覆巖離層注漿減沉技術(shù)研究的新進(jìn)展課件

深部開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)研究的新進(jìn)展高延法中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)1概述開采沉陷控制可以實(shí)現(xiàn)建筑物下、鐵路下煤層安全開采，可以將地表控制在松散層潛水位之上，有效保護(hù)農(nóng)田。覆巖離層注漿減沉技術(shù)，是一種煤礦開采沉陷控制的新技術(shù)。注漿減沉理論問題：覆巖離層產(chǎn)生的條件、離層發(fā)展的動(dòng)態(tài)規(guī)律、注漿半徑、注漿材料性質(zhì)、最大允許注漿量、注漿減沉預(yù)計(jì)方法等。開灤集團(tuán)公司與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）、山東科技大學(xué)合作，從1997年開始至今，先后成功地進(jìn)行了唐山礦3696、3694、T2191～T2195等七個(gè)綜放面的注漿減沉實(shí)驗(yàn)，注采率超過30％，在充分采動(dòng)條件下，減沉率可以達(dá)到50％以上。概述開采沉陷控制可以實(shí)現(xiàn)建筑物下、鐵路下煤層安全2一、多層位連續(xù)注漿減沉方法圖1.9覆巖離層多層位注漿示意圖一、多層位連續(xù)注漿減沉方法圖1.9覆巖離層多層位注漿示意3圖1.1注漿系統(tǒng)示意圖圖1.1注漿系統(tǒng)示意圖4圖1.2粉煤灰灰坑圖1.2粉煤灰灰坑5圖1.3粉煤灰輸送皮帶圖1.3粉煤灰輸送皮帶6圖1.4粉煤灰灰漿攪拌池圖1.4粉煤灰灰漿攪拌池7圖1.5注漿泵泵房圖1.5注漿泵泵房8圖1.6粉煤灰灰漿輸送管路圖1.6粉煤灰灰漿輸送管路9圖1.7京山鐵路唐山段圖1.7京山鐵路唐山段10二、覆巖離層發(fā)育規(guī)律與注漿減沉機(jī)理研究2.1離層帶的概念圖1.8相似材料模擬實(shí)驗(yàn)離層分布圖二、覆巖離層發(fā)育規(guī)律與注漿減沉機(jī)理研究2.1離層帶的概念圖11

多層位注漿：一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，設(shè)計(jì)成可以同時(shí)向多個(gè)離層注漿的鉆孔結(jié)構(gòu)。

連續(xù)注漿：一方面是注漿工藝上，不再定期停泵沖洗管路與鉆孔，另一方面是通過提高電源、注漿泵、管路和供漿系統(tǒng)的可靠性和多層位注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿施工的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

技術(shù)效果：1、該技術(shù)避免了注漿鉆孔損壞。2、可以避免單層位注漿時(shí)的巖層短期閉合，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)注漿。3、使注漿量提高5～7倍，減沉效果突出。多層位注漿：一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，設(shè)計(jì)12注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖132.2離層發(fā)育動(dòng)態(tài)規(guī)律影響離層發(fā)育過程的主要因素：1、采動(dòng)充分程度；2、上位與下位巖層的抗彎剛度比離層層位巖層采動(dòng)充分程度示意圖2.2離層發(fā)育動(dòng)態(tài)規(guī)律影響離層發(fā)育過程的主要因素：離層層位141．地表充分采動(dòng)地表達(dá)到了充分采動(dòng)，離層層位巖層必然也充分采動(dòng)。離層會(huì)由萌生、擴(kuò)展、發(fā)展至最大，再縮小、較快地閉合，離層發(fā)育較快。2．地表非充分采動(dòng)、注漿層位巖層充分采動(dòng)

