煤矿开采冒落区注浆充填量预计研究专题报告

煤矿开采冒落区注浆充填量预计研究摘要：煤矿采场冒落区注浆充填是全新的采煤方法，可以有效地解决特殊条件下的煤层开采问题。利用这项技术的一个首要问题就是注浆量的预计研究。基于此，本文分析了煤矿各类冒落区注浆量的预计方法，以及影响采场冒落区注浆量的影响因素。从采场冒落区顶板活动规律和岩块碎胀系数变化规律出发，提出将冒落区分为F型和S型两种类型，并针对两种类型冒落区形态，给出不同的预计思路。提出了冒落区注浆量预计的新方法伪注浆预计法，将此法的预计值作为注浆工程的理论预计值。关键词：煤矿；冒落区；充填；注浆量；碎胀系数；伪注浆预计法1 绪论1.1 问题的提出与研究意义我国一次性能源消耗中，煤炭占70%左右，且未来50年仍然是我国国民经济发展的重要能源。未来几十年内，我国以煤炭为主体的能源结构不会改变，煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展1-3。同时，目前我国煤炭工业面临着环境破坏与资源枯竭两大问题。在煤炭为我国工业发展做出巨大贡献的同时，也带来了一系列环境问题。现阶段我国煤炭开采形成的问题主要有：(1)对土地资源的破坏和占用；(2)对水资源的破坏和污染；(3)对大气环境的污染。尤其是半个世纪以来高强度煤炭开采引起的地表沉陷不仅破坏了生态环境，也对地表建（构）筑物造成较大损害。同时，随着矿井储量逐步减少，煤炭资源枯竭问题日益突出。而在我国生产矿井中，“三下”压煤量约为140亿t，其中建筑物下压煤约为90亿t4。这些煤层大多分布在工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达的东部地区。因此，研究建筑物下煤层开采问题具有重大战略意义。为了解决这些因煤炭开采引起的社会、环境问题，钱鸣高院士先后提出了绿色开采3与科学采矿5理念，并且在其领导之下形成了一整套绿色开采理论与技术。其中，充填开采就是为解决开采沉陷问题而提出的绿色开采技术之一。它是建筑物下压煤开采的最理想技术途径，其优点是煤炭资源的回收率高，能最大限度解放常规开采方法无法采出的煤炭资源。按充填量和充填范围占采出煤层的比例，煤矿充填开采方法可分为：全部充填与部分充填4, 6。采空区全部充填开采就是在地下煤层采出后，顶板尚未垮落前，从采场外部运来充填材料充入采空区形成充填体，完全靠采空区充填体阻止顶板垮落，支撑围岩。煤矿全部充填大致包括以下三个阶段：干式充填；水砂充填；膏体充填。但由于受成本高、充填工艺复杂等因素的制约，全部充填法并没有在煤矿中得到推广应用。部分充填开采，是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，靠覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。全部充填的位置只能是采空区，而部分充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。由于降低充填成本是煤矿充填开采技术研究的关键问题。而研究部分充填开采技术，减少充填材料的用量和充填量，是降低充填成本的重要技术途径。为此，结合煤系矿床岩层特点，许家林等人提出了三种煤矿部分充填开采技术，即：采空区膏体条带充填、覆岩离层分区隔离注浆充填、条带开采冒落区注浆充填。煤矿部分充填技术是完全符合煤炭资源开采与环境相协调的绿色开采理念，它扩大了煤矿开采沉陷控制技术的应用领域，在三下煤层开采中具有广泛的应用前景，同时也为煤矿充填开采增加了新的研究内容。目前由于对煤矿部分充填减沉机理及相关理论缺乏系统的研究，使得充填工艺达不到工程实际要求，往往造成工程失败和充填成本浪费。因此，有必要对部分充填技术的相关理论开展研究。冒落区注浆充填是在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前注入浆液予以充填，充填材料加固冒落岩块后，一起支撑上覆岩层，起到减缓地表沉陷的作用。该技术的价值体现在以下三个方面7-9：一是作为一项地表沉陷控制措施，对地表沉陷进行控制；二是充填材料选用粉煤灰、煤矿粉碎岩石等工业废物，实现工业废物的地下安全处置，对减少粉煤灰场占用的耕地及环境污染，有重要意义；三是该技术充填作业不干扰井下采煤生产，工艺简单、有利于井下通风和防止冒落区火灾，对实现煤矿安全、高效生产有促进作用。