1覆岩离层注浆减沉技术研究的新进展

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1、深部开采覆岩离层注浆减沉技术研究的新进展高延法中国矿业大学(北京)概述开采沉陷控制可以实现建筑物下、铁路下煤层安全开采，可以将地表控制在松散层潜水位之上，有效保护农田。覆岩离层注浆减沉技术，是一种煤矿开采沉陷控制的新技术。注浆减沉理论问题：覆岩离层产生的条件、离层发展的动态规律、注浆半径、注浆材料性质、最大允许注浆量、注浆减沉预计方法等。开滦集团公司与中国矿业大学（北京）、山东科技大学合作，从1997年开始至今，先后成功地进行了唐山矿3696、3694、T2191～T2195等七个综放面的注浆减沉实验，注采率超过30％，在充分采

2、动条件下，减沉率可以达到50％以上。一、多层位连续注浆减沉方法图1.9覆岩离层多层位注浆示意图图1.1注浆系统示意图图1.2粉煤灰灰坑图1.3粉煤灰输送皮带图1.4粉煤灰灰浆搅拌池图1.5注浆泵泵房图1.6粉煤灰灰浆输送管路图1.7京山铁路唐山段二、覆岩离层发育规律与注浆减沉机理研究2.1离层带的概念图1.8相似材料模拟实验离层分布图多层位注浆：一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。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

3、性和多层位注浆技术，实现注浆施工的长期连续运行。技术效果：1、该技术避免了注浆钻孔损坏。2、可以避免单层位注浆时的岩层短期闭合，可以实现长期连续注浆。3、使注浆量提高5～7倍，减沉效果突出。注浆钻孔结构示意图2.2离层发育动态规律影响离层发育过程的主要因素：1、采动充分程度；2、上位与下位岩层的抗弯刚度比离层层位岩层采动充分程度示意图1．地表充分采动地表达到了充分采动，离层层位岩层必然也充分采动。离层会由萌生、扩展、发展至最大，再缩小、较快地闭合，离层发育较快。2．地表非充分采动、注浆层位岩层充分采动离层会由萌生、扩展、发展至最

4、大，再缩小，最终闭合的过程，离层发育较慢。3．离层层位岩层非充分采动离层缝最终不会完全闭合，有一残留宽度δ0，离层长期稳定，这对注浆减沉是十分有利的。2.3离层空间体积预计离层空间体积与井下开采空间体积大小成正比，与离层层位岩层的采动充分程度有关。设一采场开采长度为D3，采宽为D1，采厚为M，则最大离层空间体积V离为：式中，V离为最大离层空间体积；D3、D1为回采工作面的长度和宽度；Y(x)、W(x)为上位岩层、下位岩层的下沉曲线函数。采煤工作面一般走向较长，走向为充分采动；离层空间体：倾向剖面的离层缝断面积乘以走向长度。式中，

5、W0为最大沉值；r为主要影响半径。式中，q0为梁所受均布载荷；hi为梁的厚度；E为岩层的弹模；f（z）为岩梁的抗弯刚度。下位岩层下沉曲线可由岩移理论确定：上位岩层的挠度曲线可由岩石力学理论确定：2.4粉煤灰及其浆液的四种物理状态压实湿灰体：离层内沉淀形成饱和水灰体，再经过离层闭合压实，挤压出部分水份后形成的压实湿灰体。其承受压力为11MPa，相当于采深约500m。粉煤灰及其浆液的状态容重含水率粉煤灰干灰1.86(比重)0粉煤灰浆液1.1670.8%饱和水灰体1.5523.3%压实湿灰体1.6514.8%2.5注浆范围注浆范围应分

6、为两个参数：沿开采工作面推进方向的r1，反方向的r2。一般而言r1＞r2，这是因为工作面推进方向一侧注浆范围的大小主要取决于：离层缝的宽度地层的倾角离层缝越宽度，越有利于浆液流动，注浆范围也就必然越大。离层缝的宽度取决于：煤层的采厚M离层缝上位、下位岩层的抗弯刚度之比k=Wz上/Wz下离层缝内注浆浆液流动与灰层沉积状态剖面图根据注浆工程实验:r1=290～310m。唐山矿铁二采区采厚较大，M=10m，离层缝必然较厚，注浆层位处于非充分采动状态，离层缝长期稳定存在离层缝内注浆浆液流动与灰层沉积过程平面图考虑到离层缝宽与采厚成线性关

7、系，注浆范围r1又随离层缝宽的增加而增长，根据唐山矿的地质开采条件，可初步建立如下经验公式：式中，r1—采面推进方向的注浆范围（m）；M—采厚（m）；r2≈40%r1三、覆岩动态结构模型——结构破坏度模型随工作面向前推进，覆岩破坏高度逐渐增加；自煤层顶板向上，破坏程度逐渐减小。基本假设：①冒落带破坏度最大，破坏度D值趋向于1；②岩层没有垂直于层面裂隙和层间裂隙时，破坏度D=0；③在整个覆岩中0≤D≤1；Ⅱ：D=0.1～0.3Ⅱ：D=0.1～0.3Ⅳ：D=0.5～0.7Ⅴ：D=0.7～0.9Ⅵ：D=0.9～1.0不同层位岩层破坏度

8、发展示意图H1，H2，H3分别为冒落带、裂隙带、离层带内某一层位高度L1，L2，L3为工作面推进距离；D为破坏度L1L2L3H3H2H1离层带裂隙带冒落带HDDD0.50000.50.50.310.811工作面推进距离①②③破坏度分级图例与描述分级破坏度图例破坏