離層會(huì)由萌生、擴(kuò)展、發(fā)展至最大，再縮小，最終閉合的過程，離層發(fā)育較慢。3．離層層位巖層非充分采動(dòng)離層縫最終不會(huì)完全閉合，有一殘留寬度δ0，離層長(zhǎng)期穩(wěn)定，這對(duì)注漿減沉是十分有利的。1．地表充分采動(dòng)2．地表非充分采動(dòng)、注漿層位巖層充分采動(dòng)3．152.3離層空間體積預(yù)計(jì)離層空間體積與井下開采空間體積大小成正比，與離層層位巖層的采動(dòng)充分程度有關(guān)。

2.3離層空間體積預(yù)計(jì)離層空間體積與井下開采空間體積大小16

設(shè)一采場(chǎng)開采長(zhǎng)度為D3，采寬為D1，采厚為M，則最大離層空間體積V離為：式中，V離為最大離層空間體積；D3、D1為回采工作面的長(zhǎng)度和寬度；

Y(x)、W(x)為上位巖層、下位巖層的下沉曲線函數(shù)。采煤工作面一般走向較長(zhǎng)，走向?yàn)槌浞植蓜?dòng)；離層空間體：傾向剖面的離層縫斷面積乘以走向長(zhǎng)度。設(shè)一采場(chǎng)開采長(zhǎng)度為D3，采寬為D1，采厚為17

式中，W0為最大沉值；

r為主要影響半徑。式中，q0

為梁所受均布載荷；

hi為梁的厚度；

E為巖層的彈模；

f（z）為巖梁的抗彎剛度。下位巖層下沉曲線可由巖移理論確定：上位巖層的撓度曲線可由巖石力學(xué)理論確定：式中，W0為最大沉值；r為主要影響半徑。式中，q182.4粉煤灰及其漿液的四種物理狀態(tài)壓實(shí)濕灰體：離層內(nèi)沉淀形成飽和水灰體，再經(jīng)過離層閉合壓實(shí)，擠壓出部分水份后形成的壓實(shí)濕灰體。其承受壓力為11MPa，相當(dāng)于采深約500m。粉煤灰及其漿液的狀態(tài)容重含水率粉煤灰干灰1.86(比重)0粉煤灰漿液1.1670.8%飽和水灰體1.5523.3%壓實(shí)濕灰體1.6514.8%2.4粉煤灰及其漿液的四種物理狀態(tài)壓實(shí)濕灰體：離層內(nèi)沉淀形192.5注漿范圍注漿范圍應(yīng)分為兩個(gè)參數(shù)：沿開采工作面推進(jìn)方向的r1，反方向的r2。一般而言r1＞r2，這是因?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向一側(cè)注漿范圍的大小主要取決于：離層縫的寬度地層的傾角離層縫越寬度，越有利于漿液流動(dòng)，注漿范圍也就必然越大。離層縫的寬度取決于：煤層的采厚M離層縫上位、下位巖層的抗彎剛度之比k=Wz上/Wz下2.5注漿范圍注漿范圍應(yīng)分為兩個(gè)參數(shù)：地層的傾角離層縫越寬20離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積狀態(tài)剖面圖離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積狀態(tài)剖面圖21根據(jù)注漿工程實(shí)驗(yàn):r1=290～310m。唐山礦鐵二采區(qū)采厚較大，M=10m，離層縫必然較厚，注漿層位處于非充分采動(dòng)狀態(tài)，離層縫長(zhǎng)期穩(wěn)定存在離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積過程平面圖根據(jù)注漿工程實(shí)驗(yàn):r1=290～310m。離層縫內(nèi)注漿漿液流22考慮到離層縫寬與采厚成線性關(guān)系，注漿范圍r1又隨離層縫寬的增加而增長(zhǎng)，根據(jù)唐山礦的地質(zhì)開采條件，可初步建立如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，r1—采面推進(jìn)方向的注漿范圍（m）；

