CN116044399A - 一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，通过在松散层中引入流体力学特斯拉单向阀原理，重构松散层骨架结构，将松散层失稳滑移区分为若干部分进行重构固定，使其无法整体失稳，从发生机理上在大跨度连续采空区避免了高静载边坡失稳型矿震的发生，延长了其垮落失稳的时间。重构长壁骨架起阻挡作用，重构短壁骨架起应力转移引导作用，从而利用松散层自身的流体性质实现对其运移的抑制。而在松散层中注浆，是现有的注浆作业过程中难以解决的困难点，本方法通过定位定态高强度注浆加固工艺、参数计算方法及相关操作流程，综合压密注浆和劈裂注浆两种注浆方法的优势，也解决了岩层骨架重构过程中松散层内定位定态注浆困难的问题。

Description

一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法。

背景技术

第四系巨厚松散层下的煤层赋存具有如下特点：①巨厚松散层直接覆盖在煤层上方的薄基岩上；②巨厚松散层以非胶结沙土、沙砾为骨料，自身无承载能力。

对第四系巨厚松散层下的煤层进行开采作业时，煤层上方的薄基岩容易破断，巨厚松散层发生运移并作为上覆载荷作用在薄基岩上。此种情况不但会造成明显的地表沉降，而且极易导致采动工作面发生溃水溃砂事故以及诱发高静载边坡失稳型矿震。其中，地表沉降会给地面建筑物造成不利影响，溃水溃砂事故和高静载边坡失稳型矿震会诱发冲击地压，严重威胁采动工作面上作业人员的生命安全，影响矿区的正常生产。

目前，对第四系巨厚松散层下的煤层进行采动作业，主要存在以下难点：

(1)现有的研究方向和解决办法，集中在对煤层上方的薄基岩进行加固和再造，通过提高薄基岩的稳固性来控制其上方的巨厚松散层运移载荷。该方案实施难度大、花费高、成效小，同时，对作业区域的工程地质条件要求苛刻，普适性较差。

(2)巨厚松散层运移线、影响角和地表沉陷盆地外缘连线共同构成巨厚松散层失稳滑移区。对于大跨度连续采空区，巨厚松散层失稳滑移区的瞬时失稳垮落是诱发高静载边坡失稳型矿震的主要动力来源，但目前仅能够对此类型灾害进行预测和预报，无法针对致灾机理进行控灾。

(3)在巨厚松散层中进行定态注浆再造高强度结构的作业过程中，注浆加固工艺实施的时机难以把握。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，包括以下步骤：

S1.采动工作面区域由地表竖直向下依次为地表、松散层、薄基岩层和煤层，获取所述采动工作面区域的地质参数，所述地质参数包括煤层埋深H_M、煤层厚度M、松散层厚度H、松散层内聚力C、松散层内摩擦角φ、采动工作面超前影响角α、采动工作面超前影响距S和采动工作面地表启动距B；

S2.确定岩层骨架重构区域，并在该区域内设置重构骨架，所述重构骨架包括重构长壁骨架和重构短壁骨架；具体为，垂直于采动边界线设置多个所述重构长壁骨架；在每两个相邻的所述重构长壁骨架之间，垂直于滑移边界线的切线设置一个所述重构短壁骨架；

S3.选择重构骨架注浆作业时机，对所述岩层骨架重构区域进行注浆作业，所述注浆作业的步骤为，

a.在采动工作面上方钻出物料运输井；

b.将所述重构骨架分为上、中、下三个界面，其中上界面和下界面为压密注浆区域，中界面为劈裂注浆区域；

c.在所述压密注浆区域布设压密注浆主管道，在所述劈裂注浆区域布设劈裂注浆主管道，所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道均与所述物料运输井连接；

d.通过所述物料运输井向所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道输送浆液，至注浆作业完成。

进一步的，步骤S2中，所述重构长壁骨架的中线与所述采动边界线垂直，所述重构短壁骨架的中线与所述滑移边界线的切线垂直；自所述地表处向下，所述重构长壁骨架的长度顺序减小，顺序减小的公式为

