CN116122896A - 基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，包括：确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置，当煤矿采空区的勘察孔钻探到裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆；对勘察孔进行封孔且孔内浆液凝固后进行套孔取芯，围绕勘察孔布置多个取芯孔进行取芯；对不同平面位置和不同深度多个取芯的试样加工，得到试样中浆液凝固体体积和岩石块体体积，计算得到不同平面位置和不同深度的孔隙率；根据所得的孔隙率，得到孔隙率的空间分布函数，对其进行积分计算，得到煤矿采空区的孔隙总体积，并以此确定煤矿采空区的注浆量。本申请通过准确确定煤矿采空区残余孔隙空间分布特征及其总体积，提高煤矿采空区注浆量计算的准确性。

Description

基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法

技术领域

本发明涉及煤矿采空区修复技术领域，尤其涉及一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法。

背景技术

地下煤矿开采后，上部岩层逐渐弯曲变形，当达到其强度极限时，将破断垮落进入采空区。岩层移动变形逐步向上传播，在竖向划分为岩块不规则排列的垮落带、孔隙裂隙发育的裂缝带、以弯曲下沉为主的弯曲下沉带，即称之为“三带”。对于采煤沉陷区综合治理利用中，往往根据“三带”内岩块之间的残余孔隙和裂隙的空间分布规律，进行采空区注浆量估算并作为其费用估算的依据。

目前对于采空区注浆量的估算最常用的方法是根据煤矿开采后破碎岩块的碎胀系数和残余碎胀系数(一般取1.05至1.25)，进行采煤沉陷区内部残余空隙(不考虑孔隙)的计算，并根据注浆密实度或接顶率进行注浆量的估算。该方法是最行之有效、最通用的注浆量计算方法。然而该方法的残余碎胀系数的取值是凭借经验取值，经验取值的差异对注浆量计算结果影响较大。

有部分学者提出根据数值模拟对覆岩内部的移动变形状态、孔隙率分布规律进行模拟研究，并根据图像处理技术对覆岩内部的空隙、孔隙发育体积进行估算，进而实现通过数值模拟指导孔隙发育规律及采空区注浆量的计算。其实质是数值模拟地层参数的取值，这些参数均需要在实验室物理力学性质测试所得参数的基础上折减1/10至1/2，而岩石节理裂隙的参数取值变化范围更大(往往能存在1个数量级以上的差异)，更是需要经验值取值并逐步修正。因此通过数值模拟进行覆岩内部孔隙裂隙发育特征估算，进而估算注浆量的方法与实际情况差异较大。

对于小范围的井下施工的沿空留巷技术中，也有学者尝试在滞后采场的沿空留巷内进行顶板离层钻探及钻孔窥视，并根据肉眼直观的采动裂隙的分布范围，配比不同浓度的浆液指导各分区通过注浆控制顶板的要求程度。对于区域地层加固治理的煤矿防治水工作中，对煤层顶板进行原生节理裂隙注浆改造，根据岩性及岩层自有的节理裂隙发育程度，进而估算煤层顶板注浆改造分支孔注浆量。由于钻孔窥视法是肉眼直观的评估覆岩中的孔隙裂隙发育特征，是钻孔内孔隙的表面特征反映，而孔隙的粗细不均匀，分布不规则，无法准确确定裂隙沿其深度发育方向的裂隙实际占比，导致估算的注浆量不准确。

发明内容

本发明提供一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，用以解决现有技术中注浆量估算不准确的缺陷，实现提高注浆量估算的准确性。

本发明提供一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，包括：确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置，当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆；

对所述勘察孔进行封孔且孔内注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行套孔取芯，并根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径和所述采空区的分布情况围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯；

对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积，根据所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积得到不同平面位置和不同深度的孔隙率；

根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数，对所述孔隙率的空间分布函数进行积分计算，得到所述煤矿采空区的孔隙总体积，根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，在所述对所述勘察孔进行封孔且孔内注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行套孔取芯的步骤之前，还包括：