由于采煤方法的不同，冒落区充填可以分为长壁开采冒落区注浆充填、房柱式冒落区注浆充填和条带开采冒落区注浆充填。为了能够在现场成功应用推广冒落区注浆充填开采，必须首先确定注浆量，而目前尚无有效的预计方法，为此开展的相关工作也相对较少。研究冒落区注浆量有以下重要意义：（1）能为冒落区注浆工程合理预算提供依据，使得充填开采可行性评估更加准确。（2）在实际注浆充填工程中，注浆量是注浆终止的一个重要判别条件，只有准确地预计出注浆量，才能有效控制注浆工程的实施状况。（3）注浆量的多少关系到注浆充填效果的好坏。若注浆量过少则达不到充填减沉、保护地表建筑物目的；若注浆量过多，则会大大增加充填成本，使煤矿企业因经济上无法承受而放弃使用该项技术。因此，合理进行注浆量预计是进行冒落区充填开采的重要前提之一，故本论文的研究具有重要意义。1.2 文献综述1.2.1 岩体微裂隙注浆量预计岩体注浆法就是利用压送的手段通过注浆钻孔或注浆管把具有一定凝胶时间的浆液（即主剂、溶剂、和外加剂的液态混合物）注入到岩体裂隙中，浆液凝结后充填在岩层裂缝中，使岩体的物理力学性质得以改善，这种通过注浆来改变岩体状况的方法称为岩体注浆加固工法10。在自然界的岩体中存在着各种地质成因的裂隙，岩体本身可视为岩块与交切裂隙所构成的地质体。裂隙的几何分布特征、交切形式及其物理力学性质对于各种岩体工程影响巨大，它是产生强度破坏或大量涌水的症结所在。注浆正是利用岩体裂隙存在的特征，将所注液体有目的地压入地层，通过浆液在裂隙中流动、凝胶，实现对岩体裂隙的封堵，达到控水、增强的目的。因此对于浆液在裂隙中扩散情况的研究是至关重要的。就注浆研究现状来看，由于土体颗粒分布的相对均匀性，使其模型建立相对容易，在理论及实验中己得到较好的模拟。而岩体裂隙注浆只能对单一裂隙或均匀分布的裂隙进行模拟实验，难以反映现场复杂的裂隙分布情况。采用传统的参照土体颗粒分布的相对均匀性，岩体单一裂隙或均匀分布裂隙实验室模拟、工程类比等方法等进行模拟分析，模型难以反映现场真实复杂的裂隙分布情况，其注浆量的预测与实际用量相对偏差很大 。基于上述情况，东北大学郝哲利用蒙特卡洛法（Monte-Carlor）模拟了岩体裂隙分布，并根据山东莱芜铁矿谷家台矿区现场注浆实践，编制开发了一套反映裂隙岩体中注浆扩散情况的计算机模拟程序，弥补了裂隙注浆现有理论及实验方法的不足，为工程设计提供更为可靠的依据11。在此基础之上，东北大学王述红提出一种用于岩体微裂隙注浆预测的新方法遗传神经网络法12。即用遗传算法优化神经网络结构，提高神经网络预测能力的新方法。实际工程实例表明，该方法具有预测速度快、精度高、实用性强的特点，是注浆量预测的有效方法。其特点是利用人工神经网络的高度非线性映射能力，并用遗传算法优化神经网络结构，提高神经网络预测的精确性。在位移反分析、钻孔裂缝产状确定等方面已有应用，工程实例中对山东莱芜铁矿谷家台注浆工程的实践进行预测。应用遗传神经网络方法预报现场注浆量，可提供重要的注浆材料需求信息，以便进行注浆的优化设计，只要根据具体问题更换模型训练样本数据集、优选适当遗传神经网络结构，就可以获得相应的注浆量预测值，遗传神经网络方法在地下工程注浆量预测预报中具有广泛的应用前景。1.2.2 离层注浆防治地表塌陷的注浆量预计由于地下煤层的大量采出，导致岩层移动向覆岩及地表传播造成了地表塌陷区形成。覆岩离层区充填减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，从钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。离层充填与采空区充填的不同在于充填区是上部岩层，充填工作不会干扰井下工作面的生产13。辽宁工程技术大学杨逾通过对下沉盆地及注浆以后地表实际下沉状态的研究，提出注浆液在孔底以“点源式异向优势”流动模式扩展14。当浆液充填物中水份滤失以后的沉淀物受力时，把可注浆离层带变成一个含有类岩体夹层的有效应力支承层，于是改变注浆层的应力状态，阻止或减缓了上位岩体的进一步弯曲下沉，最终减缓地表下沉。整个注浆系统由注浆井、注浆站和注浆管路组成。而在系统确定之前必须对注浆量和泵压两参数进行计算。经过对离层注浆机理的深入研究，杨逾提出注浆量的两种计算方法14，即地表沉陷影响函数法和开采影响函数法。