采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法，通过在进行地表保护目标的附近进行离层注浆的方法，对地表保护目标实现精准保护。

背景技术

煤层开采以后，在上覆岩层底部形成自由空间，并且覆岩当中底部岩层在上部岩层的巨大压力作用下开始发生弯曲变形。岩层悬空面积越大，其弯曲变形越严重，当岩层悬空面积增大到一定程度时，最终发生破断、失稳的破坏现象。当底部岩层破断后，其上部岩层下部将形成新的自由空间，并开始发生弯曲变形、破断、失稳的破坏过程，该过程为破坏向上传递的过程。随着煤层开采范围的持续增大，岩层的破坏及向上传递的过程不断进行，最终该破坏影响传递至地表，导致地表发生移动变形产生地裂缝和沉陷区域，同时造成采动影响范围内的地表建(构)筑物、水体、铁路等设施的损坏。

在煤炭开采过程中，地表建(构)筑物、水体、铁路等设施的稳定性涉及到了工作面的安全高效回采、煤炭资源采出率、环境保护以及矿群关系等诸多问题。因此，研究采动影响范围内地表设施的保护技术对于实现矿井的安全高效回采、提高煤炭采出率、保护环境、缓解矿群关系等方面具有重要意义。

对于采动区域内地表建(构)筑物、水体、铁路等设施的保护，井下的技术方案主要有留设保护煤柱、条带开采、充填开采、房柱式开采。这些方案的共同优点在于有效减小了井下煤层开采对地表设施的影响，然而它们也各自存在明显的缺点。留设保护煤柱、条带开采，将降低煤炭资源的采出率，浪费煤炭资源，不利于矿山的可持续发展。充填开采的生产都需要专业的技术和设备，对工作面的采场的管理要求较高，生产成本增加，并且充填和采煤相互影响，生产效率低，不利于矿井的高效生产。房柱式开采对煤层的赋存条件要求高，适用性差，并且通风条件差，煤炭的采出率较低，不利于矿井绿色安全生产。并且当工作面开采方案确定后，从开切眼直至停采线一直采用同一方案，不能针对与某个地表保护目标改变开采方案，因此对于采动影响范围内地表保护目标实现局部精准保护的适用性差。

对于采动区域内地表建(构)筑物、水体、铁路等设施的保护，地表的技术方案可以分为两类，一类为减少地表移动变形对于保护设施的影响，另外一类为加强保护设施的强度和刚度抵抗移动变形，其可以实现对地表保护目标的精准保护。第一类技术方案主要有对开挖变形槽、设置变形缝、水平滑动层等措施；第二类技术方案主要设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、加固基础、后期维修等；在部分情况下可同时采用井上下措施，保护采动区域内地表建(构)筑物、水体、铁路等设施。地表的技术方案，虽然可以针对于地表保护目标进行保护，但是其适用于煤层开采动对地表设施的影响程度属于可控范围，当工作面的采动影响较大时，地表的技术方案将失效。

在上述的保护技术之外，还有一种控制地表移动的技术即传统离层注浆技术，其原理是在覆岩离层当中进行高压注浆，使离层当中充满浆液体减少的覆岩当中离层向上传递，从而减少地表移动变形，在注浆过程中不影响井下工作面回采。传统离层注浆技术，是在工作面产生的采动影响未传递至地表(即地表未发生移动变形)时，对覆岩当中离层实施注浆，传统离层注浆技术施工过程贯穿工作开始回采至结束整个周期，注浆周期长，达到对整个采动影响区域进行控制。当采动区域内只有地表保护目标需要保护时，传统离层注浆的部分投资为无效投资，因此传统离层注浆技术不适用于地表保护目标的精准保护。

对于采动区域内地表建(构)筑物、水体、铁路等设施的保护，井下保护技术可从根本上减小煤层开采对地表设施的影响，但存在不利于矿山安全高效绿色可持续发展的生产要求，同时不适用于对采动影响范围内地表保护目标的保护的缺点；地表保护技术适用范围窄，不能用于采动影响严重区域，无法实现对于采动影响范围内任意位置处的地表保护目标进行保护的目的；传统离层注浆技术充填周期长，控制范围广(当只需要对地表保护目标进行保护时无效投资多)，达不到地表保护目标的精准保护的目的。因此，为达到既能保证矿井安全高效绿色可持续发展，并且又能对采动影响范围内任意位置的地表保护目标进行保护的目的，提出了一种采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法。