使用彩色钻孔电视获取所述勘察孔的孔壁展开图像；

根据所述勘察孔的孔壁展开图像，确定所述勘察孔内不同深度的浆液凝固体占所述勘察孔的孔壁的表面展开面积比；

在所述根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯的步骤之后，还包括：

使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像；

根据所述取芯孔的孔壁展开图像，确定所述取芯孔内不同深度的浆液凝固体占所述取芯孔的孔壁的表面展开面积比；

所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

在所述勘察孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于第一预设阈值，且所述取芯孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于所述第一预设阈值的情况下，根据所述勘察孔和所述取芯孔对应的不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，在所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤之前，还包括：

在所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率缺失的情况下，将所述勘察孔或取芯孔对应的所述任一深度的表面展开面积比作为所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，在所述使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像的步骤之前，还包括：

在所述注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行孔壁清洗。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

对所述勘察孔采用浓度小于第二预设阈值的冲洗液护壁钻进；

在所述勘察孔的钻进过程中，若所述冲洗液的消耗速度大于第三预设阈值，且所述勘察孔的水位降低速度大于第四预设阈值的情况下，确定所述勘察孔钻探到所述裂缝带位置；

若所述勘察孔的钻进过程中的掉钻频率和/或卡钻频率大于第五预设阈值，则确定所述勘察孔钻探到所述垮落带位置。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

在所述勘察孔的钻进过程中，基于钻探岩芯揭示法或彩色钻孔电视拍摄的所述勘察孔的孔壁展开图像，得到所述勘察孔的岩层内部孔隙裂隙发育情况；

根据所述岩层内部孔隙裂隙发育情况、所述冲洗液的消耗速度、所述勘察孔的水位降低速度，以及掉钻频率和/或卡钻频率，确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆的步骤包括：

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置时，采用地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第一浓度的注浆液体进行注浆；

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述垮落带位置时，采用所述地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第二浓度的注浆液体进行注浆；

其中，所述第一浓度小于所述第二浓度。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行破碎试验，将所述浆液凝固体和所述岩石块体进行分离；

使用排水法或蜡封法确定所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的孔隙率进行拟合，得到所述孔隙率随所述平面位置和深度变化的函数关系方程；

根据所述煤矿采空区的工作面边界建立局部坐标系，根据所述局部坐标系对所述函数关系方程中的平面位置和深度进行坐标转换，得到所述孔隙率的空间分布函数。

根据本发明提供的一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，所述根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量的步骤之后还包括：

根据所述煤矿采空区的注浆量、注浆浓度和注浆材料配比，确定所述煤矿采空区的治理费用。

本发明提供的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，通过对煤矿采空区裂缝带和垮落带压力和浓度差异化注浆后进行钻探取芯，获取煤矿采空区不同深度、不同平面位置的实际孔隙率，根据实际孔隙率得出煤矿采空区孔隙率的实际空间分布情况，根据实际空间分布情况准确计算煤矿采空区孔隙总体积，从而提高煤矿采空区注浆量计算的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，该方法包括：

步骤101，确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置，当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆；

可选地，煤矿采空区裂缝带和垮落带的位置可以通过勘察孔钻探过程中收集的信息确定。本实施例对裂缝带位置和垮落带位置的确定方法不作限定。

结合煤矿采掘工程平面图或勘察得到的采空区赋存平面图、工作面采煤工艺进行地面采空区勘察孔孔位设计，并编写实施方案。主要包括采空区勘察孔平面位置的设计、孔深、孔径、取芯、护壁，以及过裂缝带与过垮落带的钻探工艺等。