在此过程中引入了两个参数：充填离层的分布形态系数K2和塌陷速率J(t)。根据同一坐标系中的P-t曲线和V-t曲线，可进行注浆量的计算以及估计在整个注浆过程中的耗能量（由P- t曲线和t轴所成的曲边梯形可得）。地表影响函数法的方法如下：根据地表沉陷区的体积，考虑一定的沉陷率，并经过充填离层的分布形态系数修正，最终得出需要注入的灰浆体积公式如下： ( 11 )式中Vz需注入的灰浆体积，m3；Wmax地表最大下沉量，m；L计计算盆地走向长度，m；l计计算盆地倾向长度，m；K1减沉率；K2充填离层的分布形态系数，一般为0.30.7。其中，L计工的计算公式如下：L计L-S0 ( 12 )式中L下沉盆地走向长度，m；S0走向拐点偏移距，m。l计l-S1 ( 13 )式中l下沉盆地倾向长度，m；S1倾向拐点偏移距，m。此方法可以在预计地表下沉后，根据设计要求和特定岩性算出需注入灰浆量，适用于采区工作面开采后预计地表下沉盆地形状较规则的条件。开采影响函数法的主要步骤如下：首先计算日采出煤层体积，据此计算出日地表塌陷体积，据此确定日需注浆量，最后根据积分法确定出的注浆总量公式为如下： ( 14 )式中V注浆总量；塌陷率，一般取0.50.7；Vc日开采煤层体积；工程要求的目标减沉率；滤失以后的浆体在岩层中的压缩系数；浆液的滤失系数；J(t) 塌陷速率；K浆液常注量；t1起始计算时间；t2终了计算时间。注浆泵流量与泵压与时间的关系如图 11所示，分别是曲线v-t和p-t。则注浆总量即是曲线v-t与时间轴t之间所围成部分的面积。图 11注浆压力和注浆体积与时间t的关系需要指出的是，以上研究所得两种计算方法的前提都是必须进行地表下沉的预测计算。因此，对于注浆量的计算确定，地表下沉预测计算非常重要。另外许多参数在选取之前必须对具体情况加以研究。辽宁工程技术大学张向东则认为离层注浆量的预计按以下步骤进行计算15：先计算煤层采出后留下的空间体积，而后预计地表正常盆地体积，最后确定注浆总体积。计算公式如下： ( 15 )式中QZ充填注浆总量煤层开采后留下的空间体积；K充填系数，一般取0.71.0；LZ采区走向长度；LQ采区倾斜长度；M煤层实际开采厚度；Mch充填法开采时充填体被压实后的高度；VD预计地表下沉盆地的体积。1.2.3 断层冒落带的注浆量预计在井巷掘进过程中，若接近或通过断层破碎带，则有可能造成巷道冒顶，导致断层冒落带的形成。由于顶板冒落，易造成支架破坏、人员伤亡，威胁安全生产。部分断层受采掘活动影响之后活化，易形成导水通道，造成井巷突水。因而，在这种情况下，通常需要对断层冒落带进行注浆加固或者堵水，从而消除安全隐患，使生产正常进行。文献16介绍了越南冒溪煤矿断层冒落带的注浆过程，给出了注浆量的预计公式，并将其与实际数值进行了对比，对于煤矿采场冒落区充填量预计具有一定参考意义。现简述如下：越南煤炭总公司直属的冒溪煤矿年产0.53Mt，是越南的大型煤矿。其处于施工的友谊井设计能力为年产0.6Mt，该井的井底车场已经建成，当施工至-80m水平西北石门巷道，掘进进入FA断层12m时，发生了突水、冒顶、坍塌，最大涌水量100105m3/h，涌出泥砂及碎石块达1550m3，充塞巷道长度达90m。西北石门-80m水平(地面标高+30m)巷道，掘进至接近FA断层前，穿过V7煤层。该煤层厚0.8m，顶板为遇水膨胀的泥岩，厚7 7.5m。FA断层为正断层，倾角75，宽度2025m，含水，上、下盘岩层影响带均已风化破碎。巷道掘进进入FA断层12m时，断层有零碎的中颗粒和粗颗粒砂岩，局部有泥砂岩晶状体，断层带中有砂岩、泥岩和煤泥岩(具可塑性)充填物。在18T和V1钻孔做了抽水试验，透水系数K=0.4330.73m/d，为弱透水层。地质勘探时FA断层交接面的钻孔水位高出孔口5.113.7m，为承压水。针对上述情况，采用了地面注浆堵水加固的处理方法，最终成功地解决了该问题。其地面注浆钻孔施工如图 12，所有钻孔布置相结合，将-80水平巷道通过断层带附近的部分用水泥浆加固成一个25m16m30m的近似长方体区域。其注浆总量预计采用公式( 16 )： ( 16 )式中Q预计注浆总量，m3；A超扩散系数，取1.5；L注浆孔排间距，m；R浆液有效扩散距离，m；B注浆固结长度，m；H注浆段高度，m；层平均裂隙率，取10%；岩层裂隙充填系数，取95%。