M—采厚（m）；r2≈40%r1考慮到離層縫寬與采厚成線性關(guān)系，注漿范圍r1又隨23三、覆巖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型——結(jié)構(gòu)破壞度模型隨工作面向前推進(jìn)，覆巖破壞高度逐漸增加；自煤層頂板向上，破壞程度逐漸減小。基本假設(shè)：①冒落帶破壞度最大，破壞度D值趨向于1；②巖層沒有垂直于層面裂隙和層間裂隙時(shí)，破壞度D=0；③在整個(gè)覆巖中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=0.9～1.0三、覆巖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型——結(jié)構(gòu)破壞度模型隨工作面向前推進(jìn)，覆24不同層位巖層破壞度發(fā)展示意圖H1，H2，H3分別為冒落帶、裂隙帶、離層帶內(nèi)某一層位高度L1，L2，L3為工作面推進(jìn)距離；D為破壞度L1L2L3H3H2H1離層帶裂隙帶冒落帶HDDD0.50000.50.50.310.811工作面推進(jìn)距離

①

②

③不同層位巖層破壞度發(fā)展示意圖H1，H2，H3分別為冒落帶、裂25破壞度分級(jí)圖例與描述分級(jí)破壞度圖例破壞特征描述Ⅰ0～0.1巖層整體移動(dòng)，層內(nèi)有微裂縫，但數(shù)量較少Ⅱ0.1～0.3巖層內(nèi)有數(shù)量較少的微裂紋，巖層之間有層間分離Ⅲ0.3～0.5巖層內(nèi)有微小裂縫，基本上不斷開，裂縫間連通性不好，巖層在全厚度內(nèi)未斷開或很少斷開Ⅳ0.5～0.7巖層層次完整，個(gè)別部位全厚斷開，裂縫間連通程度較好Ⅴ0.7～0.9巖層全厚度斷開，層次基本完整，裂縫間連通性好Ⅵ0.9～1.0巖層完全斷裂成巖塊，巖塊的塊度大小不一，無一定規(guī)則，無層次性破壞度分級(jí)圖例與描述分級(jí)破壞度圖例破壞特征描述Ⅰ0～0.1巖26覆巖結(jié)構(gòu)破壞度模型的意義①結(jié)構(gòu)破壞度模型賦予了動(dòng)態(tài)模型以量的概念，從而使巖層裂隙量和弱化程度可以定量描述。②結(jié)構(gòu)破壞度模型可以用以動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，即在數(shù)值仿真中可以定量表達(dá)結(jié)構(gòu)變化程度。③結(jié)構(gòu)破壞度模型是覆巖變形可視化的理論基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)開采過程中覆巖變形的可視化表達(dá)。覆巖結(jié)構(gòu)破壞度模型的意義①結(jié)構(gòu)破壞度模型賦予了動(dòng)態(tài)模型以量的27四、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的新思路學(xué)術(shù)思路：首先，設(shè)計(jì)建設(shè)可拆裝式密閉實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造恒濕恒溫的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而消除溫度和濕度變化對(duì)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其次，進(jìn)行相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)定相似材料的含水率w0、彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σf隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而有效地控制相似材料模型的參數(shù)。最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差補(bǔ)償計(jì)算，進(jìn)一步減輕實(shí)驗(yàn)誤差。

四、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的新思路學(xué)術(shù)思路：28恒濕恒溫相似材料模擬實(shí)驗(yàn)室

恒濕恒溫相似材料模擬實(shí)驗(yàn)室29工作面推進(jìn)距離360m時(shí)的覆巖離層變形狀態(tài)

工作面推進(jìn)距離360m時(shí)的覆巖離層變形狀態(tài)30相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究相似實(shí)驗(yàn)材料的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究相似實(shí)驗(yàn)材料的三點(diǎn)彎曲31相似材料抗彎強(qiáng)度硬化實(shí)測(cè)曲線相似材料抗彎強(qiáng)度硬化實(shí)測(cè)曲線32相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的誤差補(bǔ)償理論