通过地质钻探的方式，采用地面钻机钻探向下施工勘察孔。

在勘察孔钻探到裂缝带位置时，通过勘察孔对裂缝带进行压力注浆，使注浆液体扩散至勘察孔周侧的缝隙中。

等到对裂缝带注浆的注浆液体凝固后，继续对勘察孔下钻至垮落带位置。通过勘察孔对垮落带进行压力注浆，使浆液扩散至勘察孔周侧的缝隙中。

在对裂缝带或垮落带进行压力注浆时，分为多个注浆阶段依次完成注浆工作，注浆阶段的注浆压力逐渐增大。注浆阶段的数量一般为3至5。

需要注意的是，裂缝带的初始阶段注浆压力大于垮落带的初始阶段注浆压力，以控制注浆时注浆液体的扩散范围，使其能填满勘察孔周侧的缝隙。

步骤102，对所述勘察孔进行封孔且孔内注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行套孔取芯，并根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径和所述采空区的分布情况围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯；

待对垮落带注浆密实且注浆液体凝固后，对勘察孔进行注浆封孔。

可选地，采用自流法，应用注浆钻杆由勘察孔孔底自孔口注入水泥浆，直至勘察孔孔口返浆。注浆液体凝固后，实现勘察孔的封孔。

套孔取芯即采用直径大于勘察孔孔径的钻头，在勘察孔处进行钻孔取芯。此时勘察孔封闭，便于取出完整的岩芯样品。

需要注意的是，套孔取芯时，套孔孔径与勘察孔孔径的差值大于预先设定的阈值，预先设定的阈值根据经验设定，以保障取出的压力注浆的浆液凝固体具有一定厚度。

可选地，勘察孔采用直径70mm的钻头钻进，采用直径108mm的钻头进行套孔取芯。

围绕勘察孔确定取芯孔的位置。可选地，在采空区的范围内，以勘察孔为中心均匀布置多条测线，沿测线间隔布置多个取芯孔。按照距离勘察孔从近到远的方向，采用直径108mm的钻头依次对取芯孔进行全孔取芯。

由于凝固后的浆液与岩石块有颜色及性状存在差别。因此，观察取出的取芯孔岩芯样品即可确定注浆液体的扩散半径。当取芯孔岩芯样品中不含凝固后的注浆液体时，停止对取芯孔的全孔取芯。

步骤103，对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积，根据所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积得到不同平面位置和不同深度的孔隙率；

压力注浆对应的浆液凝固体为对勘察孔压力注浆后凝固的注浆液体，因此浆液凝固体的体积即为孔隙的体积。岩芯试样包括套孔取芯和多个取芯孔取芯的试样。

对于不同平面位置和不同深度的岩芯试样，通过颜色区别并分离每个岩芯试样的岩石块体和浆液凝固体，然后分别测算得到每个岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积V₁和岩石块体的体积V₂。

计算即可得到当前岩芯试样对应的平面位置和深度处的孔隙率为V₁/(V₁+V₂)。分别计算不同平面位置和不同深度的岩芯试样的孔隙率，即可得到采空区不同平面位置和不同深度的孔隙率。

步骤104，根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数，对所述孔隙率的空间分布函数进行积分计算，得到所述煤矿采空区的孔隙总体积，根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量。

已知每个平面位置处不同深度的孔隙率，根据三维空间中每个取芯点的孔隙率得到孔隙率的三维空间分布情况。本实施例对三维空间分布情况的获取方法不作限定。

通过计算得到的不同平面位置和不同深度处的孔隙率，可选地，以勘察孔位置为原点，以平面上垂直的两条线为X轴和Y轴，以竖直方向为Z轴建立坐标系，拟合出孔隙率的空间分布函数η(x,y,z)。

通过对所得的孔隙率的空间分布函数进行积分计算，即可得到煤矿采空区的孔隙总体积

其中，a、b指根据采空区确定的平面在X轴方向的边界坐标，且数值与岩土层的性质有关，c、d指该平面在Y轴方向的边界坐标，H指煤矿采空区对应煤层的埋藏深度。

通过计算得到的煤矿采空区总体积，结合对采空区注浆液体的干缩率、吸水率等性质，即可计算确定煤矿采空区的注浆量。

本实施例通过对煤矿采空区裂缝带和垮落带压力和浓度差异化注浆后进行钻探取芯，获取煤矿采空区不同深度、不同平面位置的实际孔隙率，根据实际孔隙率得出煤矿采空区孔隙率的实际空间分布情况，根据实际空间分布情况准确计算煤矿采空区孔隙总体积，从而提高煤矿采空区注浆量计算的准确性。

