（采矿工程专业论文）覆岩离层注浆条件下地表沉陷预计理论与参数研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 覆岩离层注浆减沉法是控制地表沉陷的种主动方法，自1 9 8 6 年齐东洪高工和范学 理教授等在抚顺老虎台矿进行工业性试验并取得成功后，发展到现在，该技术无论从理 论上还是工程实践上都得到了进一步完善和发展。我国先后有多矿进行了离层注浆减沉 试验，并取得了一定的减沉效果和经济效益。 为了应用相似材料模拟试验分析采场上覆岩层及地表移动规律，并使模拟试验成果 定量化，提出了新的相似材料模拟技术方案恒温恒湿密闭相似材料模拟试验。通过 分析模拟试验过程中的主要误差来源及其可控性，以弹性力学为基础，建立了相似材料 模拟试验的误差补偿理论。 在相似材料模拟试验的基础上，采用数值仿真方法，进行了具体地质采矿条件下的 采场上覆岩层动态移动规律研究，模拟了随工作面推进地表的移动规律。 根据关键层理论，分析了覆岩地层结构与离层的关系，探讨了覆岩离层发育过程的 阶段性和周期性。根据岩石的抗压不抗拉特性，以岩石应变为指标，由岩梁挠曲方程， 分析了横向上岩层的断裂发育规律，并推导了基于岩石应变的岩梁断裂步距表达式，分 析了覆岩离层的发育程度与采宽的关系。 本论文结合了国家自然科学基金项目覆岩离层规律的贝叶斯动态模型预测与注 浆减沉机理研究 批准号：5 0 1 7 4 0 3 5 ，对覆岩离层注浆条件下的地表沉陷预计理论与参 数进行了研究。 本文主要研究了注浆条件下地表沉陷的预计方法，应用“注采比”的概念来评价注 浆减沉效果，分析了灰体分布对下沉的影响，探讨了注浆量和地表采动程度对注浆减沉 率的影响。根据减沉率和注采比的函数关系，分析了函数关系式中的计算参数( 减沉体 积系数和塌陷体积系数) 与地表采动充分程度的关系。在理论分析的基础上，结合工程 实践，初步总结了注浆减沉条件下的地表移动规律。 关键字：沉陷预计相似材料误差补偿数值仿真注浆减沉注采比减沉率 山东科技人学硕l 学位论文 摘要 a b s t r a c t m e t h o do fr e d u c i n gs u b s i d e n c eb yg r o u t i n gi nb e d s e p a r a t i o n si no v e r b u r d e n i saa c t i v eo n et oc o n t r o ls u r f a c es u b s i d e n c e b yt h i st i m e t h et e c h n o l o g yi s a d v a n c e di nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g m a n ym i n e st o o k t h et e s to f r e d u c i n g s u b s i d e n c eb yg r o u t i n gi ns e p a r a t i o n si nc h i n a ，a n ds u c c e e d e d t h en e ws c h e m eo fe q u i v a l e n tm a t e r i a l ss i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，s i m u l a t i o nt e s t o fe q u i v a l e n tm a t e r i a l su n d e rc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi sp r o p o s e d t h e p u r p o s ei st oa n a l y z et h ei a wo ft h eo v e r l y i n gs t r a t ad i s p l a c e m e n ta n dt h es u r f a c e s u b s i d e n c eb ym o d e le x p e r i m e n to fe q u i v a l e n tm a t e r i a l sa n dt om a k et h es i m u l a t i o n r e s u l t sq u a n t i t a t i v e o nt h eb a s eo fe 1 a s t i cm e c h a n i c s t h e o r yo fo f f s e te r r o r i sf o u n d e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h em a i no r i g i no fe r r o ra n di t sa m e n a b i l i t yi nt h e c o u r s eo