鋪設(shè)成型的相似材料模型，與其設(shè)計(jì)要求的理論模型相比，總會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。如果能建立誤差補(bǔ)償理論，無疑可以減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。誤差補(bǔ)償理論的建立應(yīng)該考慮：實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c巖層中的關(guān)鍵層。就開采沉陷問題來說，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)巖層的移動(dòng)變形量，這就需要建立下沉量Y（x）的誤差補(bǔ)償理論。在覆巖地層中，對(duì)地表下沉影響最大的是巖層中的關(guān)鍵層。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的誤差補(bǔ)償理論鋪設(shè)成型的相似材料模型，與其33關(guān)鍵層變形撓度誤差公式

假設(shè)主要是關(guān)鍵層控制著地表下沉量，如果相似材料模型上關(guān)鍵層的抗彎剛度存在誤差為，則有關(guān)鍵層的撓度誤差值可由式得：固支梁情況：簡(jiǎn)支梁情況：式中，ED——模型鋪設(shè)層設(shè)計(jì)彈性模量，Pa；ID——模型鋪設(shè)層設(shè)計(jì)主慣性矩，m4；EF——模型實(shí)測(cè)彈性模量，Pa；IF——模型實(shí)測(cè)的主慣性矩，m4；關(guān)鍵層變形撓度誤差公式假設(shè)主要是關(guān)鍵層控制著地表下沉量34五、覆巖離層注漿減沉技術(shù)的工程實(shí)驗(yàn)五、覆巖離層注漿減沉技術(shù)的工程實(shí)驗(yàn)351、唐山礦3696綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)380米，傾斜長(zhǎng)90米。設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤開采工藝，一次采厚10米。工作面平均采深789米，煤層傾角5～15度一、注漿量與注灰量注漿量471014m3，注純粉煤灰量121660t，離層內(nèi)灰體體積84645.6m3。二、注采比共采出煤炭體積為315213m3，重量466515t。注采比為：三、減沉率不注漿條件下的地表最大下沉值預(yù)計(jì)為1105mm注漿減沉條件下實(shí)測(cè)地表最大下沉值為187mm在非充分采動(dòng)條件下，階段性注漿減沉率為83.1%。1、唐山礦3696綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)3363696綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉178mm）3696綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉178mm）372、3694綜放面注漿減沉3694綜放面總注漿量354390m3，形成的壓實(shí)濕灰體體積77035m3，采出煤體體積274203m3，注采比Kv=28.1%。實(shí)測(cè)注漿后地表最大下沉值為429mm。預(yù)計(jì)不注漿條件下的地表最大下沉值為1336mm，在非充分采動(dòng)條件下，階段性減沉率為：67.5％該工作面走向長(zhǎng)360米，傾斜長(zhǎng)100米。設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤開采工藝，一次采厚10米。工作面平均采深770米，煤層傾角10度2、3694綜放面注漿減沉3694綜放面總注漿量354390383694綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉429mm）3694綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉429mm）39唐山礦京山鐵路下二采區(qū)注漿減沉實(shí)驗(yàn)京山鐵路煤柱寬750m，鐵二區(qū)長(zhǎng)約1000m，鐵二區(qū)采深為560~760m，傾角10~20°

，主采煤層為9槽煤，厚度10m。唐山礦京山鐵路下二采區(qū)注漿減沉實(shí)驗(yàn)京山鐵路煤柱寬750m，403、T2191綜放面注漿減沉T2191面位于鐵二采區(qū)的最淺部；T2191面走向1032m，傾斜寬150m，煤層厚度10m，傾角6°，平均埋深585m。注入壓實(shí)灰量V灰=288075

m3，注采比Kv=22.5%。預(yù)計(jì)不注漿條件下的采后最大下沉為3372mm，最終地表最大下沉值為1213mm，減沉率為63.5%。3、T2191綜放面注漿減沉T2191面位于鐵二采區(qū)的最淺部414、T2192綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)980m，傾斜長(zhǎng)140m；平均采深為613.5m，煤層傾角平均12°。T2192面總注漿量為：漿液1009252m3，注入壓實(shí)濕灰體體積257113.6m3,最終注采比為21.6%。地表最終最大下沉值為1784mm,注漿后的地表下沉系數(shù)為q注=0.38,注漿減沉率為48.2%。4、T2192綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)980m，傾斜長(zhǎng)1442T2192-1#鉆孔注漿壓力變化曲線