发明内容

针对现有保护技术的缺陷，为了达到煤层安全高效绿色开采，同时对工作面采动影响范围内地表保护目标的进行精准保护的双重要求，本发明提供了一种采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法，该方法适用性强、操作简单方便。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法，包括如下步骤：

S1、根据收集到的采矿地质资料，确定工作面上覆岩的结构、岩性，工作面的走向边界角σ

S2、根据地表保护目标的保护等级，确定地表保护目标的维护带宽度l

S3、根据工作面上覆岩的结构、岩性得到导水裂缝带和上覆岩层当中硬岩层的层位，最终确定覆岩离层注浆的层位，得到注浆层位距煤层的高度H

S4、根据工作面的走向边界角σ

l

式中，l

S5、根据上覆岩层的破断角

式中，l

S6、根据注浆层位，得到注浆层位下方邻近硬岩层位置、岩性和承受载荷，并计算出岩层的周期破断距l

S7、根据地表保护目标的维护带宽度、工作面开采的影响距离、注浆层位岩层滞后破断距离、及岩层的周期破断距，最终确定边界注浆钻孔距离地表保护目标的最小距离l：

l＝l

式中，l为边界注浆钻孔距离地表保护目标的最小距离，单位为m；

S8、根据地表到注浆充填层位的孔深，注浆充填层以上地层的综合容重，以及充填浆液的容重，计算注浆压力P

P

式中，P

S9、根据工作面的最大下沉角θ，及注浆层位距煤层的高度H

d＝H

式中，d为下沉主断面由采空区中心向下山方向偏移距离，单位为m；H

S10、根据地表保护目标与煤层开采区域的相对位置关系、过渡孔距地表保护目标的距离、注浆钻孔压力及浆液的扩散半径，综合确定注浆钻孔之间的距离，得到离层注浆钻孔在下沉走向主断面的位置。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S1中，覆岩岩性采用覆岩综合评价系数P

式中，m

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S1中，工作面的走向边界角σ

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S2中，确定地表保护目标的维护带宽度时，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》有关规定进行选取。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S3中，在注浆层位选取时，导水裂缝带高度，可依据采动区域的实测数据分析参数，对于无实测资料的矿区，依据步骤S1中所得岩性条件进行选取，按照经验公式选取。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S3中，在注浆层位选取时，确定覆岩当中硬岩层计算方法如下：

(q

式中：i为自下而上硬岩层岩层编号；(q

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S6中，岩层的周期破断距的计算如下：

式中：l

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S10中，注浆钻孔布置在注浆层位走向下沉主断面上，采用直孔或倾斜孔进行离层注浆。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明用于解决煤层开采造成的地表保护目标设施损坏的问题，实现了工作面安全高效回采、保障地表保护目标设施稳定的目标。本发明根据工作面的采矿地质条件、地表及覆岩移动变形参数、地表保护目标等级以及地表保护目标和工作面的相对位置关系，最终得到注浆钻孔深度、注浆压力、注浆钻孔位置。通过实施地表保护目标施工的注浆钻孔进行离层注浆，实现距离地表保护目标远到近采动影响从有到无的转变，达到不影响长壁工作面的正常开采，而消除地表保护目标附近地表移动变形目的，从而实现长壁开采工作面采动影响范围内地表保护目标设施的精准保护。地表保护目标的精准保护(只对地表保护目标进行保护布置)，实现了工作面安全高效回采和保证地表保护目标稳定性的双重目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为地表保护目标位于工作面中间部位；