所述重构短壁骨架的长度通过其相邻的两个重构长壁骨架的长度计算，计算公式为

每两个相邻的所述重构骨架的中线间距D的计算公式为

进一步的，所述重构长壁骨架设有一定厚度，其高度范围为80～100m；紧邻地表的第一个所述重构长壁骨架的长度范围为120～150m。

进一步的，所述重构短壁骨架的上界面比下界面在高度上短一定距离L_M，所述上界面和下界面的边界线距离为L_N，该区域松散层的内摩擦角为

进一步的，步骤S2中，所述岩层骨架重构区域的确定方法为：竖直方向上，自所述地表向下至1/3所述松散层厚度H处，设为再造结构分界线，所述再造结构分界线至所述地表之间的区域为所述岩层骨架重构区域。

进一步的，步骤S3中，所述重构骨架注浆作业时机的选择方法如下：

a.测量煤矿采空区的长和宽，当长和宽的数值均≧所述煤层埋深H_M的1.2～1.4倍时，定义地表沉降的下沉系数为1；在竖直方向上，沿煤层倾向将所述采动工作面分为Ⅰ部分和Ⅱ部分，其中，所述Ⅰ部分为煤矿采动区第一个采动工作面，所述Ⅱ部分为煤矿采动区第n个采动工作面；

b.对于Ⅰ部分，所述重构骨架注浆作业时机为所述第一个采动工作面开采前；

c.对于Ⅱ部分，所述重构骨架注浆作业时机为回采工作面回采倾向长度值为为最优煤层倾向长度L_q时，所述最优煤层倾向长度L_q位置位于所述第n个采动工作面中，当第(n-1)个采动工作面启动采动作业时，对所述第n个采动工作面实施所述重构骨架注浆作业。

进一步的，所述最优煤层倾向长度L_q的计算公式为

L_q＝min{L_q1,L_q2}，

式中，

所述煤层倾向长度L_q1的计算公式为

L_q1＝BlgH-60，

所述煤层倾向长度L_q2的计算公式为

进一步的，所述采动工作面的数量n的计算公式为

进一步的，步骤S3中，所述重构骨架注浆作业时机的选择方法如下：

在煤层倾向上确定注浆位置后，沿煤层走向间隔最优重构间距L_Z进行布设，所述最优重构间距L_Z的计算公式如下

若所述最优重构间距L_Z大于所述煤层走向的长度时，在距离采动工作面地表50m处的松散层进行重构骨架注浆作业。

进一步的，步骤S3中，所述压密注浆区域设置多个连续的密铺单元，所述压密注浆主管道设有多个压密注浆副管道，所述压密注浆副管道穿过所述密铺单元的形心，并在所述密铺单元的形心处开设注浆孔。

进一步的，所述密铺单元为正六边形，所述压密注浆副管道与所述压密注浆主管道呈60°夹角。

进一步的，所述密铺单元的边长为压密注浆半径R，所述压密注浆半径R的计算公式为

进一步的，所述压密注浆区域的浆液配比为硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝0.8：1：1；所述劈裂注浆区域的浆液配比为硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝1.5：1：2。

进一步的，所述压密注浆区域在所述重构骨架注浆作业完成后，须等待6～7小时后再对所述劈裂注浆区域进行所述重构骨架注浆作业。

进一步的，所述物料运输井的井深为至所述薄基岩层上方50m处。

进一步的，钻取所述物料运输井的钻头直径为0.3～0.5m，钻取所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道的钻头直径为0.1～0.2m，所述压密注浆副管道直径不超过所述压密注浆主管道直径。

本发明的技术效果：

1、本发明提供的方法，在巨厚松散层内部利用其自身的流体性质抑制运移活动，能够从松散层内部转移其向下运移产生的压力，抵消松散层散体结构的运动效果，从而抑制松散层大范围的运移，达到控制地表沉陷的目的。

2、本发明提供的方法能够降低松散层的应力积聚效果，增强松散层内部散体结构的流动，将松散层积聚的应力分隔及转移，从而从大跨度连续采空区高静载边坡失稳型矿震的发生机理上，控制了由松散层瞬间失稳滑移引发的采场力学灾害。

3、通过定位定态高强度注浆加固工艺、参数计算方法及相关操作流程，综合压密注浆和劈裂注浆两种注浆方法的优势，构筑“复合式”岩层骨架，解决巨厚松散层内定位定态注浆困难的问题。