T2192-1#鉆孔注漿壓力變化曲線43T2192-1#鉆孔注漿量變化曲線

T2192-1#鉆孔注漿量變化曲線44T2192-1#鉆孔注漿灰量直方圖

T2192-1#鉆孔注漿灰量直方圖45T2192－1#鉆孔注漿過程曲線圖

T2192－1#鉆孔注漿過程曲線圖46T2192面實(shí)測(cè)地表下沉曲線圖

(最大下沉值1784mm)T2192面實(shí)測(cè)地表下沉曲線圖

(最大下沉值1784mm)475、T2194綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)880m，傾斜長(zhǎng)

125m；平均采深699m，煤層傾角平均12°；可采儲(chǔ)量約為170.94×104t。注灰量V灰＝，采出煤量為注采比為31%預(yù)計(jì)不注漿時(shí)最大下沉值為2769.6mm，實(shí)測(cè)最大下沉值僅681mm，減沉率75.4%5、T2194綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)880m，傾斜長(zhǎng)

148T2194面注漿后的實(shí)際下沉等值線圖（最大下沉681mm）T2194面注漿后的實(shí)際下沉等值線圖（最大下沉681mm）496、T2195綜放面注漿減沉T2195綜放面位于鐵二采區(qū)的最深部；走向長(zhǎng)852m，傾斜長(zhǎng)118m，平均埋深726m；煤層厚度10m，傾角6°。T2195面總注漿量為：漿液1152100m3，注入壓實(shí)濕灰體體積250430m3，最終注采比為26.5%。