图 12注浆钻孔施工布置图按上述注浆钻孔布置方案并用上述公式进行计算得原设计水泥浆注入量为2112m3，实际注浆过程中注入水泥浆2039m3，是设计量的99.1%，与原数据非常接近。文献17在处理巷道遇断层冒落带时采用了单孔注浆量的计算公式如下： ( 17 )式中A损耗系数；R有效扩散半径，m；L注浆段长，m；n受注岩体孔隙率，%；B浆液充填系数。再根据注浆钻孔的布置，从而确定总的注浆量。由于冒落体的不规则和空隙的不均衡，浆液不可能均匀渗透，同时又要求不会沿大的通道跑走而造成材料浪费，故需要对每孔的注浆总量做一个上限设置。1.2.4 软岩巷道冒落区注浆量预计软岩巷道稳定性控制一直是困扰矿山生产和建设的重大问题，尤其是当地质条件复杂，断层破碎带集中，且受构造应力影响严重时，软岩巷道极易失稳，顶板冒落，松动范围不断扩大并向巷道顶板上方抽冒，沿巷道轴向发展，导致整条巷道垮落冒顶直至报废。采取注浆固结修复技术是一项处理软岩巷道冒落区的有效方法。中国矿业大学熊伟基于渗透注浆理论和分形理论，讨论了软岩巷道冒落区注浆时的注浆压力、流量等因素，同时讨论了冒落区孔隙率的统计计算方法18。并通过工程实例表明注浆是一种通过冒落区的有效办法。他在文献中介绍到注浆量采用单孔预计方式，即对每一个注浆钻孔进行注浆量预计，工程实例表明，这种预计方式与实际注浆时的注浆量非常接近。其预计方式如下：首先在现场取样的基础之上通过分形理论计算冒落区孔隙率，如下式； ( 18 )然后确定单孔的注浆半径，半且考虑多孔注浆时孔间相互影响确定浆液扩散半径；最后根据浆体在孔隙中的相关渗透理论计算单孔注浆量。1.2.5 采场冒落区注浆充填量预计采场冒落区是指由覆岩“三带”中的垮落带岩层弯曲、下沉、断裂破碎后冒落形成的区域，是由破碎的岩块和岩块之间的空隙组成的混合堆体。通过对采场冒落区进行注浆充填，可以有效地加固冒落区矸石堆体的稳定性，从而对上覆岩层直到更大的承载作用以减缓覆岩移动向地表传播，达到保护地表建筑物的目的。由于德国对于煤炭开采引起的环境问题非常重视，故冒落区注浆充填在上个世纪首先由德国进行试验研究19。试验在中厚煤层的开采中进行。在支架后面设置牵引管，用来在移架时牵引其后面的充填管路。注浆管位置采用了顺走向沿煤层底板铺设的方式。注浆工作沿工作面推进方向分段进行，这样实施的目的在于使覆岩形成最大的冒落拱及最大冒矸体积。同时使注入冒落矸石空隙中的充填体有较长的凝固时间，以形成对上覆岩层的支撑体，并为下一个冒落拱的形成创造条件。目前，国内对于这一技术的相关理论，已经开展了一些工作。煤科总院王建学在文献7, 8中进行了冒落区注浆充填的可行性研究与论证，提出冒落矸石空隙注浆胶结充填技术是一种新的减沉措施，与传统的采空区充填不同。冒落矸石空隙注浆胶结充填技术指的是在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前及时地注入浆液予以充填，充填浆液与冒落矸石胶结后，共同支撑上覆岩层。他在其博士论文19中提出冒落区注浆量按采出煤层体积的0.50.7倍进行预计，并根据此原则进行了金桥煤矿冒矸空隙注浆充填工业性试验。但是，对于0.50.7倍煤层体积这个预计量，王建学并没有给出相关依据，也没有具体预计公式。辽宁工程技术大学杨逾将冒落区矸堆与充填体称为“混合体”。基于混合体对顶板的支撑作用，并运用关键层理论，他提出了一种充填体积与地表下沉量之间换算的方法，从而达到求解注浆充填量的目的20。求解的理论过程概述如下：假设工作面推进L，工作面倾向长度为a，煤层开采厚度为h。在简化的情况下，假设只有直接顶冒落，直接顶厚h顶，直接顶冒落的长度与工作面推进长度相同，如图 13所示，图 13直接顶冒落前后的理想模型则有，采空的煤层体积为： ( 19 )冒落的顶板体积为： ( 110 )顶板冒落下来的体积： ( 111 )式中顶板岩层的碎胀系数。填充后的总体积为： ( 112 )式中V充垮落带中填充的浆体体积；填充后体积的压缩系数，可根据试验测定。经上部岩层压实后的高度为： ( 113 )由于直接顶的冒落，失去了对上覆岩层的支撑作用，导致上部岩板发生弯曲变形，假设上部岩板的最大弯曲变形为h，此时上部岩层与注充后的垮落带充分接触，垮落带注充后形成的“混合体”对上部岩层产生一定的支撑作用，根据连续性条件有： ( 114 )此值即为上部岩板的最大挠度。