4、本发明提供的方法解决了现有技术中注浆管道进入地层后一次注浆完成后覆盖不全面，从而留有安全隐患这一技术问题。注浆重叠区域还可以降低由于松散层不均质带来的影响，同时省去了为消除安全隐患而采取的二次补救错位注浆，具有浆液扩散重复面积小、效果好、操作技术难度低的技术优点，同时能够降低生产成本，缩短施工周期。

5、本发明提供的方法可以根据工程实际的地质情况，灵活的确定岩层骨架的结构参数、重构时机与重构位置、以及竖直方向上的骨架结构密度分配，降低施工难度，提高经济效益。

附图说明

图1是采动工作面分布示意图；

图2是本发明所述方法整体结构示意图；

图3是重构骨架结构示意图；

图4是压密注浆区域密铺示意图；

图5是密铺单元细节示意图；

图6是煤层倾向注浆时机示意图；

图7是实施例方案俯视图。

符号说明：

1-再造结构分界线，2-岩层骨架重构区域，3-重构长壁骨架，4-重构短壁骨架，5-采动边界线，6-滑移边界线，7-物料运输井，8-压密注浆区域，9-劈裂注浆区域，10-压密注浆主管道，11-劈裂注浆主管道，12-压密注浆副管道，13-密铺单元，14-注浆孔。

具体实施方式

从与附图相关的以下详细说明和实施例，本发明的目的、特定优点及新特征将更加明确。

需要说明的是，在说明书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来指称同一个组件，本说明书并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。

下面结合附图，详细描述本发明的实施例。

如图1-图7所示，本发明描述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，包括以下步骤。

S1.如图1所示，沿煤层走向方向和煤层倾向方向，将煤矿开采作业区域划分为n个采动工作面，通过工程调研获取采动工作面所在区域的地质参数，该地质参数包括：

煤层埋深H_M，煤层埋深是指地表至煤层的总厚度；

煤层厚度M；

松散层厚度H；

松散层内聚力C；

松散层内摩擦角φ；

采动工作面超前影响角α；

采动工作面超前影响距S；

采动工作面地表启动距B。

S2.如图2所示，确定采动工作面的再造结构分界线1，方法为：竖直方向上，自地表向下至1/3松散层厚度H处，设为再造结构分界线1。再造结构分界线1至地表之间的区域为岩层骨架重构区域2。

S3.如图2所示，在岩层骨架重构区域2中设置重构骨架。重构骨架包括重构长壁骨架3和重构短壁骨架4。

具体为：

在再造结构分界线1至地表之间，沿采动边界线5设置多个重构长壁骨架3；

在每两个相邻的重构长壁骨架3之间，沿滑移边界线6设置一个重构短壁骨架4。

其中，

a.重构长壁骨架3的中线与采动边界线5垂直；重构长壁骨架3设有一定厚度，其高度范围为80～100m；自地表处向下，重构长壁骨架3的长度顺序减小，紧邻地表的第一个重构长壁骨架3的长度范围为120～150m，相邻重构长壁骨架3的长度满足如下要求

b.重构短壁骨架4的中线与滑移边界线6的切线垂直；重构短壁骨架4设有一定的厚度以及一定的高度；重构短壁骨架4的长度是相邻两个重构长壁骨架3长度之和平均数的2/3，即

c.在岩层骨架重构区域2中，每两个相邻的重构骨架的中线间距设为D，其计算公式为：

式中，k为重构骨架间距系数，取值范围在0.1～0.3之间，松散层的内聚力С越大，k的取值越大。

S4，测量煤矿采空区的长和宽，当长和宽的数值均≧煤层埋深H_M的1.2～1.4倍时，表明采动工作面已充分采动，此时，定义地表沉降的下沉系数为1。

如图3所示，于竖直方向上，沿煤层倾向将采动工作面分为Ⅰ部分和Ⅱ部分，分别确定Ⅰ部分和Ⅱ部分中岩层骨架重构区域2的重构骨架注浆作业时机。

具体为：

a.对于Ⅰ部分，

重构骨架注浆作业时机为第一个采动工作面开采前；

b.对于Ⅱ部分，

重构骨架注浆作业时机为：回采工作面回采倾向长度值为最优煤层倾向长度L_q时，最优煤层倾向长度L_q的位置位于第n个采动工作面中；当第(n-1)个采动工作面启动采动作业时，对第n个采动工作面的松散层实施重构骨架注浆作业。其中，最优煤层倾向长度L_q的计算公式为