地表最終最大下沉值為1652mm，注漿后的地表下沉系數(shù)為q注=0.39，注漿減沉率為46.7%。

6、T2195綜放面注漿減沉T2195綜放面位于鐵二采區(qū)的最50

走向測(cè)線最終地表下沉曲線圖（1652mm）

T2195注漿條件下地表下沉立體圖

走向測(cè)線最終地表下沉曲線圖（1652mm）T2195注漿51六、主要結(jié)論1、多層位連續(xù)注漿減沉技術(shù)：就是一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，設(shè)計(jì)成可以同時(shí)向多個(gè)離層注漿的鉆孔結(jié)構(gòu)。連續(xù)注漿：不再定期停泵沖洗管路與鉆孔，同時(shí)通過提高電源、注漿泵、管路和供漿系統(tǒng)的可靠性和采用多層位注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿施工的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。2、離層產(chǎn)生的條件：上位巖層的抗彎剛度大于下位巖層的抗彎剛度，上位巖層的下沉?xí)r間滯后于下位巖層。3、注漿層位的采動(dòng)充分程度：①地表充分采動(dòng)；②地表非充分采動(dòng)，注漿層位充分采動(dòng)；③注漿層位非充分采動(dòng)。六、主要結(jié)論1、多層位連續(xù)注漿減沉技術(shù)：524、離層空間體積的計(jì)算方法：=5、注漿范圍（注漿半徑）：注漿范圍的大小主要取決于離層縫的厚度大小和穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)短。工作面采寬越窄，采厚越大，則注漿半徑越大。6、注漿壓力：注漿減沉工程實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在覆巖離層發(fā)展的活躍期，注漿鉆孔孔口會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。7、注漿減沉技術(shù)的適用條件：①有足夠的基巖厚度；②有充裕的注漿材料。4、離層空間體積的計(jì)算方法：=5、注漿范圍（注漿半徑）：7、53謝謝大家謝謝大家54深部開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)研究的新進(jìn)展高延法中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)55概述開采沉陷控制可以實(shí)現(xiàn)建筑物下、鐵路下煤層安全開采，可以將地表控制在松散層潛水位之上，有效保護(hù)農(nóng)田。覆巖離層注漿減沉技術(shù)，是一種煤礦開采沉陷控制的新技術(shù)。注漿減沉理論問題：覆巖離層產(chǎn)生的條件、離層發(fā)展的動(dòng)態(tài)規(guī)律、注漿半徑、注漿材料性質(zhì)、最大允許注漿量、注漿減沉預(yù)計(jì)方法等。開灤集團(tuán)公司與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）、山東科技大學(xué)合作，從1997年開始至今，先后成功地進(jìn)行了唐山礦3696、3694、T2191～T2195等七個(gè)綜放面的注漿減沉實(shí)驗(yàn)，注采率超過30％，在充分采動(dòng)條件下，減沉率可以達(dá)到50％以上。概述開采沉陷控制可以實(shí)現(xiàn)建筑物下、鐵路下煤層安全56一、多層位連續(xù)注漿減沉方法圖1.9覆巖離層多層位注漿示意圖一、多層位連續(xù)注漿減沉方法圖1.9覆巖離層多層位注漿示意57圖1.1注漿系統(tǒng)示意圖圖1.1注漿系統(tǒng)示意圖58圖1.2粉煤灰灰坑圖1.2粉煤灰灰坑59圖1.3粉煤灰輸送皮帶圖1.3粉煤灰輸送皮帶60圖1.4粉煤灰灰漿攪拌池圖1.4粉煤灰灰漿攪拌池61圖1.5注漿泵泵房圖1.5注漿泵泵房62圖1.6粉煤灰灰漿輸送管路圖1.6粉煤灰灰漿輸送管路63圖1.7京山鐵路唐山段圖1.7京山鐵路唐山段64二、覆巖離層發(fā)育規(guī)律與注漿減沉機(jī)理研究2.1離層帶的概念圖1.8相似材料模擬實(shí)驗(yàn)離層分布圖二、覆巖離層發(fā)育規(guī)律與注漿減沉機(jī)理研究2.1離層帶的概念圖65

多層位注漿：一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，設(shè)計(jì)成可以同時(shí)向多個(gè)離層注漿的鉆孔結(jié)構(gòu)。

連續(xù)注漿：一方面是注漿工藝上，不再定期停泵沖洗管路與鉆孔，另一方面是通過提高電源、注漿泵、管路和供漿系統(tǒng)的可靠性和多層位注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿施工的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

技術(shù)效果：1、該技術(shù)避免了注漿鉆孔損壞。2、可以避免單層位注漿時(shí)的巖層短期閉合，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)注漿。3、使注漿量提高5～7倍，減沉效果突出。多層位注漿：一個(gè)注漿鉆孔穿透離層帶內(nèi)的多個(gè)離層，設(shè)計(jì)66注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖672.2離層發(fā)育動(dòng)態(tài)規(guī)律影響離層發(fā)育過程的主要因素：1、采動(dòng)充分程度；2、上位與下位巖層的抗彎剛度比離層層位巖層采動(dòng)充分程度示意圖2.2離層發(fā)育動(dòng)態(tài)規(guī)律影響離層發(fā)育過程的主要因素：離層層位681．地表充分采動(dòng)地表達(dá)到了充分采動(dòng)，離層層位巖層必然也充分采動(dòng)。離層會(huì)由萌生、擴(kuò)展、發(fā)展至最大，再縮小、較快地閉合，離層發(fā)育較快。2．地表非充分采動(dòng)、注漿層位巖層充分采動(dòng)