fe x p e r i m e n t t h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n to fo v e r b u r d e ns t r a t aa n ds u r f a c ei ss t u d i e db y a d o p t i n gt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fi d i o g r a p h i c g e o l o g y t h ep r o c e s so f t h em o v e m e n to fs u r f a c ew i t h t h ef a c ea d v a n c e di s s i m u l a t e df a c t u a l l y a c c o r d i n gt ot h e o r yo fk e ys t r a t a ，t h er e l a t i o nb e t w e e no v e r l y i n gs t r a t a s t r u c t u r ea n d b e d s e p a r a t i o n sd e v e l o p i n gp r o c e s s i sd i s c u s s e d t h e s t a g e p r o p e r t ya n dp e r i o dp r o p e r t yo fb e d s e p a r a t i o n sd e v e l o p m e n ti sa l s oa n a l y z e d t h ed e v e l o p m e n tl a wo fs t r a t af r a c t u r ei sa n a l y z e di nt h ec r o s sd i r e c t i o nb yu s e o ft h ee q u a t i o nf o rt h ed e f l e c t i o no fs t r a t ab e a m 1 h i sd e p e n d so i lt h es t r a t a s p r o p e r t yo fa n t i p r e s s u r ea n dn o n a n t i t e n s i b i l i t y a tt h es a m et i m e t h i st a k e s t h es t r a i na si n d e x t h ee x p r e s s i o no fs t r a t ab e a m sf r a c t u r ed i s t a n c eb e t w e e n t w os t e p si sd e d u c e db a s e do ni t ss t r a i n t h er e l a t i o nb e t w e e nd e v e l o p m e n to f b e d s e p a r a t i o n sa n dw i d t ho f f a c ei sa l s oa n a l y z e d t h et h e s i sc o m b i n e st on a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 5 0 1 7 4 0 3 5 ) t h em e t h o do fe s t i m a t i n gt h es u r f a c es u b s i d e n c eu n d e rg r o u t i n giss t u d i e d t h e e f f e c to fr e d u c i n gs u b s i d e n c ei se v a l u a t e db yt h er a t i oo fm i n i n ga n dg r o u t i n g t h ed i s t r i b u t i o no ff i n e c o a la s hi n f l u e n c e su p o ns u b s i d e n c ei sa n a l y z e d t h e 2 山东科技人学i | j j l 学位论义摘要 m a g n i t u d eo fg r o u t i n ga n ds u e f a c ea t t a c k e dr a t ea f f e c t i n gt h er a t i oo fr e d u c i n g s u b s i d e n c eisd i s c u s s e d 1 h er e l a t i o n0 fc a l c u l a t i n gp a r a m e t e ra n d s u r