在上述实施例的基础上，本实施例中在对勘察孔进行封孔且孔内注浆液体凝固后，对勘察孔进行套孔取芯的步骤之前，还包括：

使用彩色钻孔电视获取所述勘察孔的孔壁展开图像；

彩色钻孔电视为可360°旋转的钻孔电视。待勘察孔内压力注浆的注浆液体扩散且凝固后，将彩色钻孔电视伸入勘察孔内，对勘察孔孔壁进行360°全孔深录像。

应用图像处理软件间隔固定深度将彩色钻孔电视的录像处理为平面展开图像。可选地，固定深度可为1米或2米。

根据所述勘察孔的孔壁展开图像，确定所述勘察孔内不同深度的浆液凝固体占所述勘察孔的孔壁的表面展开面积比；

基于预先获取的固定深度的勘察孔孔壁的平面展开图像，通过颜色区别孔壁平面展开图中的浆液凝固体和岩石块体，并计算得出不同压力注浆的浆液凝固体表面展开面积占该深度孔壁表面展开面积的面积比，用以表征对应深度的勘察孔处的孔隙发育情况。

在所述根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯的步骤之后，还包括：

使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像；

彩色钻孔电视为可360°旋转的钻孔电视。将彩色钻孔电视伸入取芯孔内，对取芯孔孔壁进行360°全孔深录像。

应用图像处理软件间隔固定深度将彩色钻孔电视的录像处理为平面展开图像。可选地，固定深度可为1米或2米。

根据所述取芯孔的孔壁展开图像，确定所述取芯孔内不同深度的浆液凝固体占所述取芯孔的孔壁的表面展开面积比；

基于预先获取的固定深度的取芯孔孔壁的平面展开图像，通过颜色区别孔壁平面展开图中的浆液凝固体和岩石块体，并计算得出不同压力注浆的浆液凝固体表面展开面积占该深度取芯孔孔壁表面展开面积的面积比，用以表征对应深度的取芯孔处的孔隙发育情况。

所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

在所述勘察孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于第一预设阈值，且所述取芯孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于所述第一预设阈值的情况下，根据所述勘察孔和所述取芯孔对应的不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数。

第一预设阈值根据经验设定。由于在对取芯的岩芯试样进行处理时，可能破坏岩芯试样中的浆液凝固体，导致得到的孔隙率存在偏差。本实施例使用勘察孔和取芯孔的表面展开面积比验证通过岩芯试样体积得出的孔隙率的准确性。

若同一勘察孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于第一预设阈值，说明两者差别较小，孔隙率偏差较小，可以使用勘察孔对应的该深度的孔隙率拟合得出孔隙率的空间分布函数。

若同一取芯孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于第一预设阈值，说明两者差别较小，孔隙率偏差较小，可以使用该取芯孔对应的该深度的孔隙率拟合得出孔隙率的空间分布函数。

在上述实施例的基础上，本实施例中在所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤之前，还包括：

在所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率缺失的情况下，将所述勘察孔或取芯孔对应的所述任一深度的表面展开面积比作为所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率。

在对勘察孔或取芯孔取芯时，岩芯试样可能出现破损导致该取芯处的岩芯试样无法用于计算该取芯处对应的某深度的孔隙率，进而导致勘察孔或取芯孔对应的该深度的孔隙率缺失。

此时，将该取芯处对应的某深度的浆液凝固体表面展开面积占孔壁表面展开面积的表面展开面积比，作为该取芯处某深度的孔隙率使用，保障了孔隙率数据的完整性。

在上述实施例的基础上，本实施例中在所述使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像的步骤之前，还包括：