離層會(huì)由萌生、擴(kuò)展、發(fā)展至最大，再縮小，最終閉合的過程，離層發(fā)育較慢。3．離層層位巖層非充分采動(dòng)離層縫最終不會(huì)完全閉合，有一殘留寬度δ0，離層長(zhǎng)期穩(wěn)定，這對(duì)注漿減沉是十分有利的。1．地表充分采動(dòng)2．地表非充分采動(dòng)、注漿層位巖層充分采動(dòng)3．692.3離層空間體積預(yù)計(jì)離層空間體積與井下開采空間體積大小成正比，與離層層位巖層的采動(dòng)充分程度有關(guān)。

2.3離層空間體積預(yù)計(jì)離層空間體積與井下開采空間體積大小70

設(shè)一采場(chǎng)開采長(zhǎng)度為D3，采寬為D1，采厚為M，則最大離層空間體積V離為：式中，V離為最大離層空間體積；D3、D1為回采工作面的長(zhǎng)度和寬度；

Y(x)、W(x)為上位巖層、下位巖層的下沉曲線函數(shù)。采煤工作面一般走向較長(zhǎng)，走向?yàn)槌浞植蓜?dòng)；離層空間體：傾向剖面的離層縫斷面積乘以走向長(zhǎng)度。設(shè)一采場(chǎng)開采長(zhǎng)度為D3，采寬為D1，采厚為71

式中，W0為最大沉值；

r為主要影響半徑。式中，q0

為梁所受均布載荷；

hi為梁的厚度；

E為巖層的彈模；

f（z）為巖梁的抗彎剛度。下位巖層下沉曲線可由巖移理論確定：上位巖層的撓度曲線可由巖石力學(xué)理論確定：式中，W0為最大沉值；r為主要影響半徑。式中，q722.4粉煤灰及其漿液的四種物理狀態(tài)壓實(shí)濕灰體：離層內(nèi)沉淀形成飽和水灰體，再經(jīng)過離層閉合壓實(shí)，擠壓出部分水份后形成的壓實(shí)濕灰體。其承受壓力為11MPa，相當(dāng)于采深約500m。粉煤灰及其漿液的狀態(tài)容重含水率粉煤灰干灰1.86(比重)0粉煤灰漿液1.1670.8%飽和水灰體1.5523.3%壓實(shí)濕灰體1.6514.8%2.4粉煤灰及其漿液的四種物理狀態(tài)壓實(shí)濕灰體：離層內(nèi)沉淀形732.5注漿范圍注漿范圍應(yīng)分為兩個(gè)參數(shù)：沿開采工作面推進(jìn)方向的r1，反方向的r2。一般而言r1＞r2，這是因?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向一側(cè)注漿范圍的大小主要取決于：離層縫的寬度地層的傾角離層縫越寬度，越有利于漿液流動(dòng)，注漿范圍也就必然越大。離層縫的寬度取決于：煤層的采厚M離層縫上位、下位巖層的抗彎剛度之比k=Wz上/Wz下2.5注漿范圍注漿范圍應(yīng)分為兩個(gè)參數(shù)：地層的傾角離層縫越寬74離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積狀態(tài)剖面圖離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積狀態(tài)剖面圖75根據(jù)注漿工程實(shí)驗(yàn):r1=290～310m。唐山礦鐵二采區(qū)采厚較大，M=10m，離層縫必然較厚，注漿層位處于非充分采動(dòng)狀態(tài)，離層縫長(zhǎng)期穩(wěn)定存在離層縫內(nèi)注漿漿液流動(dòng)與灰層沉積過程平面圖根據(jù)注漿工程實(shí)驗(yàn):r1=290～310m。離層縫內(nèi)注漿漿液流76考慮到離層縫寬與采厚成線性關(guān)系，注漿范圍r1又隨離層縫寬的增加而增長(zhǎng)，根據(jù)唐山礦的地質(zhì)開采條件，可初步建立如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，r1—采面推進(jìn)方向的注漿范圍（m）；