根据杨逾文中所讨论的薄板、中厚板及厚板理论分析即可求解所需未知量。假如要控制一定的岩层移动位移，即h已知，可求得h压，根据h压的关系即可求解所需的填充体积。上述关系是在理想状态下分析的，在实际煤炭开采过程中，无法达到上述各式成立的严格条件，因此需要对各个参数进行修正。论文中同时给出了相应的修正解。这种方法的不足之处在于所以建立模型过于理想化，即垮落带岩层顶板之上直接就是一层关键层，这种模型适应范围较小。同时，他没有讨论冒落区的最大注浆量预计问题。中国矿业大学李兴尚在其博士论文21中对建筑物下条带开采冒落区注浆充填做了详细的论述，其中关于注浆量预计有专门章节予以论述。他所建立的是基于分形理论的Menger海绵模型，用来对采场冒落区进行空隙模拟，并给出了冒落区空隙率的计算公式如下： ( 115 )式中0冒落岩块密度；破碎岩块堆体松散体积密度；D冒落岩块的分维数；rmax，rmin冒落岩石特征尺寸的最大和最小值；其中，冒落岩块的分维数计算公式如下， ( 116 )获取其它几个原始数据0、rmax、rmin的方法在论文中都有详细论述。由此，就可以算出冒落区岩块的空隙率，再根据冒落区体积即可求出空隙体积。该空隙体积值即做为注浆量的预计值。论文同时给出了一个工程实例进行验证，结果在一定程度上相吻合。值得注意的是，作者将空隙体积做为注浆体积的一个前提是空隙必须全部可注，但这是不符合实际的。故此种方法在一定程度上存在问题，可能导致预计量偏大。1.3 主要研究内容及研究思路1.3.1 主要研究内容(1) 相关文献的综述对有关冒落区注浆或其它类型注浆时的注浆量预计文献进行研究、综述，通过分析明确目前的研究现状。(2) 建立冒落区注浆量预计模型对不同采场冒落区形态进行归类；研究冒落区注浆量的影响因素；建立采煤工作面冒落区注浆量预计模型。(3) 确定冒落区注浆量预计方法确定以所建立模型为基础的预计方法、步骤；研究确定相关参数的方法。1.3.2 研究思路(1) 在对已有文献的研究、综述基础之上，分析冒落区注浆充填量预计的影响因素。(2) 通过理论分析建立冒落区模型并对其进行分类，并对每类冒落区注浆量进行分别预计。(3) 在现有预计方法的基础之上，结合冒落区注浆影响因素提出新的预计方法。(4) 通过理论分析研究确定注浆预计公式中的相关参数。2 冒落区注浆量的影响因素由于开采沉陷引起的岩层移动在时空分布上极其复杂，且冒落区形态又为一灰色模型，因此在进行注浆工程设计时，要把注浆量计算得非常准确是很困难的。冒落区注浆量受以下因素影响8：(1) 冒落高度越大，冒矸越多，碎胀扩容体积越大，可能注入的浆量越多。(2) 直接顶和老顶越硬，悬顶时间越长，顶板冒落后，冒矸不被压实的时间越长，注浆时间越长，可能注入的浆液越多。实际工程中，注浆量与注浆目的、注浆参数、注浆地层特性及注浆材料等因素密切相关，是一个难以确定但又十分重要的注浆参数指标。冒落区破碎岩体由于其空隙大小、分布难以推断，故空隙赋存特征成了影响其注浆量预计的重要因素。破碎岩体中影响浆体注充量的主客观因素很多，主要的客观因素有：破碎岩体孔隙率，岩体碎胀系数，岩体轴向应力。关于这几项影响因素的探讨详见文献20，在此仅做简要综述。值得注意的是，注浆工艺对注浆量也有很大影响作用。2.1 岩体孔隙率孔隙率是描述岩石物理、力学、渗流等特性的重要参数。因此，研究破碎岩体压实过程中孔隙率的变化规律具有重要的工程价值。孔隙率是指介质在破碎状态下颗粒间的孔隙体积与总体积之比。根据孔隙率的定义，可以看出在恒定压力的作用下，孔隙率几乎决定了注浆量的大小。根据破碎岩体孔隙率与轴向压力的关系，可以看出在压力最小，即顶板破断垮落挤压垮落带以前的单位时间注充量是最大的。冒落区破碎岩体的压实过程也是孔隙率逐渐减小的过程，因此孔隙率随压力增大而减小的过程中，粉煤灰浆体的注入量也就随着减少。根据试验数据，注浆量和孔隙率的关系曲线拟合如图 21所示。因为不管影响因素如何改变，它们只影响浆体在单位时间内的注入量，而整个过程中浆体的绝对注入量是持续增加的，所以讨论注充量的时候我们采用了注浆量与垮落带体积之比表示，同时也处理了量纲的不一致问题。图 21注浆量和孔隙率的关系曲线2.2 岩体碎胀系数岩石破碎以后的体积将比整体状态下的有所增大，这种性质称为岩石的碎胀性。岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于碎胀状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积比来表示，该值称为碎胀系数。冒落带破碎岩体当中注浆量的存在与岩体的碎胀性是必然的关系。若在不考虑冒落带与老顶之间空隙的情况下，只有岩体破碎膨胀特性的存在，才能对冒落带进行注浆充填。岩体的碎胀系数KP一般情况下为1.121.65，即使这样粉煤灰浆体也不能完全充满冒落带。根据试验数据，由于破碎岩体岩块的块度不同（试验时为粒径的不同），在粉煤灰浆体带压情况下最多只能充填碎胀体积的6090%。2.3 岩体轴向应力根据相关文献结果20，在破碎岩体进行压实试验时得出：孔隙率n随着轴向应力的增大而减小，其趋势和注浆量与破碎岩体轴向应力的关系是一致的。破碎岩体加载初期，孔隙率较大，但是在引力作用下减小的幅度很大。因此，此时相对单位时间内注浆量最大，但是减小的幅度也较大。随着应力的增加，孔隙率减少，相对单位时间的注浆量也减小，但是绝对的注浆量在增加。当压力较大时，孔隙率随压力的变化相当微小且趋于一稳定的残余孔隙率值，此时增加注浆量己经很难。在应力状态相同时，粒径越小，孔隙率越大，但是由于此时孔隙的形态不同于大粒径时的孔隙，反而不利于注浆。在冒落区注浆工程中，轴向应力也体现了矿压的影响作用，对于确定有利的注浆区域和注浆时机具有重要意义；而不同注浆区域的碎胀系数是不相同的，故又进一步影响了注浆量。2.4 注浆工艺注浆工艺对注浆量的影响主要体现在注浆管路布置方式、注浆钻孔布置方式与注浆压力等方面。如随采随充和间隔式滞后充填；底板敷设管路充填与采用上位注浆巷道钻孔充填时，最大充填量都是不相同的。同样，注浆压力不同时，也影响着注浆量。在钻孔注浆充填时，尽管可以预计出注浆总量，但对于工程实践中，单孔注浆量显得更有意义，是该钻孔注浆终止的判别条件之一。基于此，可以通过注浆钻孔的布置及单孔注浆量的设计来进行注浆总量的预计。即后续章节所提出的“伪注浆预计法”。3 冒落区模型建立从采场顶板结构及其活动规律出发，对于采用垮落法管理顶板的采场，建立如下冒落区模型图：图 31冒落区模型图示为采场顶板结构和采煤工作面推进至距开切眼一定距离后采空区顶板冒落状态。随着工作面向前推进到一定距离，采场直接顶开始断裂、冒落，在自重作用下在采空区底板碎胀型堆积，并对采空区进行了充填。由于岩体碎胀性的存在，使得冒落岩块扩容，从而在岩块之间形成空隙及相关结构。对于不同岩性、结构的采场顶板而言，冒落岩块对采空区的充填程度是不相同的。当直接顶碎胀系数较大且岩层较厚时，其垮落之后就有可能充满采空区，从而对老顶形成较好的支撑作用；但是当直接顶碎胀系数较小、岩层较薄时，其垮落之后便不能充满采空区，从而在冒落岩块与老顶之间形成离层空间，如图 31所示情形。由于浆液在离层空间和岩块空隙之间的可注性及扩散特征不同，造成注浆量的预计方式在二者之中也不相同，从而可将上述模型分为两种情况讨论：冒落岩块与顶板之间存在离层空间；冒落岩块充满采空区且与顶板接顶良好。为了能够在实际应用中区分这两种不同情形，必须首先根据现场顶板条件进行冒落区状态判别。3.1 冒落区形态分类图 32如图 32所示，煤层厚度为M ，直接顶厚度为h，直接顶碎胀系数为KP，则离层空间高度为： ( 31 )令h为零，可得充满采空区的理论直接顶岩层厚度h为： ( 32 )实际垮落带直接顶厚度h，则有：（1）h=h：直接顶厚度刚达到理论值时，此时恰好能充满采空区（2）hh：直接顶厚度超过时，此时只需部分直接顶垮落落就能充满采空区。（3）hh：直接顶厚度小于理论值时，垮落后不能充满采空区。关于此处的计算，详细内容参见文献13, 22的论述。据此，可根据冒落岩块对采空区的充满状态进行冒落区分类。为了便于叙述和研究，这里将（1）（2）两种情形对应的冒落区称为“充满型冒落区”，记为F（Full）型冒落区；将（3）情形对应的冒落区称为“离层型冒落区”，记为S（Separation）型冒落区。3.2 碎胀系数KP的确定不同岩性岩层垮落之后其碎胀系数是不相同的，甚至同一种岩性的岩层在不同矿区其碎胀系数值也不相同。对于某一确定的采场顶板而言，直接顶的每一分层各有一个与之对应的碎胀系数值，但是彼此相差一般不是很大，其值一般在1.331.5之间。为了将各层岩层冒落后的岩块作为一个整体进行分析，可以按岩层厚度对碎胀系数作加权平均处理。