L_q＝min{L_q1,L_q2}，

式中，

煤层倾向长度L_q1是指：在采动工作面开采时，地表沉降的下沉系数达到或即将达到0.4时的煤层倾向长度，计算公式为

L_q1＝BlgH-60，

式中，B为同等地质条件下的地表启动距，单位：m；H为松散层厚度；

煤层倾向长度L_q2是指：是在煤矿开采时，松散层失稳滑移区的积聚应力转化到采动工作面上方超过3Mpa时的煤层倾向长度，计算公式为

式中，S为同等地质条件下的采动工作面超前影响距，单位：m；α为采动工作面超前影响角；φ为松散层内摩擦角。

S5，如图3至图5所示，对采动工作面的岩层骨架重构区域2实施重构骨架注浆作业，具体步骤为：

S5-1，使用大孔径钻头，在采动工作面上方钻取物料运输井7，沿超前影响界，采用刚性分段套筒对物料运输井7进行加固；

S5-2，将重构骨架分为上、中、下三个界面，其中上界面和下界面为压密注浆区域8，中界面为劈裂注浆区域9；

S5-3，使用中等孔径定向钻头，在物料运输井7进至松散层目标位置附近后，通过弯井造斜在压密注浆区域8布设压密注浆主管道10，在劈裂注浆区域9布设劈裂注浆主管道11，压密注浆主管道10和劈裂注浆主管道11与物料运输井7的夹角均为90°；

压密注浆区域8设置多个连续的密铺单元13，密铺单元13为正六边形，其边长为压密注浆半径R；压密注浆主管道10设有多个压密注浆副管道12，压密注浆副管道12与压密注浆主管道10呈60°夹角；压密注浆主管道10和压密注浆副管道12均穿过密铺单元13的形心，形成发散注浆网络；压密注浆主管道10和压密注浆副管道12在各密铺单元13的形心位置处设置注浆孔14；

S5-4，通过原位实验，确定松散层不同深度的静水压力u、渗透系数μ、有效孔隙率n和压密注浆扩散时间t，分别计算压密注浆区域8的注浆压力p_y、压密注浆半径R，劈裂注浆区域9的注浆压力；

其中，

a.压密注浆区域8的注浆压力p_y为同水平松散层静水压力u所代表水柱高度的3倍；将同水平的松散层视为均质岩层，压密注浆半径R的计算公式为

式中，R为压密注浆半径，单位：m；μ为松散层渗透系数，单位：m/h；t为压密注浆扩散时间，单位：h；P为压密注浆区域8的注浆压力p_y，单位：m；r为注浆管道半径，一般取某一注浆工艺中最细的管径，单位：m；n为松散层有效孔隙率；γ为注浆损失率，取值范围在0.1～0.3；

b.劈裂注浆区域9的注浆压力P_劈，为同水平巨厚松散层静水压力u所代表水柱高度的4倍。

S5-5，物料运输井7将高密度高压浆液输送至压密注浆主管道10、压密注浆副管道12、劈裂注浆主管道11，完成重构骨架注浆作业。

上述步骤S5中，

作为优选的，重构短壁骨架4的上界面比下界面在高度上短一定距离L_M，上界面和下界面的边界线距离为L_N，该区域松散层的内摩擦角为

上述步骤S1和S4中，

如图1所示，采动工作面的数量n的计算公式为

式中，L_q为最优煤层倾向长度；b为采动工作面宽度，单位：m；a为间隔煤柱宽度，单位：m；

若最优煤层倾向长度L_q大于煤层倾向长度时，当倒数第二个采动工作面开始回采时，在最后一个采动工作面上方的岩层骨架重构区域2进行Ⅱ部分的重构骨架注浆作业；Ⅱ部分注浆重构结构在完成重构骨架注浆作业后，再以其为推进长度计算出发点，重复上述过程直至煤矿开采作业区域生产结束。

上述步骤S4中，

作为优选的，也可以在煤层走向上选择重构骨架注浆作业时机，方法为：

在煤层倾向上确定注浆位置后，沿煤层走向间隔最优重构间距L_Z进行布设，以达到控制成本最经济且控制效果最好的目的，最优重构间距L_Z的计算公式如下：

若最优重构间距L_Z大于煤层走向的长度时，在距离采动工作面地表50m处的松散层进行重构骨架注浆作业。

上述实施例中，

1.如图6所示，某组重构骨架上方有沉降运移倾向的松散层流体，其初始压力为P₀、运移速度为V₀，重构短壁骨架4将其引导并分解，进入失稳滑移区的一部压力为P₁，运移速度为V₁；