f a c e a t t a c k e dr a t ei nt h ef u n c t i o ni sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n b e t w e e nr a t i 0o fs u r f a c es u b s i d e n c ea n dr a t i 0o fm i n i n ga n dg r o u t i n g o nt h eb a s e o fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h et h e o r yo fr e d u c i n gs u b s i d e n c eb yg r o u t i n g ，t h e l a wo fs u r f a c es u b s i d e n c eu n d e rg r o u t in gi ss u m m a r iz e de l e m e n t a r i l y k e y w o r d s ：s u b s id e n c ep r e d i c t i o n ，e q u i v a l e n tm a t e r i a l s ，o f f s e te r r o r ，n u m e r i c a l s i m u a t i o n ，r e d u c i n gs u b s i d e n c eb yg r o u t i n g ， r a t i 0o fm i n i n ga n dg r o u t i n g ， r a t i 0o fr e d u c i n gs u b s i d e n c e 3 明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 日 a f f i r m a t i o n 弓莨铉瓢 期：西、占、ll id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e ：2 一a 他x i r 、k d a t e ：) 洲心1 、v 内s 声 山东科技火学碘l 学位沧文绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及课题来源 地下煤层的丌采必然会引起地表沉陷，如果不采取减沉措施进行沉陷控制，就会产 生一系列后果。为了减小开采破坏的影响，人们采取了多种方法，归纳起来大致有三大 类：a 在地碰采崩被动修护以及设计抗变形建( 构) 筑物和搬迁，控制效果有限；b 在 井下设计保护煤岩柱和水砂充填的方法支撑上覆岩体。c 采用在覆岩内部离层带注浆技 术柬减缓地表沉降的工程控制方法。 覆岩离层拄浆充填法是控制地表沉陷的- - e 主动方法，就是由地面向覆岩内打钻由 钻孔向离层空问注浆从而抑制离层空间上方岩体继续破坏。自1 9 8 6 年齐东洪高工和范学 理教授等在扰顺老虎台矿进行工业性试验并取得成功后，发展到现在，浚技术无论从理 论上还是工程实践上都得到了进一步完善和发展。我国先后有抚顺老虎台矿、大屯煤电 公司徐庄矿、淮南李咀孜矿、新汶华丰矿、河南平顶山十一矿、充州东滩矿、枣庄田陈 矿和丌滦唐山矿等进行了离层注浆减沉试验，取得了一定的减沉效果和经济效益。 由统计得到的经济数字表明，丌采沉陷控制对我国煤炭资源开发、环境保护、经济 可持续发展以及矿区社会稳定都具有重大意义。为了控制地表沉陷就要对开采引起的地 表沉陷进行研究，包括由开采沉陷引起的岩层与地表移动规律的研究，观测方法研究， 预计方法研究及控制方法研究等。在以往相似材料模拟试验的基础上，提出了新型相似 材料模拟试验，即在密闭实验室里所做的恒湿恒温条件下的覆岩移动规律相似模拟试验。 本论文结台幽家自然科学基金项目覆岩离层规律的贝叶斯动态模型预测与注浆 龇沉机理研究 批准号：5 0 1 7 4 0 3 5 ，对覆岩离层注浆条件下的地表沉陷预计理论与参数 进行了研究。 1 2 文献综述及课题研究现状 影响开采沉陷的主要因索有：a 开采煤层的厚度、倾角、开采深度：b 上覆岩层的 构造和力学性质；c 采煤方法和顶板管理方法及支护程度；d 采动次数、采动程度及开 采速度：e 地形地貌和水文地质条件：f 开采前初始地应力特征。 开采沉陷预计是矿山开采沉陷学的核心内容之，对丌采沉陷理论研究和生产实践 具有重要意义。 近几t 年来，国内外学者运用各种假设或假定提出了多种岩层和地表移动的理论 近几十年来，国内外学者运用各种假设或假定提出了多种岩层和地表移动的理论 1 山东利技火学顺j 一学位论文 1 绪论 和计算方法。 1 2 1 基于实测资料的经验方法 这类方法是以现场实测资料为依据，确定预计各种移动变形值的函数形式和预计参 数的经验公式等。主要有负指数函数法、典型曲线法、概率积分法、威布尔分布法和下 沉网格法等。近几年来，出现了新的计算方法如廖灿平采用模糊影响函数法计算开采 引起的地表下沉，麻风海等将神经网络理论引入丌采沉陷领域，用以预测开采引起的岩 层与地表移动。 