CN118332225A - 一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，涉及地表变形预计技术领域。本发明结合垮落法开采地表变形参数，基于采动空间墩柱式承载结构压缩变形特征，建立一种适用于矸石流态化注浆充填地表变形的预计模型：根据邻近工作面垮落法开采地表变形实测数据反演确定预计参数，并依据实验室结果按比例配置矸石充填料浆，利用注浆压实模拟装置，测试得到材料压缩系数δ，确定等效充实率φ与等价采高me间的对应关系，据此修正模型预计参数，根据注浆工程钻孔布置间距d及扩散范围l便可计算出地表变形预计值。此预计方法逻辑清晰、简单易行，具有广泛的实用价值，可以指导矸石流态化注浆充填开采设计，为充填工程减小采动损害提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及地表变形预计技术领域，特别是一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法。
背景技术
部分矿区受储量分布影响，大量优质煤炭资源上方存在建(构)筑物等，无法正常开采，往往此类建筑物受采动影响较为敏感，常规的回采方法会导致地表变形进而损坏建筑物，甚至伤及人类生命。近年来，充填开采技术日益成熟，已经成为“三下”压煤资源开采的重要途经，同时充填开采对于地表沉陷控制、保护覆岩环境具有重要意义，因此地表变形程度是衡量充填开采效果的重要指标。
矸石流态化注浆充填是将矸石破碎研磨后加水制成流态化浆体，通过长距离输送管道运输至待充填区域。若注浆位置位于煤层上方裂隙带，矸石料浆分布于裂隙带与垮落带中，与破碎岩体受压形成墩柱式的承载结构，支撑上覆关键岩层，减小地表变形。与现有其他充填技术相比，该技术的注充空间及减沉机理差异较大，无法采用正常的充填开采地表变形预计方法，不能满足工程需求；同时，在注充过程中，上覆岩层开采损害及充填料浆体积变化均处于动态变化过程中，注浆充填对于地表减沉效果无法衡量。因此，以注浆充填最终状态为研究对象，考虑压缩变形系数，建立一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法有着极其重要的工程意义。
发明内容
技术问题：针对现有技术的不足之处，提供一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其步骤简单，使用方便，考虑浆体压实系数及等价采高理论，建立了注浆量与地表变形的定量关系，解决了注浆充填地表变形预计困难的难题，有效指导采动空间注浆充填工程设计。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，通过邻近工作面的实测数据反演确定基于概率积分法的垮落法预计参数，工作面为垮落法开采，利用垮落法预计参数反演确定的基础预计参数，再修正基础预计参数得到矸石注浆充填方法的预计参数，矸石注浆充填使用墩柱式承载结构；
具体步骤如下：
S1、调研充填工作面地质条件，结合邻近工作面垮落法开采后地表变形实测数据，再根据该工作面采深H、工作面采厚m、煤层倾角α、工作面走向长度ZC、工作面倾向长度QC等参数，计算出该工作面的概率积分法预计参数；
S2、开展矸石充填料浆性能配比试验，结合待充填的离层区、裂隙带、垮落带工程实际需求，分别确定不同区域对矸石流态化的需求，并根据需求调整矸石浆液的配比，之后使用模拟破碎岩体的试样进行加载试验，包括向破碎岩体试样中注入矸石浆液后进行加载，以及直接对未注入矸石浆液的破碎岩体试样进行加载，从而获得矸石充填料浆与破碎岩体的压缩系数δ1，不加矸石料浆只设置破碎岩体测试得到单纯破碎岩体的压缩系数δ2；
S3、按照不同注浆量测试得到的压缩系数δ1及δ2，建立等效充实率与煤层等价开采高度me的对应关系，确定工作面的等价采高me，并修正S1参数反演结果，预计对工作面区域的离层区、裂隙带、垮落带进行充填后的地表变形预计参数；
S4、根据实际工作面充填工程钻孔布置位置、间距d、扩散范围l，圈定矸石注浆充填的墩柱式承载结构范围坐标，基于概率积分法及工作面地质参数，即可计算出该被测工作面采用矸石流态化注浆充填后的地表变形预计值。
进一步，所述S1步骤中概率积分法预计参数包括下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b、传播角θ、拐点偏移距s。
进一步，所述S2步骤中的注浆压实模拟装置是由不同粒径的矸石分层铺设在压实钢筒中、底部铺设不锈钢筛网形成，模拟受采动影响的上覆岩层垮落带及裂隙带岩体。
进一步，所述S2步骤中的压缩系数是指在等同于地应力压力作用下，其注浆压实模拟装置破碎岩体试样受压后高度hi与原高度h的比值，如下式(1)所示：
式中：δ1为矸石充填料浆与破碎岩体的压缩系数，δ2为不加矸石料浆测试得到破碎岩体的压缩系数，f是数学中函数，表示等效充实率。
进一步，所述S3步骤中的等效充实率与煤层等价开采高度me的对应关系是指某等效充实率下仅有一个对应的煤层等价开采高度me，计算公式如下式(2)所示：
式中：H为注浆充填时形成的墩柱式承载结构高度，为常量，m是工作面采厚。
进一步，所述S4步骤中的墩柱式承载结构范围是指以注浆钻孔为中心、扩散范围为直径的圆形区域，受限于概率积分法坐标输入方法，墩柱式承载结构范围可简化为六边形、八边形。
有益效果：
本发明的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，基于矸石注浆充填采空区垮落带与裂隙带的可充填空间，考虑浆体压实系数及等价采高理论，建立了注浆量与地表变形的定量关系，形成了一套行之有效的注浆充填开采地表变形预计方法，解决了注浆充填地表变形预计困难的难题，指导了采动空间注浆充填工程设计，促进了矸石流态化注浆充填技术发展。此方法技术可行，理论创新，逻辑合理，具有较高的应用价值，可以较好地解决注浆充填地表变形预计问题，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例中矸石流态化注浆充填地表变形预计流程；