继续保持向下的一部压力为P₂，运移速度为V₂，另一侧的一部压力为P₃，运移速度为V₃；方向朝向松散层失稳滑移区的松散层压力转移重新聚集后，推动重构短壁骨架4下方的松散层流体以压力P₄，运移速度V₄，与保持向下的部分松散层进行相互抵消；

相互抵消后的松散层以压力P₅，运移速度V₅进入下一个结构。

循环上述过程，直至煤层上方基本保持松散层在预期下沉量要求下的相对稳定。

2.物料运输井7的井深为至薄基岩上方50m处。

3.大孔径钻头一般选择直径为0.3～0.5m的钻头，中等孔径定向钻头一般选择直径为0.2～0.3m的钻头，压密注浆主管道10和劈裂注浆主管道11一般选择0.1～0.2m的钻头、压密注浆副管道12直径不超过压密注浆主管道10。

4.压密注浆区域8的浆液配比一般选择硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝0.8：1：1；劈裂注浆区域9的浆液配比一般为硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝1.5：1：2。

5.压密注浆区域8在重构骨架注浆作业完成后，须等待6～7小时后再进行劈裂注浆区域9重构骨架注浆作业。

6.竖直方向上也可以选取距地表90m至1/3松散层厚度的某处为再造结构分界线1。

在重构骨架的劈裂注浆区域9，选用凝固后具有高强度的高压浆液进行劈裂注浆，从而形成浆液脉络，并将松散层分块挤压，使其成为密实的结构块，该结构块能够作为重构骨架劈裂注浆区域9的骨料。

在松散层中引入流体力学特斯拉单向阀原理，重构松散层的骨架结构。能够将松散层失稳滑移区分为若干部分，使其无法整体失稳，从而在大跨度连续采空区从发生机理上避免高静载边坡失稳型矿震的发生，进而将其诱发的灾害影响大大降低，同时延长其垮落失稳的时间。其中，重构长壁骨架3能够起阻挡作用，重构短壁骨架4能够起应力转移引导作用，从而利用松散层自身的流体性质实现对其运移的抑制。

重构骨架注浆作业过程中，应根据作业区域实际的地质情况，灵活确定岩层结构重构时机以及骨架结构密度。在开采过程中，还应保持对地面沉降量、松散层内部超前应力集中区域与工作面的距离等动态工程参数进行收集。

再造结构分界线1至煤层上覆薄基岩处，因此区域的松散层运移特性不明显、松散层压密程度过高以及注浆施工难度较大等客观因素，不再设置重构骨架。同时，无论是煤层走向还是煤层倾向上的注浆重构时机的选择，均应选择以控制应力积聚峰值和地表沉降程度为两个目标任务，通过分别求解其间隔长度，选取其中较小的结果作为煤层走向和煤层倾向上注浆重构的时机。

以下通过实际生产作业为例，进一步对本发明所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法进行详细描述。

某地某矿一采区属上覆巨厚松散层型地质条件。

经测量，该矿一采区的煤厚4.8m，埋深500m，松散层厚度440m，煤层上覆薄基岩厚度为60m；采动工作面倾向长度设计均为180m，留宽30m的保护煤柱，采动工作面走向长度为1400m；采区布置相邻采动工作面共四个，为01、02、03和04采动工作面，首采01采动工作面。

S1、工程调研获取的地质参数为

煤层埋深H_M＝500m；

煤层厚度M＝4.8m；

松散层厚度H＝440m；

松散层内聚力c＝0.05Mpa；

松散层内摩擦角

采动工作面超前影响角α＝72°；

采动工作面超前影响距S＝90m；

采动工作面地表启动距B＝240m。

S2、参考本实施例地质条件及煤层赋存情况竖直方向上选取距地表120m的松散层厚度处为再造结构分界线1。

S3、重构长壁骨架3的中线与采动边界线5垂直；重构长壁骨架3的高度选择为80m，第一组重构长壁骨架3的长度选择为120m，自地表处向下，相邻重构长壁骨架3的长度按照下述公式计算，

