阅读说明：本技术 一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法 (collapse zone inner ground grouting filling slurry form similarity simulation method ) 是由 朱磊 潘浩 古文哲 宋天奇 张新福 刘治成 秋丰岐 徐凯 刘成勇 李超 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法,包括：a.确定相似材料模拟试验模型的相似比,选取对应支架；依据模拟试验模型和相似比在支架上铺设煤层底板及煤层；确定垮落岩层的性质及层数n,结合现场实际给出垮落岩层正方体边长a<Sub>i</Sub>及各垮落岩层正方体层数m<Sub>i</Sub>,并进行垮落岩层铺设；在垮落岩层上方依次铺设基本顶、上覆软岩、主关键层及土层的相似模拟材料岩层；b.开切眼并安设工作面模拟支架；c.按设定时间间隔和规定推进步距开挖煤层；d.待煤层开挖完毕,且采场上覆岩层运移基本稳定后,在采空区上方地表的中部钻进注浆钻孔,插入注浆管并伸入垮落带；e.对垮落带进行定量注浆充填,并记录浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律。(The invention discloses a simulation method for simulating the form of ground grouting filling slurry in a caving zone, which comprises the steps of a, determining the similarity ratio of a simulation test model of similar materials, selecting a corresponding support, paving a coal seam bottom plate and a coal seam on the support according to the simulation test model and the similarity ratio, determining the property and the number n of layers of a caving rock stratum, and giving out the square side length a of the caving rock stratum by combining with the actual field i And the number m of cubes in each collapsed rock stratum i And laying a collapsed rock stratum; paving similar simulation material rock stratums of a basic roof, an overlying soft rock, a main key layer and a soil layer above the collapsed rock stratum in sequence; b. cutting holes and installing a working face simulation bracket; c. excavating a coal bed according to a set time interval and a specified propelling step pitch; d. after the coal seam is excavated and the migration of the overlying rock stratum of the stope is basically stable, drilling a grouting borehole in the middle of the earth surface above the goaf, inserting a grouting pipe and extending into the caving zone; e. quantitative grouting and filling are carried out on the caving zone,and recording the accumulation form and the flow rule of the slurry in the caving zone.)

一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法，适用于研究地面注浆充填时采空区垮落带内充填浆体的堆积形态及流动规律。

背景技术

垮落带内注浆充填就是在煤层开采后采空区后方顶板覆岩运移基本稳定后由地面通过注浆钻孔向采空区垮落带内注入浆体，从而实现处理煤矸石、粉煤灰、炉渣等多种固体废弃物的目的，然而由于垮落带注浆充填区域位于工作面后方的采空区，属于隐蔽工程，对于充填浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律无法观察与测量，因此需要一种可以直观体现上述过程的垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法。

在模拟垮落带内注浆充填时，需要保障垮落带内破碎岩块的碎胀系数及岩块间的空隙与实际采空区中的相似；而现有相似材料模拟试验采用的材料为河沙、石膏及大白粉与水的混合物，其模拟形成的破碎岩块的碎胀系数及岩块间的空隙与真实采空区中的差别较大，且模拟形成的垮落带具有吸水性，易使浆体中的水与固体废弃物粉末分离，抑制浆体的流动，影响浆体在垮落带内的扩散效果。因此，有必要研究一种既可真实反映垮落带内破碎岩块的碎胀系数及岩块间的空隙又能直观体现充填浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律的垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法，以实现直观高效的确定充填浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法，包括以下步骤：

a.确定相似材料模拟试验模型的相似比，选取对应支架；依据相似材料模拟试验模型和相似比在支架上铺设煤层底板及煤层；确定垮落岩层的性质及层数n，结合现场实际给出垮落岩层正方体边长a_i及各垮落岩层正方体层数m_i，并进行垮落岩层铺设；在垮落岩层上方依次铺设基本顶、上覆软岩、主关键层及土层的相似模拟材料岩层，其中i＝1、2、3……n；