在所述注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行孔壁清洗。

当对勘察孔的钻探取芯试样中含有残留煤体时，表示已钻出采空区到达煤层。此时停止钻进，校正孔深及煤层埋深，用清水对勘察孔孔壁的残渣进行清理，避免钻孔时留下的残渣对后续彩色钻孔电视的拍摄结果产生影响，同时便于彩色钻孔电视伸入勘察孔孔底进行拍摄。

可选地，若勘察孔孔壁的残渣较多，可倒入明矾，静置24小时后再用清水清洗。

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

对所述勘察孔采用浓度小于第二预设阈值的冲洗液护壁钻进；

第二预设阈值的限制使得勘察孔用冲洗液为稀浆，根据经验设定。采用稀浆护壁钻进的方式能够对勘察孔孔壁形成防护，有效避免孔壁坍塌或产生大量残渣影响后续钻孔取芯时岩芯试样的完整性或彩色钻孔电视的录像结果的准确性。

在所述勘察孔的钻进过程中，若所述冲洗液的消耗速度大于第三预设阈值，且所述勘察孔的水位降低速度大于第四预设阈值的情况下，确定所述勘察孔钻探到所述裂缝带位置；

在起钻后和下钻前均测定勘察孔内的水位。当停钻时间较长时，每隔5至10分钟观测一次勘察孔内水位，同时记录泥浆池的浆液消耗量、勘察孔孔深、每次测量水位的时间和孔内水位数值，水位数值要求精确到小数点后两位。

通过孔内水位高度变化和每次测量水位时间差，计算得出孔内水位降低的速度。

第三预设阈值和第四预设阈值根据经验设定。

当冲洗液的消耗速度较大，且勘察孔内水位降低速度较大时，表示钻探处出现裂缝，从而确定勘察孔钻探到裂缝带位置。此时，地面钻机提钻取芯，并记录钻进深度。

若所述勘察孔的钻进过程中的掉钻频率和/或卡钻频率大于第五预设阈值，则确定所述勘察孔钻探到所述垮落带顶层。

第五预设阈值根据经验设定。

由于垮落带内孔隙裂隙较为发育，因此导致钻机钻进时卡钻和/或掉钻频率增加。当勘察孔的钻进过程中的掉钻频率和/或卡钻频率较大时，则确定勘察孔钻探到垮落带顶层。

此时，地面钻机提钻取芯，并记录钻进深度。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

在所述勘察孔的钻进过程中，基于钻探岩芯揭示法或彩色钻孔电视拍摄的所述勘察孔的孔壁展开图像，得到所述勘察孔的岩层内部孔隙裂隙发育情况；

通过钻探岩芯揭示法获取的岩芯样品或彩色钻孔电视拍摄勘察孔孔壁图像，可得到勘察孔的岩层内部孔隙裂隙发育情况，其中，位于垮落带的岩芯样品孔隙裂隙较为发育，位于裂隙带的岩芯样品孔隙裂隙发育较差，以此辅助确定裂缝带和垮落带的位置。

根据所述岩层内部孔隙裂隙发育情况情况、所述冲洗液的消耗速度、所述勘察孔的水位降低速度，以及掉钻频率和/或卡钻频率，确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置。

当冲洗液的消耗速度大于第三预设阈值，且勘察孔内的水位降低速度大于第四预设阈值时，提钻取芯或采用彩色钻孔电视伸入勘察孔内获取勘察孔孔壁图像，确定是否符合裂隙带的孔隙裂隙发育情况，若是，则确定勘察孔的钻孔位置位于裂缝带，提高了对裂缝带位置确立的精准度。

当地面钻机掉钻/卡钻频率大于第五预设阈值时，提钻取芯或采用彩色钻孔电视伸入勘察孔内获取勘察孔孔壁图像，确定是否符合垮落带的孔隙裂隙发育情况，若是，则确定勘察孔的钻孔位置位于垮落带，提高了对垮落带位置确立的精准度。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆的步骤包括：