随着计算机技术的快速发展，许多学者丌发研制了丌采沉陷专用软件，并且应用到 实际工程中去。高延法、张玉卓、郝庆旺、姚建国、王泳嘉、麻风海等学者都曾编制了 地表沉陷计算的专用程序，也有人集众家之长编制了丌采沉陷决策支持系统。 1 2 2 覆岩离层注浆减沉研究 1 2 2 1 国外研究状况 根据作者所查阅的文献资料。国外所进行的注浆减沉控制沉陷研究和工程实践主要 有：美国矿产局( u s b m ) 推广了开采沉降监测新技术( 如t d r 系统t i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t r ys y s t e m ) ，波兰进行了覆岩注浆减沉实验。 波兰学者( l i t w i n s z y n ) 对随机介质理论法作了进一步的论述，提出了岩体沉陷现 象及其高斯( g a u s s ) 函数和粒子介质的位移。c h r i s t o p h e rh a y c o c k s 等研究了多煤层 开采后的沉陷效果。v l a d i m i rh ej m a n o w s k i 讨论了岩体沉降预计的两种时间函数分析 方法。m z h a n g & a k b h a t t a c h a r y y a 比较了三种常用的沉陷预计方法( 经验方法、理论 方法和半经验方法) 的特点和适用条件，提出了一个统计方法用于评价沉降预计的精度。 a w a h a bk h a i r & r i c h a r dd b e g l e y 提出了沉降预计的力学模型，用解析的方法进行了 剖面上下沉曲线形态及最大下沉值的预计。d a v i d k i n g r a m m i c h a e la t r e v i t s 基于钻孔深部基点监测资料，分析了长壁丌采引起的覆岩变形特征。v i d i m o v a i v d i m o v 从预计和保护两方面探讨了地表沉陷的发展是一个非连续过程，覆岩的关键层 起着至关重要的作用。k a r a m a n ，a b d u l l a h 运用水力地球物理模型分析了开采沉陷 对松散冲积层的影响。s h e o r e y ，p r 分析了印度不同煤田的资料，提出了改进的完全沉 陷预计影响函数法。 1 2 2 2 国内研究状况 关于注浆减沉覆岩移动规律的研究比较活跃这些研究涉及到覆岩运动的物理及力 学模型。覆岩运动过程，离层发育规律，覆岩的离层条件离层的分布形态及影响因素， 生查型丝查堂丝! ：鲎垡丝兰 ! 堕笙 离层空i 刈体积预计，覆岩离层注浆减小地表沉降的机理及效果评价，浆液在离层空间中 的存在、流动形态和注浆减沉条件下的地表沉降预计等。这些研究主要有： 刘宝琛和廖国华发展了李特威尼申( l i t w i n s z y n ) 的随机介质理论，提出了现在广 泛应用的概率积分法。高延法提出了覆岩移动的“四带”模型，地表水平移动机理，水 平下沉曲线的超椭圆函数方法以及岩层参数的反分析方法三次样条函数法。郭惟嘉 等在覆岩离层机理的研究上用解析方法研究了离层发育的特征，给出了覆岩沉陷弯曲离 层的层位、约束边界及离层空间发育形态特征方程。徐乃忠提出离层注浆减小地表沉降 的控制层理论和离层注浆减沉的最佳尺寸，探讨分析了注浆减沉的力学机理和影响注浆 效果的因素。杨伦、于广明等以组合板变形的力学模型为基础推导出根据覆岩的层位、 厚度及物理力学性质即可定量计算离层位置的实用公式。姜岩应用矿山开采沉陷与弹性 薄板理论，提出了覆岩离层注浆开采地表下沉预测模型，并给出了模型参数的具体估计 方法。并把覆岩注浆开采地表下沉划分成初始、注水、注浆三个阶段，进一步指出采用 超前高压注水是提高减沉效果的有效技术措施，并采用四边固支的弹塑性板模型推出了 离层量的计算公式。高延法、钟亚平和李建民等提出了多层位注浆减沉技术和注采比的 概念，初步建立了基于注采比的注浆减沉地表沉陷预计理论。张玉卓等系统地研究了长 壁丌采上覆岩层运动中间脱丌的条件、存在过程及其与岩层结构和采矿条件的关系。汤 建泉以相似材料模拟实验为基础，探讨了覆岩组合运动的条件，研究了离层发生的机理 并指出离层位置和扩展规律对组合结构的形成具有的作用。刘立民、刘汉龙等基于半解 析方法中的层单元和棱柱单元推导计算方法，在v i s u a lf o r t r a n6 5 环境下编写了可用 于全采、条采和房柱式丌采的三维沉陷计算和应力分析程序。 谢和平等应用f l a c ”3 3 和f l a c ”1 0 对河南省鹤壁矿务局4 矿开采沉陷进行了预计， 通过对比分析经典预计方法( 概率积分法) 与f l a c 计算结果，发现f l a c 能真实地模拟现 场地质条件。高明中等运用求解非线性大变形问题有限差分法( f l a c ) ，针对急倾斜煤层 开采的地质条件，总结出了岩体移动的基本特征和地表沉陷的相关参数。白矛、刘天泉 用弹性理论的位移函数法导出了长壁采煤法采空区上方岩层及地表移动的函数表达式并 给出了岩层及地表最大移动值的计算公式。