b.开切眼并安设工作面模拟支架；

c.按设定时间间隔和规定推进步距开挖煤层；

d.待煤层开挖完毕，且采场上覆岩层运移基本稳定后，在采空区上方地表的中部钻进注浆钻孔，并***注浆管，且该注浆管的终端伸入垮落带；

e.对垮落带进行定量注浆充填，并记录浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律。

本发明进一步的改进在于，步骤a中垮落岩层正方体的边长a_i及各垮落岩层正方体层数m_i的确定方法如下：

(1)依据模型的几何相似比C，结合模拟矿井工作面的煤岩层柱状图及煤岩层性质，明晰亚关键层及主关键层与开采煤层的位置，确定出垮落岩层层数n及各层厚度h_i；

(2)对垮落岩层后的破碎岩块尺寸进行现场测量，得出不同岩性岩块的平均尺寸A_i，进而确定出相似材料模拟中垮落岩层中正方体的边长a_i，其a_i＝A_i/C；

(3)依据步骤(1)中垮落岩层性质及各层厚度h_i和步骤(2)中不同岩性岩块的正方体边长a_i，并对垮落岩层进行优化，进而确定出各个垮落岩层铺设的正方体层数m_i，其m_i＝h_i/a_i；

(4)依据上述设计正方体边长a_i及层数m_i铺设各个垮落岩层的正方体，且保障同一岩层的相邻正方体紧密接触。

本发明进一步的改进在于，步骤c中，时间间隔及推进步距按照时间相似比进行确定。

本发明进一步的改进在于，煤层由煤粉加水组成。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法，通过采用正方体模拟垮落岩层实现垮落带内注浆充填相似模拟试验，使得充填浆体在垮落带内的流动效果与堆积形态更贴近于现场实际。该相似模拟方法操作简单，实现难度小，能真实直观的反映现场地面注浆充填过程中垮落带内浆体的堆积形态及流动规律，并对地面钻孔布置、浆体在垮落带内的流动范围及充填能力的确定有重要的参考价值，能够有效解决地面钻孔布置难和充填能力无法确定的难题。

附图说明

图1是本发明地面注浆充填系统示意图；

图2是本发明相似材料注浆充填模型示意图。

附图标记说明：

1—浆体，2—浆体桶，3—浆体输送管，4—注浆泵，5—压力表，6—流量表，7—截止阀，8—出浆口，9—注浆钻孔，10—底板，11—煤层，12—垮落岩层，13—基本顶，14—上覆软岩，15—主关键层，16—土层，17—垮落带。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，为本发明提供的一种地面注浆充填系统，包括浆体桶2、浆体输送管3及注浆泵4，其中浆体桶2内的浆体1由浆体输送管3进入注浆泵4，而后由注浆泵4加压后，由出浆口8输送浆体到注浆钻孔处；注浆泵4上设置有压力表5，出浆口8处设置有流量表6和截止阀7。

如图2所示，相似材料注浆充填模型包括由下而上依次设置的底板10、煤层11、垮落岩层(直接顶)12、基本顶13、上覆软岩14、主关键层15及地表16，其中底板10、基本顶13、上覆软岩14、主关键层15及土层16由相似材料组成，煤层11由煤粉加水组成，垮落岩层12由一定边长的正方体组成；

注浆钻孔9位于模型采空区上方地表的中部区域，且在煤层开挖完毕采场上覆岩层运移基本稳定后钻进，注浆钻孔的终端伸入垮落带17内，其注浆钻孔9与出浆口8通过胶管连接。

本发明提供了一种垮落带内地面注浆充填浆体形态相似模拟方法，包括以下步骤：

a.确定相似材料模拟试验模型的相似比，选取对应支架；依据相似材料模拟试验模型和相似比在支架上铺设煤层底板及煤层；确定垮落岩层的性质及层数n，结合现场实际给出垮落岩层正方体边长a_i及各垮落岩层正方体层数m_i(其中i＝1、2、3……n)，并进行垮落岩层铺设；在垮落岩层上方铺设基本顶、上覆软岩、主关键层及地表等岩层的相似模拟材料岩层；