图2为本发明实施例中42205工作面垮落法开采地表下沉实测及拟合值对比曲线；
图3为本发明实施例中42207工作面矸石流态化注浆充填钻孔布置。
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：
实施例1：
如图1和图3所示，本发明公开一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，具体实施步骤如下：
S1、根据调研，某矿42205工作面地面标高为1445～1453m，井下底板标高为1246～1270m，煤层厚度5.0～5.45m(含夹矸)，平均厚度m为5.22m，倾角α为1.5°，工作面走向长度ZC为1328.4m，倾向长度QC为320.3m。据此反演概率积分法预计参数，42205工作面地表实测数据及下沉拟合值见表1，数据拟合图如图2所示，反演确定的预计参数为：下沉系数q为0.71、主要影响角正切tanβ为1.01、水平移动系数b为0.16、传播角θ为85°、拐点偏移距s为55.37。
表1 42205工作面垮落法开采地表下沉实测及拟合值
S2、经实验室配比确定，矸石流态化料浆浓度65％，2～5mm、0.15～2mm与0～0.15mm矸石质量比(0～0.3):2:1，按比例配置矸石充填料浆后注入注浆压实模拟装置，测试得到的不同等效充实率对应的压缩系数见表2。
表2不同等效充实率与等价采高的对应关系
S3、根据式(3)计算得到不同等效充实率对应的等价采高，见表2，据此，修正S1得到的预计参数为：下沉系数q为0.6、主要影响角正切tanβ为0.85、水平移动系数b为0.16、传播角θ为85°、拐点偏移距s为55.37。
S4、该矿井42207工作面拟采用矸石流态化注浆充填技术，其注浆层位位于裂隙带上部，距地表91～143m，平均120m(距离煤层约50m)，钻孔布置于工作面中部。该工作面平均采深H为170m，煤厚m为3.0m，煤层倾角α为0～3°，取平均值1.5°，开采影响传播角θ为85°，拟定等效充实率为60％，则等价采高为1450mm。如图3所示，钻孔间距d为150m，钻孔扩散范围l约100m，墩柱式承载结构简化为8边形，确定坐标信息，利用概率积分法得到的地表变形预计值如表3。
表3 42207工作面矸石流态化注浆充填地表变形预测极值
Claims (6)
1.一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：通过邻近工作面的实测数据反演确定基于概率积分法的垮落法预计参数，工作面为垮落法开采，利用垮落法预计参数反演确定的基础预计参数，再修正基础预计参数得到矸石注浆充填方法的预计参数，矸石注浆充填使用墩柱式承载结构；
具体步骤如下：
S1、调研充填工作面地质条件，结合邻近工作面垮落法开采后地表变形实测数据，再根据该工作面采深H、工作面采厚m、煤层倾角α、工作面走向长度ZC、工作面倾向长度QC等参数，计算出该工作面的概率积分法预计参数；
S2、开展矸石充填料浆性能配比试验，结合待充填的离层区、裂隙带、垮落带工程实际需求，分别确定不同区域对矸石流态化的需求，并根据需求调整矸石浆液的配比，之后使用模拟破碎岩体的试样进行加载试验，包括向破碎岩体试样中注入矸石浆液后进行加载，以及直接对未注入矸石浆液的破碎岩体试样进行加载，从而获得矸石充填料浆与破碎岩体的压缩系数δ1，不加矸石料浆只设置破碎岩体测试得到单纯破碎岩体的压缩系数δ2；
S3、按照不同注浆量测试得到的压缩系数δ1及δ2，建立等效充实率与煤层等价开采高度me的对应关系，确定工作面的等价采高me，并修正S1参数反演结果，预计对工作面区域的离层区、裂隙带、垮落带进行充填后的地表变形预计参数；
S4、根据实际工作面充填工程钻孔布置位置、间距d、扩散范围l，圈定矸石注浆充填的墩柱式承载结构范围坐标，基于概率积分法及工作面地质参数，即可计算出该被测工作面采用矸石流态化注浆充填后的地表变形预计值。
2.根据权利要求1所述的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：所述S1步骤中概率积分法预计参数包括下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b、传播角θ、拐点偏移距s。
3.根据权利要求1所述的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：所述S2步骤中的注浆压实模拟装置是由不同粒径的矸石分层铺设在压实钢筒中、底部铺设不锈钢筛网形成，模拟受采动影响的上覆岩层垮落带及裂隙带岩体。
4.根据权利要求1所述的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：所述S2步骤中的压缩系数是指在等同于地应力压力作用下，其注浆压实模拟装置破碎岩体试样受压后高度hi与原高度h的比值，如下式(1)所示：
式中：δ1为矸石充填料浆与破碎岩体的压缩系数，δ2为不加矸石料浆测试得到破碎岩体的压缩系数，f是数学中函数，表示等效充实率。
5.根据权利要求1所述的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：所述S3步骤中的等效充实率与煤层等价开采高度me的对应关系是指某等效充实率下仅有一个对应的煤层等价开采高度me，计算公式如下式(2)所示：
式中：H为注浆充填时形成的墩柱式承载结构高度，为常量，m是工作面采厚。
6.根据权利要求1所述的一种墩柱式承载结构的矸石注浆充填地表变形预计方法，其特征在于：所述S4步骤中的墩柱式承载结构范围是指以注浆钻孔为中心、扩散范围为直径的圆形区域，受限于概率积分法坐标输入方法，墩柱式承载结构范围可简化为六边形、八边形。
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