郝庆旺以影响函数法为基础，提出了区域单 元法的概念，从而解决了任意采动影响下地面动态沉陷的预计问题。张庆松等基于注浆 减沉的理论与实践提出了井下开采控制与覆岩注浆相结合的沉陷控制方案，分析了各 方案的覆岩移动变形规律和存在的相关问题。 余学义等以k n o t h e 理论为基础，结合z e r o 模型，建立了覆岩移动变形的流变模型， 3 坐蔓型丝查鲎塑! ：兰竺堡兰! 竺堡 分析了地表动态移动变形特性，给出地表动态下沉搞地的移动变形预计理论及其参数。 沈光寒等提出用控制论和系统论的观点研究矿山沉降的模型识别和模型优化问题。钱鸣 高提出了采场上覆岩层活动中的关键层理论，建立了关键层的判别准则。范学理、赵德 深等研究了覆岩注浆减缓地表沉降的机理以及浆液在离层空间的流动规律和存在状态 及其效果评价。葛家新将求解无约束极值问题的模矢法( 步长加速法) 应用于求取开采沉 陷预计参数，解决了利用任意形状工作面开采的实测资料和利用动态实测资料求取参数 的问题。郭增长、卢小平采用概率积分法的地表移动和变形预计模型，根据工作面的开 采顺序，采用相应采动程度的预计参数进行计算。戴华阳在概率积分预计方法的基础上， 通过引入玎采沉陷率和拐点偏移距关于宽深比的波兹曼函数，拟合了非充分丌采沉陷率 和拐点偏移距关于丌采充分性的变化规律，建立了不同开采充分程度的开采沉陷预计模 型。 王泳嘉教授用流变力学| 丌尔文模型研究了岩层与地表移动的时间系数。麻风海博士 用粘弹原理研究了地表下沉。沈惠群博士用随机介质理论研究了发表移动和变形的时间 一空川统一过程，得到了地表移动和变形与时间的关系。杨帆、麻风海利用神经网络具 有自组织、自学习和高度非线性映射的能力以及既能考虑定量因素又能考虑定性因素的 优点，建立了地表移动预计参数选取的神经网络模型和收敛速度快、预计参数精度高的 改进的b p 神经网络，为开采沉陷地表移动预计中参数的选取提供了新方法。高延法教授 采用“内蕴时间”粘弹塑性理论和开尔文一伏尔特流变模型，建立了岩层动态本构关系， 并进行了动态反分析研究。赵忠明、李德海利用赞尔哈斯模型的特点，把少量的原始数 据作各种处理并基于关联空洲i 、光滑离散函数等概念，建立灰微分方程模型来模拟地表 移动的时闻过程，求得地表移动的时间响应模型。栾元重等根据地表岩移参数与采深、 冲积层厚度之问的定量关系式，将冲积层视为随机介质，把基岩看成粘弹性基础上的粘 弹性梁，建立了比较符合实际地表沉陷与变形的预计公式。张庆松等利用粗集理论，对 不同矿区3 6 个工作面的岩移观测资料进行了分析，建立了以粗集作为前处理器，基于粗 集与神经网络相结合的开采沉陷预计模型。谢兴华等利用薄层接触元模拟覆岩内部岩层 接触面，用粘弹性三单元模型建立本构关系，用有限单元方法模拟离层的动态发育规律， 得到了离层产生、发展的动态过程。 1 2 2 3 相似材料模拟及误差补偿理论研究 崔希民，缪协兴等针对相似材料模拟实验研究的现状和特点，从相似原理、相似材 料、边界条件、温度、湿度等方面对岩层与地表移动模拟实验的误差来源进行了分析， 4 些查兰! 垫叁兰塑! ：兰垡笙兰! 堕堡 将实验误差分成了可控制的、可改正的和不可避免的三类，从理论上研究了压缩下沉和 模型边界丌裂引起的移动误差分布规律，为观测数据曲线形态异常的改正提供了理论依 据。 1 2 2 4 开采沉陷可视化研究 柴华彬、毋保中等利用v i s u a lc + + 6 0 实现系统界面的编制、预计值的计算和生 成数据文件，由m a 、l a b 直接调用v c 生成的数掘文件实现移动变形预计的可视化并利用 m a t l a b 的动画技术可以对地表移动变形进行动态、实时和三维立体模拟。王悦汉等将丌 采引起的上覆岩层移动过程分为4 个时段，建立了各阶段岩层移动模型的微分方程，给 出了各模型的边界条件以及各模型之间的转换条件，建立了采动岩体动态力学模型，编 制了相应的计算机可视化程序。李逢春等利用等值线绘制软件s u r f e r 的a c t i v e x a u t o m a t i o n 接口和面向对象的集成丌发工具，将其绘图功能集成到开采沉陷预计应用程 序中，实现了地表移动和变形预测等值线的自动绘制，并对预测结果进行可视化分析。 1 3 课题的研究方向及意义 地表下沉和水平移动是煤层开采后覆岩移动变形向上发展，在地表的反应：地表的移 动变形是覆岩结构和力学性质变化的体现。用岩体力学的方法研究开采沉陷虽经许多学 者的研究但还存在以下几方面的问题有待解决： 1 ) 覆岩移动规律的相似材料模拟试验的进一步研究，控制有环境因素引起的误差， 并对误差进行补偿分析： 2 ) 离层大小，及离层空蒯的动态变化过程的研究。随着注浆减沉工程的进一步开展， 离层的允许注浆量是一个关键数据，工程实际要求研究离层大小的变化。对于注浆减沉 工程来说，需要探索离层的启动、生长、闭合与采空区尺寸的关系与工作面推进度的 关系以及空间发育形态。