图2为地表保护目标位于工作面开切眼附近；

图3为地表保护目标位于工作面停采线附近；

图4为下沉主断面位置图；

图5为离层注浆精准保护技术注浆孔布置图；

图6为工作面直接开采河流及附近的地表下沉等值线图；

图7为工作面直接开采河流及附近的地表走向倾斜等值线图；

图8为工作面直接开采河流及附近的地表倾向倾斜等值线图；

图9为工作面直接开采河流及附近的地表走向水平移动等值线图；

图10为工作面直接开采河流及附近的地表倾向水平移动等值线图；

图11为工作面直接开采河流及附近的地表走向水平变形等值线图；

图12为工作面直接开采河流及附近的地表倾向水平变形等值线图；

图13为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表下沉等值线图；

图14为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表走向倾斜等值线图；

图15为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表倾向倾斜等值线图；

图1 6为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表走向水平移动等值线图；

图1 7为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表倾向水平移动等值线图；

图1 8为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表走向水平变形等值线图；

图19为采用离层注浆精准保护技术后河流及附近的地表倾向水平变形等值线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供采动区域内地表目标精准保护离层注浆参数的确定方法，包括如下步骤：

第一步：根据收集到的采矿地质资料，确定工作面上覆岩的结构、岩性，工作面的开采范围、工作面的边界角σ

其中，覆岩岩性采用覆岩综合评价系数P

式中，m

工作面的走向边界角σ

第二步：根据地表保护目标的保护等级，确定地表保护目标的维护带宽度l

第三步：根据工作面上覆岩的结构、岩性得到导水裂缝带和上覆岩层当中硬岩层的层位，最终确定覆岩离层注浆的层位，得到注浆层位距煤层的高度H

在注浆层位选取时，确定覆岩当中硬岩层计算方法如下：

(q

式中：i为自下而上硬岩层岩层编号；(q

第四步：根据工作面的走向边界角σ

l

式中，l

第五步：根据上覆岩层的破断角

式中，l

第六步：根据注浆层位，得到注浆层位下方邻近硬岩层位置、岩性和承受载荷，并计算出岩层的周期破断距l

式中：l

第七步：根据地表保护目标的维护带宽度、工作面开采的影响距离、注浆层位岩层滞后破断距离、及岩层的周期破断距，最终确定边界注浆钻孔距离地表保护物的最小距离l：

l＝l

式中，l为边界注浆钻孔距离地表保护物的最小距离，单位为m。

第八步：根据地表到注浆充填层位的孔深，注浆充填层以上地层的综合容重，以及充填浆液的容重，计算注浆压力P

P

式中，P

第九步：根据工作面的最大下沉角θ，及注浆层位距煤层的高度HZ，得到下沉注浆层位下沉主断面，由于煤层倾角，下沉主断面由采空区中心向下山方向偏移，确定采空区中心向下山方向偏移的距离d：

d＝H

式中，d为下沉主断面由采空区中心向下山方向偏移距离，单位为m；H

第十步：根据地表保护目标与煤层开采区域的相对位置关系、过渡孔距地表保护物的距离、注浆钻孔压力及浆液的扩散半径，综合确定注浆钻孔之间的距离，得到离层注浆钻孔在下沉走向主断面的位置。

在图1-4中，附图标记1是覆岩当中的硬岩层，2是离层注浆保护层厚度，3是离层注浆位置上部临近岩层，4是岩层破断角，5是岩层走向边界角，6是离层注浆钻孔，7是工作面的最大下沉角。

下面结合具体的实地情况和图5-19来阐述本发明的理论依据和由来。

新疆某矿属于新疆钢企的重要炼焦用煤生产基地之一，若钢企从其他地方调入煤炭不仅运输距离长、费用高，而且在铁路运输紧张时期难以保证运量，因而已对现有生产矿井进行了改扩建，改扩建后的生产能力将达150万t/a，这是保证钢企正常生产的重要环节。矿井改扩建后的一(首)采区浅部的河流的保护煤柱资源量高达11.76Mt，是制约矿井正常开采接续的主要问题。综合考虑井田范围内河流附近的地形地貌、地质采矿、河流流量及其他情况，于2013年12月对该河流完成了改道工程。然而河流改道后依然压覆了一采区西翼工作面部分区域的煤炭资源，解放艾维尔沟河流压覆的煤炭资源，不仅能够实现煤层群的有序开采，提高煤炭资源回收率，保证矿井稳定安全生产，而且能保障其他炼钢企业的正常生产供煤的需求，大大提高钢企炼钢的稀缺煤种在新疆地区的资源利用。基于上述分析，保证钢企集团和矿井稳定健康发展，对河流下压煤开采进行安全评价是非常必要的。