即，垮落直接顶岩层的碎胀系数平均值为： ( 33 )关于各岩层碎胀系数的取值，可采用各矿区的经验数据，如果没有此数据，可以参考下表8, 23, 24进行选择：表 31岩层碎胀系数参考值岩石名称碎胀系数初始(刚破碎)残余(压实后)砂1.061.151.011.03黏土1.201.031.07碎煤1.201.05粘土页岩1.401.10泥质页岩1.401.10砂质页岩1.601.801.101.15硬砂岩1.501.80一般软岩石1.020一般中硬岩石1.31.51.025一般硬岩石1.31.51.030据前述碎胀系数与注浆量的关系知，KP越大，冒落矸石堆体可注浆量越大。而KP与工作面推进距是有关系的，据相关文献研究25-27，提出将二者归结为一线性关系。据此，给出下列公式描述碎胀系数的动态变化规律： ( 34 )式中KP为初始最大碎胀系数；KP为残余碎胀系数；L冒落区矸石压实步距，m；LP充分碎胀推进距，m ；K(x)滞后工作面x处冒落岩块的碎胀系数。根据此公式，可以得出在一定注浆孔间距LZ下的冒落区矸石的平均碎胀系数，并将其作为注浆量公式中的KP值。即： ( 35 )如当KP1.35，KP1.05，L30m，LP=0，Lz=15时,则有碎胀系数变化规律方程：K (x) =1.35-0.01x由此求得，平均碎胀系数为：3.3 冒落岩块与顶板之间存在离层空间冒落区与老顶之间存在离层空间时，若注浆充填及时且离层高度较大，则老顶的挠曲变形不至于接触到冒落岩块，故不会对矸堆的碎胀系数产生影响。此时，可视冒落区碎胀系数为一定值，虽然其随时间有一定变化，但该变化值可以忽略。故碎胀系数的变化规律不适用于此种类别冒落区。此时，冒落区注浆量的计算公式为： ( 36 )式中V注冒落区注浆总量；V离离层空间体积；V矸冒落区矸堆中最大注浆量；冒落区矸堆的可注充系数；KP冒落带岩层碎胀系数；V顶冒落带岩层的初始体积。 ( 37 )式中V采采出煤层体积；Vh由裂隙带老顶下沉引起的离层空间体积减少量。由式( 36 )可见，若冒落区岩块无法充满采空区时，KP越大，则冒落带岩层冒落后体积越大，故V离越小；其减小的量并入到冒落区矸石堆空隙体积中，但这部分体积并不完全可注，其中存在一个可注充系数。由此得出如下结论：当冒落区与上覆岩层存在离层空间时，整个冒落区的最大注充量是随着冒落矸石碎胀系数（与顶板条件有关）的增加而减小的，但并不会无限制的减小。但是就冒落矸石堆中，浆体的充填量是随着垮落岩体碎胀系数的增加而增加的。3.4 冒落岩块充满采空区顶板不存在离层空间时，则冒落区矸堆受老顶弯曲、下沉以及断裂影响，其碎胀系数发生动态变化。由后面章节确定的注浆方案知，钻孔注浆是在滞后采煤工作面一定距离进行的，此时受注区域的碎胀系数已受到覆岩顶板作用而发生变化，故需要研究确定碎胀系数的变化规律。此时，由于不存在离层空间，故注浆总量的计算公式为： ( 38 )式中考虑碎胀系数变化而取的平均值。4 冒落区注浆充填量的预计方法4.1 伪注浆预计方法概述4.1.1 基本思想对同一冒落区而言，其最优可注浆量客观上是确定的。不论实际工程中采取哪种注浆方案，目的都是能尽量多地注入充填浆体，以达到更好的减沉效果。故假设在不同注浆方案下，注浆量均能向最优值逼近。基于此，采用一种优化假设注浆方案预计的注浆总量值也是接近最优注浆量的，故可以作为其它注浆方案下的总量预计值。此方法兼顾了冒落区形态和注浆工艺对注浆总量的影响，而又与具体的注浆方案无关，因而具有一般性指导意义。4.1.2 方法概述根据前述各种注浆影响因素，并参照其它类似问题的注浆量预计方法，提出了一种“伪注浆预计法”。针对某一特定采煤工作面，首先对其冒落区进行预测分类，确定冒落区类别。然后假设采用间隔钻孔方式进行注浆。此时可设计一种最优化的冒落区注浆钻孔布置方案，通过钻孔注浆量进行注浆总量预计，最后依据该方式下的注浆总量确定预计量。4.2 预计方法具体步骤首先进行冒落区类别预计。根据现场取得的顶板条件和一些经验数据，按前述冒落区分类依据进行预计，确定冒落区类别。根据所确定的冒落区形态特征，依据相关公式进行注浆总量初步计算，得到V注。公式中相关参数的确定有待于下一步取得。设计一种优化的冒落区注浆充填方案，称为伪注浆方案。方案设计原则为：方案客观可行，且注浆量接近最优值。