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置时，采用地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第一浓度的注浆液体进行注浆；

当勘察孔钻探到裂缝带位置时，按照一定的水固比配置第一浓度的水泥浆。由于裂缝带内的裂隙较小，注浆液体采用浓度较低、流动性较好的稀水泥浆液。

采用地面泥浆泵压力灌浆法对处于裂缝带的勘察孔进行注浆，使注浆液体能扩散并填满勘察孔周侧的裂缝。

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述垮落带位置时，采用所述地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第二浓度的注浆液体进行注浆；

其中，所述第一浓度小于所述第二浓度。

当勘察孔钻探到垮落带时，由于岩块的破碎程度较好，垮落带裂隙较为发育，使用浓度更大的注浆液体，限制注浆液体的扩散距离，以保障注浆液体填满勘察孔周侧的裂缝。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行破碎试验，将所述浆液凝固体和所述岩石块体进行分离；

将不同平面位置和不同深度取芯的岩芯试样通过破碎机进行破碎，通过颜色区分破碎后的岩石块体和浆液凝固体，并分别收集浆液凝固体和岩石块体破碎后的碎块和碎块。

使用排水法或蜡封法确定所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积。

其中，当岩石块体碎块和浆液凝固体碎块较为完整时，使用排水法测定其体积。排水法即将岩石块体碎块和浆液凝固体碎块分别放入盛满水的容器，通过收集并测量溢出的水的体积，确定岩石块体和浆液凝固体的体积。

当岩石块体碎块和浆液凝固体碎块的破碎程度较高时，使用蜡封法测定其体积。蜡封法即将岩石块体碎块和浆液凝固体碎块分别浸入融化的石蜡中，使岩石块体碎块和浆液凝固体碎块有一层完整的石蜡外壳；通过分别称取带石蜡外壳的岩石块体碎块和浆液凝固体碎块在空气中和水中的质量，根据浮力原理分别计算出岩石块体和浆液凝固体的体积。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的孔隙率进行拟合，得到所述孔隙率随所述平面位置和深度变化的函数关系方程；

建立以勘察孔为原点的坐标系，对得到的不同平面位置和不同深度的孔隙率进行拟合，获得孔隙率随平面位置和深度变化的函数关系方程。

根据所述煤矿采空区的工作面边界建立局部坐标系，根据所述局部坐标系对所述函数关系方程中的平面位置和深度进行坐标转换，得到所述孔隙率的空间分布函数。

以煤矿采空区的工作面的两相邻边界为X轴和Y轴，以竖直方向为Z轴，并以两相邻边界的交点为原点建立局部坐标系，将孔隙率随平面位置和深度变化的函数关系方程进行坐标转换后，得到孔隙率的空间分布函数。

本实施例中以工作面边界建立局部坐标系，能更加便捷的计算所需的煤矿采空区孔隙总体积。

在上述实施例的基础上，本实施例中根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量的步骤之后还包括：

根据所述煤矿采空区的注浆量、注浆浓度和注浆材料配比，确定所述煤矿采空区的治理费用。

根据煤矿采空区孔隙总体积确定煤矿采空区的注浆量。根据预先确定的注浆材料配比和注浆浓度进行配比试验。

依据试验结果和煤矿采空区所需的注浆量计算采空区治理所需的各类材料的用量，进而确定煤矿采空区的治理费用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，包括：

确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置，当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆；

对所述勘察孔进行封孔且孔内注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行套孔取芯，并根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径和所述采空区的分布情况围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯；

对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积，根据所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积得到不同平面位置和不同深度的孔隙率；

根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数，对所述孔隙率的空间分布函数进行积分计算，得到所述煤矿采空区的孔隙总体积，根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量。

2.根据权利要求1所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，在所述对所述勘察孔进行封孔且孔内注液体凝固后，对所述勘察孔进行套孔取芯的步骤之前，还包括：

