019年1月开始回采，2019年9月回采结束，推进长度约2775m。
2)通过对该煤矿注浆区域3-1801工作面上覆岩层打钻取芯得到试验材料，再测试试件密度ρ、抗拉强度Rm，再根据单轴压缩试验、抗剪试验结果计算可得煤岩层物理力学参数，包括体积模量K、剪切模量G、内聚力c、内摩擦角
3)以上述参数为基础，建立离散元嗣后空间空隙时空演化模型，模型尺寸为2900m×500m(宽×高)，煤层厚度为5.7m，工作面两侧留设50m的保护煤柱，模型上边界添加等效载荷，左右边界施加围压。岩体本构方程采用弹塑性本构模型，岩体屈服准则为摩尔-库伦屈服准则，煤岩块体选为应变软化模型；模型中岩层层理、虚拟节理等节理选择为面接触-库伦滑移节理模型，煤层的开采垂直节理设置为虚拟节理。
4)该数值模拟计算嗣后空间空隙率演化规律，取不同位置、不同推进距离的截面，导入图像分析软件，调整比例尺、框选计算区域，可得空隙率为27.7％～88.9％，推进距离越长，空隙率越大，即开采时间越长，空隙率越大。经Origin软件处理可得空隙率时空演化规律：采空区中部空隙小于两侧空隙，越靠近工作面处的空隙率越大，后方空隙率逐渐减小至稳定。由此可得，注浆时机T1应为工作面开采完毕后。
5)通过监测相邻工作面地表下沉数据来反映关键层的破断规律，得到相邻工作面地表随时间变化沉陷规律：两年内地表下沉值稳定在200mm左右，2～2.5年下沉值急剧增大至900mm左右。由此判断：在工作面开采完毕两年以内关键层未破断，嗣后空间内部应力趋于平稳。因此选择工作面开采完毕两年内是最佳的注浆时机T2。
6)基于嗣后空间空隙衰减规律确定的注浆时机范围T1为工作面开采完毕后，基于关键层破断规律确定的注浆时机范围T2为工作面开采完毕两年内，交汇区域为工作面开采完毕两年内，则该煤矿最佳的嗣后空间矸石注浆时机T为工作面开采完毕两年内。
监测注浆相关数据，若注浆量远小于注浆设计值，则重新对嗣后空间打钻取样，测试取样的空隙率，对照步骤3)所得嗣后空间空隙时空演化曲线，重新调整嗣后空间注浆时机范围T1，以便确定该注浆区域的最佳注浆时机T；根据地表布置的测点或多测点组成的测线监测地表变形量，若地表变形量出现大幅度增大则表明关键层开始破断，注浆时机不合理，需加大注浆量压实采空区、防止关键层继续破断。
7)结合上述步骤，确定最佳注浆时机为工作面开采完毕两年内。在工作面开始注浆之后对注浆压力、注浆流量以及地表下沉值监测可得：注浆压力基本正常，偶尔出现高应力后加大泵压即可解决；注浆能力稳定在120t/h，满足该煤矿年产60万t矸石的问题；地表下沉极值基本未增大，稳定在200mm左右。由此确定，该嗣后空间矸石注浆时机选择在工作面开采完两年内注浆是合适的。
Claims (5)
1.一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，其特征在于：利用计算机建立嗣后空间空隙演化模型，模拟嗣后空间发育衰减规律，确定注浆时机T 1；再分析试验区域相邻工作面地表变形实测数据，研究其关键层破断规律，基于此确定嗣后空间注浆时机T 2；综合考虑上述两个注浆时机，确定出该煤矿最佳的嗣后空间注浆时机T，防止注浆作业对采空区造成二次影响；
具体步骤如下：
1）基于实验室单轴压缩、拉伸、剪切试验测试矸石注浆区域煤岩物理力学特性，得到矸石注浆区域煤岩的物理力学参数；
2）根据试验测得的煤岩物理力学参数，结合工作面开采高度、工作面尺寸、岩性结构、煤层埋藏深度信息，利用离散元数值模拟软件构建基于离散元的嗣后空间空隙时空演化模型，通过模拟节理岩石或离散块体岩石在准静载或动载条件下的力学行为，模拟出煤层开采完成后顶板垮落出现空隙的力学行为，随着开采长度的增加获得整个嗣后空间空隙的分布及演化规律；
3）识别嗣后空间空隙的分布及空隙率的演化规律数据，根据不同的参数：开采高度、工作面尺寸、工作面区域、模拟步数获得对应的嗣后空间空隙率数据，然后将嗣后空间空隙率数据转化成对应嗣后空间空隙率演化曲线，根据嗣后空间空隙率演化曲线判断该嗣后空间的空隙衰减规律，从而确定该参数下的嗣后空间的注浆时机范围T 1；基于空隙率分布时空演化规律确定注浆时机范围T 1的原则为空隙率越大，越适合嗣后空间矸石注浆；
4）结合实际矿井的实测数据，分析矿井试验区域临近工作面地表变形特征，分析煤层采动关键层破断时间，即发现地表大幅度下沉则表示关键层破断，基于关键层破断规律，确定嗣后空间注浆时机范围T 2；基于关键层破断规律确定注浆时机范围T 2的原则为关键层未破断、地表下沉值小且稳定时适合嗣后空间矸石注浆；
5）综合考虑通过计算机模拟的嗣后空间空隙时空演化模型最终确定的注浆时机范围T 1与矿井实测数据确定出来的嗣后空间注浆时机范围T 2，确定最终的注浆时机T；
6）对试验区域工作面实际注浆过程中，实时监测注浆压力、注浆流量、地表变形数据，判断该注浆时机T是否正确，并基于反馈予以修正。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，其特征在于，所述步骤1）中，煤岩物理力学参数包括密度ρ、体积模量K、剪切模量G、抗拉强度R m 、内聚力c、内摩擦角φ。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，其特征在于，所述步骤2）中，嗣后空间空隙率的分析步骤为：
21）首先在嗣后空间空隙时空演化模型的演化结果图像中截取目标区域图像；
22）将目标区域图像导入图像分析处理软件，调整比例尺，并框选所要计算的总体区域，软件自动识别或人工选择空隙面积，自动计算空隙率并输出结果；
23）基于上步骤所得一系列空隙率数据，利用Origin软件作图可得嗣后空间空隙率的时空演化规律，即嗣后空间发育衰减规律。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，其特征在于，所述步骤5）中，最终确定的注浆时机T为范围T 1与范围T 2的交汇区域，若无交汇区域，最终注浆时机T的选择以T 1为准。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿开采嗣后空间矸石注浆时机确定方法，其特征在于，所述步骤6）中，监测注浆相关数据，若注浆量远小于注浆设计值，则重新对嗣后空间打钻取样，测试取样的空隙率，对照步骤3）所得嗣后空间空隙时空演化曲线，重新调整嗣后空间注浆时机范围T 1，以便确定该注浆区域的最佳注浆时机T；根据地表布置的测点或多测点组成的测线监测地表变形量，若地表变形量出现大幅度增大则表明关键层开始破断，注浆时机不合理，需加大注浆量压实采空区、防止关键层继续破断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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