本项目不仅要实现水体下安全采煤，还要保证地表河流的正常使用。项目针对工作面上方河流流经区、煤层赋存特征、顶板岩层岩性、厚度、含隔水性、构造破坏程度等基本参数统计的基础上，定性、定量分析了河流下采煤安全性和工作面开采后对于河流的影响。最终，提出井下水害防治和地面河流治理措施，保证了工作面安全回采提供技术支撑，提出在离层注浆精准保护技术(图1)，保证河流的正常使用。最终达到实现水体下安全采煤，和保证地表河流的正常使用的双重目的，该项目顺利完成以后，将会取得巨大的经济和社会效益。

本项目采用概率积分法对未采取覆岩离层注浆(长壁工作面直接开采)，和采用覆岩离层注浆精准保护技术两种情况，进行了煤层开采后河流的移动变形计算。本次计算分为两个方案，方案如下：

方案1：工作面未采取覆岩离层注浆开采地表移动变形预计；

方案2：工作面采用覆岩离层注浆开采地表移动变形预计。

表1概率积分法参数选取表

根据表1不同方案的预计参数，对工作面未采取和采取覆岩离层注浆方法进行工作面开采的两种方案，分别进行了地表移动和变形计算，并将计算结果采用MATLAB、surfer可视化，分别给出地表下沉等值线图、地表倾斜等值线图、地表水平移动等值线图、地表水平变形等值线图。

按照方案一，河流附近地表移动变形情况如图6～12所示；按照方案一，河流附近地表移动变形情况如图13～19所示。

工作面不采取覆岩离层注浆开采，河道位置处移动变形最大值如下：地表最大下沉值约900mm，走向倾斜最大值约1mm/m，倾向倾斜最大值约9mm/m，走向水平移动最大值约40mm，倾向水平移动最大值约550mm，走向水平变形最大值约0.1mm/m，倾向水平变形最大值约6mm/m。

工作面采取覆岩离层注浆精准保护计算开采，河道位置处地表移动变形最大值如下：地表最大下沉值约250mm，走向倾斜最大值约0.5mm/m，倾向倾斜最大值约1 mm/m，走向水平移动最大值约20mm，倾向水平移动最大值约150mm，走向水平变形最大值约0.6mm/m，倾向水平变形最大值约2mm/m。

计算得出河道位置处地表移动变形最大值汇总见表2所示。

表2工作面开采以后河流附近地表移动和变形最大值

从图6和图13中可以看出，在河道位置处两种方案的下沉值差别明显，而河道以外的地表下沉值差别不大，体现了精准保护的概念。

根据方案一计算结果，不采取覆岩离层注浆时，工作面开采以后，河道的最大下沉值达到0.9m左右，河道内部倾向最大拉伸水平变形可达6mm/m，河道的破坏主要发生在工作面下山方向。河道位于工作面正上方最大下沉达到0.9m，因此会造成该段河床的下沉，因此该河段会有一定程度的积水，河流局部水深增大，局部地段流域范围增大。此外，工作面开采以后，河道内部倾向最大拉伸水平变形可达6mm/m，河堤和地表将会出现地裂缝，地表裂缝深度根据地表变形值大小、地表岩土力学性质等因素有关，深度从几米到几十米不等。综上所述，若工作面不采取措施直接开采，河床周围地表发生明显沉降，河堤出现裂缝，并根据该区域的地形条件，将可能出现河水漫堤积水现象。

根据方案二计算结果，采取覆岩离层注浆精准保护后，工作面开采以后，河道的最大下沉值达到0.25m左右，河道内部倾向最大拉伸水平变形可达2mm/m，位于工作面下山方向。参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》当中混凝土河坝的允许的极限变形值(水平变形ε＝2.5mm/m)可知，采用离层注浆精准保护技术后，河道的最大水平变形值未超出允许坝体的极限变形值，所以采用离层注浆精准包含技术可以实现，井下安全开采的同时，保证河道的正常使用。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。