获得重构长壁骨架3长度数值表：

重构短壁骨架4的中线与滑移边界线6的切线垂直，其长度是相邻两个重构长壁骨架3长度之和平均数的2/3，按照下述公式计算，

获得重构短壁骨架4长度数值表：

每两个相邻的重构骨架的中线间距设为D按照下述公式计算，

本实施例k取值为0.12，

为再造结构分界线1上某深度处内摩擦角值，获得数据表：

S4、根据下述公式计算煤层倾向长度L_q1，

L_q1＝BlgH-60，

L_q1＝240×lg440-60＝574.43m

根据下述公式计算煤层倾向长度L_q2，

最优煤层倾向长度L_q通过计算公式

L_q＝min{L_q1,L_q2}，

L_q＝min{574.43,525.72}＝525.72m

采动工作面的数量n通过计算公式

得出

最优重构间距L_Z通过计算公式

得出

S5、选择直径为0.5m的大孔径钻头，直径为0.2m的中等孔径钻头，压密注浆主管道10和劈裂注浆主管道11直径为0.16m，压密注浆副管道12直径为0.12m，物料运输井7井深至薄基岩上方50m处。

通过原位实验，确定松散层不同深度的静水压力u、渗透系数μ、有效孔隙率n和压密注浆扩散时间t，分别计算压密注浆区域8的注浆压力P_y、压密注浆半径R，劈裂注浆区域9的注浆压力P_劈。

压密注浆区域8设置多个连续的密铺单元13，密铺单元13为正六边形，其边长为压密注浆半径R；压密注浆主管道10设有多个压密注浆副管道12，压密注浆副管道12与压密注浆主管道10呈60°夹角；压密注浆主管道10和压密注浆副管道12均穿过密铺单元13的形心，形成发散注浆网络；压密注浆主管道10和压密注浆副管道12在各密铺单元13的形心位置处设置注浆孔14。

压密注浆区域8的浆液配比选择硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝0.8：1：1；劈裂逐渐区域的浆液配比选择硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝-1.5：1：2。压密注浆浆液的比重γ_y根据工程实际确定为1.8；压密注浆浆液的比重γ_y根据工程实际确定为1.3。压密注浆区域8注浆完成后等待6～7小时后再进行劈裂注浆区域9注浆。

根据下述公式计算压密注浆半径R_y

式中R为注浆半径，单位：m；μ为重构水平松散层渗透系数，本实施例均取1×10^-4m/h；t为注浆扩散所需时间，单位：h；P为注浆压力，单位：m；r为注浆管道半径，一般取某一注浆工艺中最细的管径，单位：m，本实施例中选取0.06m；n为重构水平松散层有效孔隙率，本实施例均取70％；γ为浆液的损失率取0.1。

得出下述数值表

因本采区方案设计要求故在02采动工作面推采时，在03采动工作面的松散层相应位置进行重构骨架注浆作业。煤层倾向上的Ⅱ部分注浆重构结构在完成第一次后注浆施工后，考虑到仅剩04工作面待采因此不需要再重复进行Ⅱ区域注浆施工，最终注浆重构施工俯视图如图7所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (16)

1.一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.采动工作面区域由地表竖直向下依次为地表、松散层、薄基岩层和煤层，获取所述采动工作面区域的地质参数，所述地质参数包括煤层埋深H_M、煤层厚度M、松散层厚度H、松散层内聚力C、松散层内摩擦角φ、采动工作面超前影响角α、采动工作面超前影响距S和采动工作面地表启动距B；

S2.确定岩层骨架重构区域，并在该区域内设置重构骨架，所述重构骨架包括重构长壁骨架和重构短壁骨架；具体为，垂直于采动边界线设置多个所述重构长壁骨架；在每两个相邻的所述重构长壁骨架之间，垂直于滑移边界线的切线设置一个所述重构短壁骨架；

S3.选择重构骨架注浆作业时机，对所述岩层骨架重构区域进行注浆作业，所述注浆作业的步骤为，

a.在采动工作面上方钻出物料运输井；

b.将所述重构骨架分为上、中、下三个界面，其中上界面和下界面为压密注浆区域，中界面为劈裂注浆区域；

c.在所述压密注浆区域布设压密注浆主管道，在所述劈裂注浆区域布设劈裂注浆主管道，所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道均与所述物料运输井连接；

d.通过所述物料运输井向所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道输送浆液，至注浆作业完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，步骤S2中，所述重构长壁骨架的中线与所述采动边界线垂直，所述重构短壁骨架的中线与所述滑移边界线的切线垂直；