使用彩色钻孔电视获取所述勘察孔的孔壁展开图像；

根据所述勘察孔的孔壁展开图像，确定所述勘察孔内不同深度的浆液凝固体占所述勘察孔的孔壁的表面展开面积比；

在所述根据所述压力注浆的注浆液体扩散半径围绕所述勘察孔布置多个取芯孔进行取芯的步骤之后，还包括：

使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像；

根据所述取芯孔的孔壁展开图像，确定所述取芯孔内不同深度的浆液凝固体占所述取芯孔的孔壁的表面展开面积比；

所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

在所述勘察孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于第一预设阈值，且所述取芯孔对应的同一深度的孔隙率和表面展开面积比之间的差值小于所述第一预设阈值的情况下，根据所述勘察孔和所述取芯孔对应的不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数。

3.根据权利要求2所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，在所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤之前，还包括：

在所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率缺失的情况下，将所述勘察孔或取芯孔对应的所述任一深度的表面展开面积比作为所述勘察孔或取芯孔对应的任一深度的孔隙率。

4.根据权利要求2所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，在所述使用所述彩色钻孔电视获取所述取芯孔的孔壁展开图像的步骤之前，还包括：

在所述注浆液体凝固后，对所述勘察孔进行孔壁清洗。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

对所述勘察孔采用浓度小于第二预设阈值的冲洗液护壁钻进；

在所述勘察孔的钻进过程中，若所述冲洗液的消耗速度大于第三预设阈值，且所述勘察孔的水位降低速度大于第四预设阈值的情况下，确定所述勘察孔钻探到所述裂缝带位置；

若所述勘察孔的钻进过程中的掉钻频率和/或卡钻频率大于第五预设阈值，则确定所述勘察孔钻探到所述垮落带位置。

6.根据权利要求5所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置的步骤包括：

在所述勘察孔的钻进过程中，基于钻探岩芯揭示法或彩色钻孔电视拍摄的所述勘察孔的孔壁展开图像，得到所述勘察孔的岩层内部孔隙裂隙发育情况；

根据所述岩层内部孔隙裂隙发育情况、所述冲洗液的消耗速度、所述勘察孔的水位降低速度，以及掉钻频率和/或卡钻频率，确定煤矿采空区的裂缝带位置和垮落带位置。

7.根据权利要求1-4任一所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置和垮落带位置时进行压力及浓度差异化注浆的步骤包括：

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述裂缝带位置时，采用地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第一浓度的注浆液体进行注浆；

当所述煤矿采空区的勘察孔钻探到所述垮落带位置时，采用所述地面泥浆泵压力灌浆法对所述勘察孔使用第二浓度的注浆液体进行注浆；

其中，所述第一浓度小于所述第二浓度。

8.根据权利要求1-4任一所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行加工，得到所述岩芯试样中压力注浆对应的浆液凝固体的体积和岩石块体的体积的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的岩芯试样进行破碎试验，将所述浆液凝固体和所述岩石块体进行分离；

使用排水法或蜡封法确定所述浆液凝固体的体积和所述岩石块体的体积。

9.根据权利要求1-4任一所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述根据不同平面位置和不同深度的孔隙率，得到所述孔隙率的空间分布函数的步骤包括：

对不同平面位置和不同深度的孔隙率进行拟合，得到所述孔隙率随所述平面位置和深度变化的函数关系方程；

根据所述煤矿采空区的工作面边界建立局部坐标系，根据所述局部坐标系对所述函数关系方程中的平面位置和深度进行坐标转换，得到所述孔隙率的空间分布函数。

10.根据权利要求1-4任一所述的基于煤矿采空区残余孔隙率测试的注浆量计算方法，其特征在于，所述根据所述孔隙总体积确定所述煤矿采空区的注浆量的步骤之后还包括：

根据所述煤矿采空区的注浆量、注浆浓度和注浆材料配比，确定所述煤矿采空区的治理费用。

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