在这一点上目前的研究还处于起步阶段，也是一个难点： 3 ) 在注浆条件下的离层发育规律及地表沉陷的预计方法： 4 ) 浆液在岩体中的存在状态、分布规律及浆液在岩体中的渗流特性的研究。因为浆 液的主要成分是水，水在岩体中要慢慢渗透，牵涉到浆液在离层中的流动。而浆液在离 层中的分布状态，影响到注浆效果； 5 ) 随着计算机图形技术的发展，使得研究地层运动有可能采用更直观的方法来表 达。g i s 方法是一个方向，它对空间数据和属性数据及研究结果的表现形式直观、形象、 容易实现可视化、图形图像化。 5 山东科拉人学倾l 。学位论立l 绪论 1 4 课题主要研究内容及技术路线 i 4 1 研究内容 1 4 1 1 开采沉陷的相似材料定量模拟实验 环境( 温度、湿度) 控制方案： 相似材料密度控制技术； 注浆减沉时的覆岩离层与沉陷定量模拟实验： 1 4 1 2 注浆减沉现场试验成果的总结分析 各实验面的地表下沉参数分析； 地表沉陷与开采充分程度、注采比的关系； 地表沉陷与覆岩移动的关系。 1 4 1 3 注浆减沉时的地表沉陷预计方法- 曲线形态分析： 沉陷预计理论； 参数的确定方法( 妒、k 的变化规律) 。 1 4 2 技术路线 1 ) 覆岩结构模型与结构力学分析。按照j _ i ：采后覆岩的三种情况进行建模，即：a 地表充分采动：b 地表未充分采动离层层位充分采动；c 离层层位非充分采动。从结 构力学上分析层面变形以及覆岩纵向空间分靠。利用从开滦集团公司唐山矿3 6 9 6 面、 3 6 9 4 而、t 2 1 9 5 丽、1 2 1 9 1 丽及t 2 1 9 2 而测得数掘，结合预计软件。用绘图软件分别绘 出下沉等值线图和平面等值线图，并采用超椭圆法，分析总结地表沉陷有关参数之间的 关系： 2 ) 进行新型的相似材料模拟试验本试验模拟岩层范围是从地表直至煤层以下1 5 m 的底板岩层，几何相似比为c 。= t 4 8 0 ，实验台规格为4 0 0 ，2 8 x 2 0 m 3 的平面应力实验 台。本实验是在恒温恒湿的条件下进行的，实验室已经建成了。试验的目的就是通过控 制温度、湿度和密度，测试出材料的老化曲线，并运用模拟误差补偿理论分析减沉率与 注采比的对应关系。 6 山东科技大学硕士学位论文2 多层位注浆减沉技术的工程实验 2 多层位注浆减沉技术的工程实验 2 1 多层位注浆减沉技术概述 通过工程观测和实验研究发现，覆岩在移动过程中会出现离层带。即在覆岩移动 动态过程中的一定时期内，在导水裂隙带之上，存在着由多个离层面构成的，可用于 注浆的离层带。根据在覆岩移动过程中会出现离层带的学术观点，进一步提出了多层 位注浆减沉技术方法。如图2 ，1 所示。 离层带 裂欧带 冒落带 注浆钻孔 。e = = = 一 = = = 3 。一 ， ， ， ，r， j ， 一 ，v 一缋耩蒸瑟器飘一 图2 1覆岩离层多层位注浆示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm u l t i - l a y e rg r o u t i n gi no v e r l y i n gs e p a r a t i o n 所谓多层位注浆，就是个注浆钻孔穿透离层带内的多个离层，设计成可以同时 向多个离层注浆的钻孔结构。所谓连续注浆，一方面是注浆工艺上，不再定期停泵冲 洗管路与钻孔，另一方面是通过提高电源、注浆泵、管路和供浆系统的可靠性和采用 多层位注浆技术。实现注浆施工的长期连续运行。 多层位连续注浆减沉技术是对原有离层高压注浆减沉技术的重要发展。其突出优 点是：可以适应地层变化。由于地层结构的复杂性，在平面上变化较大，难以保证 单一注浆层位就是最佳层位，而多层位注浆可以保障离层带内包括多个主要离层进行 注浆。可以避免注浆钻孔损坏，多层位注浆，注浆量大，上覆岩层沉陷变形量小， 注浆钻孔所承受的变形量较小，因而能更好地保障注浆钻孔不破坏。可以避免单层 位注浆时的岩层短期闭合。单一层位注浆，一旦因停泵等意外事故，会导致所注浆的 山东科技大学硕士学位论文2 多层位注浆减沉技术的工程实验 离层面闭合，则无法恢复注浆。即使在该注浆层位之上又形成了新的离层，由于注浆 钻孔的结构限制，也难以在上层位注浆。可以实现长期连续注浆，使注浆量提高5 7 倍，减沉效果突出。 2 2 唐山矿t 2 19 5 综放面覆岩离层带多层位注浆工程试验 覆岩离层带多层位注浆实验工程是河北唐山- 丌滦集团公司唐山煤矿开展的，该矿 铁二区是京山铁路煤柱的一部分，宽约7 5 0 m ，长约1 0 0 0 m 。铁二区西北侧为唐山矿 西翼采空区，东南侧为南翼采空区。铁二区采深为5 6 0 7 6 0 m ，倾角1 0 2 0 。主要 可采煤层为5 槽煤和9 槽煤，厚度分别为2 5 m 和1 0 m ，两煤层间距4 0 m ，现5 槽煤 已基本采完。原京山铁路位于铁二区中央上方，铁路走向为西南东北方向。京山 铁路上原有通行车辆大部分已改由新线绕行，为该铁路煤柱的开采创造了条件。铁二 区沿倾斜方向划分为5 个丌采工作面，由南至北( 即由浅部至深部) 分别是t 2 1 9 1 、 t 2 1 9 2 、t 2 1 9 3 、t 2 1 9 4 和t 2 1 9 5 工作面。 