假设注浆方案采用顶板巷道钻孔注浆方式，沿采煤工作面推进方向，每隔一定距离布置一个注浆工作面，每一个注浆工作面布置几个注浆钻孔。注浆工作面滞后采煤工作面一定距离。方案布置如图 41。图 41伪注浆方案布置相邻注浆工作面间距离称为注浆步距LZ，它决定了注浆工作面的布置位置。注浆步距的确定很大程度上受冒落区矸石碎胀、压实影响，合理的注浆步距应保证冒落区没有被压实。文献19根据冒矸压实步距在4560m之间从而控制注浆步距应小于50m，还有文献20中取值为1520m。注浆步距LZ的影响因素主要有：注浆扩散半径与老顶破断距。其中，注浆扩散半径可在一定程度上受到主观因素控制，而老顶破断距则是客观一定的。故LZ主要根据老顶破断距进行确定。计算老顶破断距可按照梁的模型进行13，也可以参照关键层理论计算28。由注浆步距Lz可以求出单孔注浆扩散半径R。计算依据是相邻两钻孔注浆时应使浆液的扩散能够达到注浆步距以内的范围，则： ( 41 )再由注浆半径R可确定每一注浆工作面的注浆孔数目NK，即： ( 42 )式中LF工作面长度。每一个工作面的注浆钻孔数目NK应根据计算结果向上取整数，以保证浆体能够在整个工作面范围内扩散。单孔注浆量Q计算公式如下： ( 43 )式中QC离层空间内可注入浆体量。上式适应于不同类别冒落区。对S型冒落区，QC近似等于离层空间体积；对F型冒落区，QC等于零。不同类别的冒落区，其注浆段长L的计算方法不相同。损耗系数A取值1.21.5，浆液充填系数B取值0.90.95。孔隙率n按下式进行计算： ( 44 )式中K受注岩体碎胀系数。对S型冒落区，K值按式( 33 )中KP公式计算；对F型冒落区，K值按式( 35 )中计算。每一个注浆工作面的注浆总量为： ( 45 )沿采煤工作面推进方向共有注浆工作面个数NF为： ( 46 )式中LA采煤工作面总推进长度，m。则冒落区的注浆总量为： ( 47 )根据该注浆方案的相关参数对上述公式中的部分参数进行修正、确定；再用该注浆方式所确定的注浆量总和V注对原预计注浆总量V注进行调整。5 研究主要结论(1) 通过搜集相关文献，综述了冒落区注浆量预计研究现状。(2) 提出了冒落区注浆量预计中新的影响因素注浆工艺。(3) 按冒落岩块对采空区的充满情况分类了冒落区，将其分为F型冒落区和S型冒落区。(4) 基于相关文献研究成果，提出F型冒落区岩块碎胀系数的线性变化假设，并给出了具体公式和算例。(5) 建立了通用的冒落区模型，并对注浆量预计加以论述。(6) 提出新的冒落区注浆量预计方法，并给出了预计步骤及相关计算公式。参考文献：1 钱鸣高. 煤炭产业特点与科学发展J.中国煤炭,2006,32(11).2 钱鸣高，许家林. 煤炭工业发展面临几个问题的讨论J.采矿与安全工程学报,2006,23(2).3 钱鸣高，许家林. 煤矿绿色开采技术J.中国矿业大学学报,2003,32(4).4 许家林，朱卫兵，李兴尚. 控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究J.采矿与安全工程学报,2006(1).5 钱鸣高，缪协兴，许家林，等. 论科学采矿J.采矿与安全工程学报,2008,25(1).6 李兴尚，许家林，朱卫兵，等. 从采充均衡论煤矿部分充填开采的选择J.辽宁工程技术大学学报,2008,27(2).7 王建学，李华东，杨本生. 采空区冒矸空隙充填减小地面下沉开采技术的研究J.煤炭工程,2005(4).8 王建学，刘天泉. 冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉技术的可行性研究J.煤矿开采,2001(1).9 李兴尚，许家林，朱卫兵，等. 垮落矸石注浆充填体压实特征的颗粒流模拟J.煤炭学报,2008,33(4).10 程晓，张凤祥. 土建注浆施工与效果检测M. 上海: 同济大学出版社, 1997: 12.11 郝哲，王介强. 岩体裂隙注浆的计算机模拟研究J.岩土工程学报,1999,21(6).12 王述红，郝哲. 岩体微裂隙注浆量预测分析的遗传神经网络方法J.岩土工程学报,2001,23(5).13 钱鸣高，石平五. 矿山压力与岩层控制M. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2003.14 杨逾，范学理，杨伦. 离层注浆防治地