b.开切眼并安设工作面模拟支架；

c.按设定时间间隔和规定推进步距开挖煤层；

d.待煤层开挖完毕，且采场上覆岩层运移基本稳定后，在采空区上方地表的中部区域钻进注浆钻孔，并***一根圆管作为注浆管，且该管的终端伸入垮落带；

e.对垮落带进行定量注浆充填，并记录浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律。

实施例

内蒙地区某矿工作面煤层埋深为350～400m，煤层平均厚度19.6m，垮落岩层41m，裂隙带发育至地表，其地表最大下沉量达12m，注浆钻孔深度为350m左右。

1.相似材料模拟模型的设计及铺设过程如下：

①确定相似材料试验模型的几何相似比C＝1/200；

②根据相似材料配比及铺设方案铺设底板及煤层；

③确定模拟垮落岩层的层数n及不同性质岩层的正方体边长a_i，其过程如下：

A.依据关键层理论，确定出垮落岩层的层数n＝17，其模拟各分层厚度如下表：

序号	岩性	实厚/m	模厚/mm	累厚/mm
					h<sub>1</sub>	泥岩	0.9	4.5	4.5
h<sub>2</sub>	煤	0.9	4.5	9.0
					h<sub>3</sub>	砂质泥岩	0.9	4.5	13.5
h<sub>4</sub>	泥岩	3.6	18.0	31.5
					h<sub>5</sub>	煤	0.9	4.5	36.0
h<sub>6</sub>	泥岩	1.0	5.0	41.0
					h<sub>7</sub>	粗砂岩	3.5	17.5	58.5
h<sub>8</sub>	泥岩	0.9	4.5	63.0
					h<sub>9</sub>	粗砂岩	2.8	14.0	77.0
h<sub>10</sub>	砂质泥岩	5.0	25.0	102.0
					h<sub>11</sub>	泥岩	1.0	5.0	107.0
h<sub>12</sub>	煤	1.0	5.0	112.0
					h<sub>13</sub>	泥岩	1.5	7.5	119.5
h<sub>14</sub>	粗砂岩	2.6	13.0	132.5
					h<sub>15</sub>	砂质泥岩	3.0	15.0	147.5
h<sub>16</sub>	粗砂岩	9.5	47.5	195.0
					h<sub>17</sub>	泥岩	2.0	10.0	205.0

B.根据现场测量得到，垮落泥岩岩块的平均长度为0.9m，垮落煤岩块的平均长度为0.9m，垮落砂质泥岩岩块的平均长度为1.2m，垮落粗砂岩岩块的平均长度为1.6m，那么依据几何相似比得到相似材料模拟中垮落岩层中泥岩正方体的边长4.5mm，煤正方体的边长4.5mm，砂质泥岩正方体的边长6.0mm，粗砂岩正方体的边长8.0mm；

C.结合垮落岩层性质及垮落岩块正方体边长a_i，优化处理后可得到各岩层的铺设层数，如下表：

D.依据上述设计模拟垮落岩层正方体边长a_i及层数m_i铺设各个垮落岩层的正方体，且保障同一岩层的相邻正方体紧密接触。

④在垮落岩层上方铺设基本顶、上覆软岩、主关键层及地表等岩层的相似模拟材料岩层；

2.开切眼宽度为50mm，并安设工作面支架；

3.开挖煤层的时间间隔为3.5小时，每次推进步距为40mm；

4.煤层开挖完毕后，放置10天后，在采空区上方地表的中部区域钻进注浆钻孔，并***与之匹配的圆管作为注浆管，且确保圆管的终端伸入垮落带；

对垮落带进行定量注浆充填，并记录浆体在垮落带内的堆积形态及流动规律。