2 2 1t 2 19 5 综放面的地质开采条件 t 2 1 9 5 面是铁二区开采的第二个工作面，位于铁二采区的最深部，位于铁路煤柱 的北部，北邻3 6 9 6 、3 6 9 4 、3 6 9 2 采空区，南侧是尚未开采的铁路煤柱t 2 1 9 4 综放面， t 2 1 9 5 综放9 槽煤底板标高为- - 6 8 2 一7 4 6 ，地面标高为+ 1 2 ，采深为6 9 4 7 5 8 m ， 平均采深7 2 6 m 。工作面走向长8 5 2 m ，倾斜长1 1 8 m ，9 槽煤厚度为1 0 m ，煤层倾角2 。 1 9 0 ，平均为1 2 。，煤体容重1 4 8 ，可采储量约为1 3 8 4 x 1 0 4 t 。对于地表而言： d l h o = 8 5 2 ，7 2 6 1 1 7 ，走向接近充分采动，d 3 h 0 = 1 1 8 7 2 6 o 1 6 ，倾向为非充分采 动。对于注浆层位而言，注浆层位高度为2 0 0 3 0 0 m ，平均2 5 0 m ，则有：d 3 h 0 = 1 1 8 2 5 0 。0 4 7 ，即倾向为非充分采动。根据注浆范围的理论分析，离层缝能够长期稳定保持。 t 2 1 9 5 面煤层老顶为灰色细砂岩，厚度1 4 4 2 m ，泥质胶结，水平层理，薄层状， 直接顶为灰色砂质泥岩，厚度3 8 m ，主要成份泥质，含砂质，硅质胶结。伪顶为灰色 泥岩，厚度o 5 m ，成份泥质。直接底为深灰色泥岩，厚4 5 m ，主要成份泥质，泥质 胶结。老底为深灰色砂质泥岩，厚度2 0 m ，泥质，含菱铁质结核，水平状分布。 t 2 1 9 5 面采用综合机械化放顶煤开采，全陷式顶板管理。工作面的开采时间为 2 0 0 2 年1 月2 0 0 3 年7 月，最高日进尺3 9 4 m d ，平均日进尺为2 6 6 m d 。注浆时 间为2 0 0 2 年4 月2 0 0 3 年8 月。 8 山东科技大学硕士学位论文2 多层位注浆减沉技术的工程实验 2 2 2 1 2 19 5 综放面注浆钻孔布置 注浆钻：y l 孑l 位的确定，对于钻孑l 实际注浆量有直接影响，是重点设计内容之一。 确定注浆钻孑l ：y l 位的原则有二：一是有利于注浆钻孔的保护，避免覆岩移动对钻孔的 损坏；二是有利于提高注浆量，节省钻孔工程量。t 2 1 9 5 综放面注浆钻孔的布置充分 考虑了注浆范围、注浆量、钻孑l 的工程量以及地面建筑物的保护等方面因素。 在工作面的走向和倾向上布置4 个注浆钻孔，注浆钻孔位于工作面倾斜长度的中 央，在走向的位置为：开切眼! ! ：4 些l 。孔2 1 2 ：2 也2 4 孔1 9 8 3 m 3 8 孑l1 8 2 ：皿4 4 孔 1 3 41 里墅停采线。布置方式如图2 2 所示： 图2 2t 2 1 9 5 钻孔布置平面示意图 f i g 2 2l a y o u td i a g r a mo f b o r e s 在倾向上布置在工作面倾向的中心，是因为考虑了最大离层在倾向上的偏移。煤层和地层 具有一定的倾角，在倾向上覆岩移动也存在着一个最大下沉角0 ，如图2 6 所示： 0 = 9 0 。一k a = 9 0 。一0 6 1 2 0 = 8 2 8 0 。所以在覆岩离层带中，最大离层位置在煤层上方高度 2 0 0 m 的偏离距离约2 5 m 。这样，如果将注浆钻孔的倾向孔位布置在工作面倾向的中心，则相 当于在离层内偏向上山方向侧，这样布置有利于浆液在离层中的流动，有利于提高注浆量。 _ 、j 峰一下叮 、 。乜l 。| 当h = 2 0 0 m 时。d = 2 5 m 图2 3倾斜剖面上离层中心点偏移示意图 f i g 一23s e c t i o n a lv i e wf o r t h eo f f s e to fb e d s e p a r a t i o n sc e n t e r 些查型垫查堂堡主兰垡笙壅 ! 兰星垡鎏整堡姿垫查竺三堡壅墼 根据理论分析和以往的工程实践确保注浆工程的安全实施，t 2 1 9 5 工作面注浆 层位的下限为埋深5 3 8 米的砂质粘土岩，至9 煤顶板距离为18 9 米，注浆段长度为1 1 0 米。为了适应地层结构的变化，各个注浆钻孔的终孔深度比最下一个离层层位低1 0 米。 注浆钻孑l 终孔深度为5 1 1 5 3 l m ，注浆段长度为1 1 4 m 。 设计充分采动之后的减沉率为4 0 ，注入干灰总量2 8 9 1 0 4 吨，压实灰体积为 2 0 1x1 0 4 m 3 ，注采比为2 5 0 ，t 2 1 9 5 面采后地表处于非充分采动条件下的地表减沉 率为5 4 5 。预计不注浆条件下的采后最大下沉量为2 0 3 4 m m ，注浆减沉后的地表最 大下沉为9 2 5 m m 。 2 2 3 注浆量、注浆压力和注采比 t 2 1 9 5 综放面各注浆钻孔的注浆时间、注浆量和注灰量如表2 1 。其中2 ”孔单孔注浆 量超过4 8x1 0 5 m 3 ，注入压实灰量超过1 0 5 m 3 ，创下新的最高纪录。 