自所述地表处向下，所述重构长壁骨架的长度顺序减小，顺序减小的公式为

所述重构短壁骨架的长度通过其相邻的两个重构长壁骨架的长度计算，计算公式为

每两个相邻的所述重构骨架的中线间距D的计算公式为

3.根据权利要求2所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述重构长壁骨架设有一定厚度，其高度范围为80～100m；紧邻地表的第一个所述重构长壁骨架的长度范围为120～150m。

4.根据权利要求2所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述重构短壁骨架的上界面比下界面在高度上短一定距离L_M，所述上界面和下界面的边界线距离为L_N，该区域松散层的内摩擦角为

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，步骤S2中，所述岩层骨架重构区域的确定方法为：竖直方向上，自所述地表向下至1/3所述松散层厚度H处，设为再造结构分界线，所述再造结构分界线至所述地表之间的区域为所述岩层骨架重构区域。

6.根据权利要求1所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，步骤S3中，所述重构骨架注浆作业时机的选择方法如下：

a.测量煤矿采空区的长和宽，当长和宽的数值均≧所述煤层埋深H_M的1.2～1.4倍时，定义地表沉降的下沉系数为1；在竖直方向上，沿煤层倾向将所述采动工作面分为Ⅰ部分和Ⅱ部分，其中，所述Ⅰ部分为煤矿采动区第一个采动工作面，所述Ⅱ部分为煤矿采动区第n个采动工作面；

b.对于Ⅰ部分，所述重构骨架注浆作业时机为所述第一个采动工作面开采前；

c.对于Ⅱ部分，所述重构骨架注浆作业时机为回采工作面回采倾向长度值为最优煤层倾向长度L_q时，所述最优煤层倾向长度L_q位置位于所述第n个采动工作面中，当第(n-1)个采动工作面启动采动作业时，对所述第n个采动工作面实施所述重构骨架注浆作业。

7.根据权利要求6所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述最优煤层倾向长度L_q的计算公式为

L_q＝min{L_q1,L_q2}，

式中，

所述煤层倾向长度L_q1的计算公式为

L_q1＝BlgH-60，

所述煤层倾向长度L_q2的计算公式为

8.根据权利要求6所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述采动工作面的数量n的计算公式为

9.根据权利要求1所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，步骤S3中，所述重构骨架注浆作业时机的选择方法如下：

在煤层倾向上确定注浆位置后，沿煤层走向间隔最优重构间距L_Z进行布设，所述最优重构间距L_Z的计算公式如下

若所述最优重构间距L_Z大于所述煤层走向的长度时，在距离采动工作面地表50m处的松散层进行重构骨架注浆作业。

10.根据权利要求1所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，步骤S3中，所述压密注浆区域设置多个连续的密铺单元，所述压密注浆主管道设有多个压密注浆副管道，所述压密注浆副管道穿过所述密铺单元的形心，并在所述密铺单元的形心处开设注浆孔。

11.根据权利要求10所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述密铺单元为正六边形，所述压密注浆副管道与所述压密注浆主管道呈60°夹角。

12.根据权利要求11所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述密铺单元的边长为压密注浆半径R，所述压密注浆半径R的计算公式为

13.根据权利要求6至12任一项权利要求所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述压密注浆区域的浆液配比为硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝0.8：1：1；所述劈裂注浆区域的浆液配比为硫酸盐水泥：石灰石膏：水＝1.5：1：2。

14.根据权利要求13所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述压密注浆区域在所述重构骨架注浆作业完成后，须等待6～7小时后再对所述劈裂注浆区域进行所述重构骨架注浆作业。

15.根据权利要求13所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，所述物料运输井的井深为至所述薄基岩层上方50m处。

16.根据权利要求13所述的一种基于岩层骨架重构抑制松散层运移控灾方法，其特征在于，钻取所述物料运输井的钻头直径为0.3～0.5m，钻取所述压密注浆主管道和劈裂注浆主管道的钻头直径为0.1～0.2m，所述压密注浆副管道直径不超过所述压密注浆主管道直径。

Images