t 2 1 9 5 综放面各注浆钻孔的注浆压力变化曲线、注浆量变化曲线和每月注灰量如图 2 4 图2 7 所示。 表2 1 从开始注浆到注浆结束。各钻孔注浆量、注灰量 ! ! ! ! ! ；：! m ! g ! ! 韭! ! ! ! ! 型! ! 堡型! 坐! ! g 独! 熊! ! ! 熊塑! 笪! 孔号注浆时间注浆量灰浆比浆液容重注灰量注采比工作面推 ( m 3 )( ) ( f f m 3 ) ( m 3 )( ) 进距离( m ) l 2 0 0 2 4 j 焉癸7 2 仉3 3 5 9 2 8 2 3 7 41 1 3 16 9 7 9 2 5 2 4 32 8 9 3 2 2 0 0 2 7 2 磊璎2 1 2 1 7 4 8 4 7 2 62 5 1 61 1 3 81 0 6 7 1 6 24 3 62 4 7 0 3 2 一1 0 3 - 6 - 2 天0 0 3 舢1 7 7 8 6 3 2 6 3 71 1 4 58 8 8 8 3 5 2 2 2 1 8 5 - 3 4 2 蚴一6 2 0 - 2 天0 0 3 砌1 5 3 5 9 1 2 4 2 61 1 3 53 2 8 7 4 1 6 7 14 9 4 总计3 9 2 天 11 5 2 t 0 82 4 8 41 1 3 72 5 0 4 3 0 13 18 1 5 3 o 山东科技大学硕士学位论文 2 多层位注浆减沉技术的工程实验 4 3 2 0 p q , r 曲 4 月ie 3啊日5 3 j 3 1 h v j ( m 3 d ) 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 图2 4 ( a ) t 2 1 9 5 面l “孔注浆压力变化曲线 f i g 2 4 ( a ) c h a n g ec h i v eo f g r o u t i n gp r e s s u r ef o ri 8 b o r ei nt 2 1 9 5 7 月拍日 m 叶1 4 月1 日5 月1 日5 月3 1 日6 月3 0 f t7 月2 0 日 图2 4 ( b ) t 2 1 9 5 面1 4 孔注浆量变化曲线 f i g 2 4 ( b ) c h a n g ec u i v eo f g r o u t l n gm a g n i t u d ef o r1 b o r ei nt 2 1 9 5 v 灰( m 3 ) 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 25 6 6 1 l 6 2 5 1 7 3 1 1 i 1 1 6 8 3 6 il ；， 。|l_ 图2 4 ( c ) t 2 1 9 5 面1 4 孔每月注灰量 f i g 2 4 ( c ) t h em a g n i t u d eo f f i n ec o a la s hf i l l i n gt h r o u g h1 4b o r eo f e v e r ym o n t hi n 1 2 1 9 5w o r k i n gf a c e 山东科技大学硕士学位论文2 多层位注浆减沉技术的工程实验 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 3 2 0 外压 7 乒j 2 2 日 8 月3 1 日 9 月3 0 e ll o c i 3 0 日1 1 月2 9 日 1 2 月i ? 日 图2 5 ( a ) t 2 1 9 5 面2 4 孔注浆压力变化曲线 f i g 2 5 ( a ) c h a n g ec h i v eo f g r o u t i n gp r e s s u r ef o r2 4b o r ei nt 2 1 9 5 7 月2 2 e 8 月3 1 日0 h 3 0 f i o ) 日3 0 b 1 1 月2 9 日1 2 月1 7 e l 图2 5 ( b ) t 2 1 9 5 面2 4 孔注浆量变化曲线 f i g 2 5 ( b ) c h a n g ec u r v eo f g r o u t i n gm a g n i t u d ef o r2 4b o r ei nt 2 1 9 5 v 女( m 1 ) 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 o 2 13 “ _ 1 ： 6 i 6 4 1 5 8 i 9 5 2 3 6 图，i l _ i 山东科技大学硕士学位论文 2 多层位注浆减沉技术的工程实验 p ( m p a ) 3 2 5 2 1 5 l 0 5 0 2 0 0 3 年1 月1 0 日 2 , 9 9 日 3 , 9 1 2 日4 月1 1 日 图2 6 ( a ) t 2 1 9 5 面3 4 孔注浆压力变化曲线 f i g 2 6 ( a ) c h a n g ec t u v eo f g r o