M—采厚（m）；r2≈40%r1考慮到離層縫寬與采厚成線性關(guān)系，注漿范圍r1又隨77三、覆巖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型——結(jié)構(gòu)破壞度模型隨工作面向前推進(jìn)，覆巖破壞高度逐漸增加；自煤層頂板向上，破壞程度逐漸減小?；炯僭O(shè)：①冒落帶破壞度最大，破壞度D值趨向于1；②巖層沒有垂直于層面裂隙和層間裂隙時(shí)，破壞度D=0；③在整個(gè)覆巖中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=0.9～1.0三、覆巖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型——結(jié)構(gòu)破壞度模型隨工作面向前推進(jìn)，覆78不同層位巖層破壞度發(fā)展示意圖H1，H2，H3分別為冒落帶、裂隙帶、離層帶內(nèi)某一層位高度L1，L2，L3為工作面推進(jìn)距離；D為破壞度L1L2L3H3H2H1離層帶裂隙帶冒落帶HDDD0.50000.50.50.310.811工作面推進(jìn)距離

①

②

③不同層位巖層破壞度發(fā)展示意圖H1，H2，H3分別為冒落帶、裂79破壞度分級(jí)圖例與描述分級(jí)破壞度圖例破壞特征描述Ⅰ0～0.1巖層整體移動(dòng)，層內(nèi)有微裂縫，但數(shù)量較少Ⅱ0.1～0.3巖層內(nèi)有數(shù)量較少的微裂紋，巖層之間有層間分離Ⅲ0.3～0.5巖層內(nèi)有微小裂縫，基本上不斷開，裂縫間連通性不好，巖層在全厚度內(nèi)未斷開或很少斷開Ⅳ0.5～0.7巖層層次完整，個(gè)別部位全厚斷開，裂縫間連通程度較好Ⅴ0.7～0.9巖層全厚度斷開，層次基本完整，裂縫間連通性好Ⅵ0.9～1.0巖層完全斷裂成巖塊，巖塊的塊度大小不一，無一定規(guī)則，無層次性破壞度分級(jí)圖例與描述分級(jí)破壞度圖例破壞特征描述Ⅰ0～0.1巖80覆巖結(jié)構(gòu)破壞度模型的意義①結(jié)構(gòu)破壞度模型賦予了動(dòng)態(tài)模型以量的概念，從而使巖層裂隙量和弱化程度可以定量描述。②結(jié)構(gòu)破壞度模型可以用以動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，即在數(shù)值仿真中可以定量表達(dá)結(jié)構(gòu)變化程度。③結(jié)構(gòu)破壞度模型是覆巖變形可視化的理論基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)開采過程中覆巖變形的可視化表達(dá)。覆巖結(jié)構(gòu)破壞度模型的意義①結(jié)構(gòu)破壞度模型賦予了動(dòng)態(tài)模型以量的81四、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的新思路學(xué)術(shù)思路：首先，設(shè)計(jì)建設(shè)可拆裝式密閉實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造恒濕恒溫的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而消除溫度和濕度變化對(duì)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其次，進(jìn)行相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)定相似材料的含水率w0、彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σf隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而有效地控制相似材料模型的參數(shù)。最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差補(bǔ)償計(jì)算，進(jìn)一步減輕實(shí)驗(yàn)誤差。

四、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的新思路學(xué)術(shù)思路：82恒濕恒溫相似材料模擬實(shí)驗(yàn)室

恒濕恒溫相似材料模擬實(shí)驗(yàn)室83工作面推進(jìn)距離360m時(shí)的覆巖離層變形狀態(tài)

工作面推進(jìn)距離360m時(shí)的覆巖離層變形狀態(tài)84相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究相似實(shí)驗(yàn)材料的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)相似材料物理力學(xué)參數(shù)硬化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究相似實(shí)驗(yàn)材料的三點(diǎn)彎曲85相似材料抗彎強(qiáng)度硬化實(shí)測(cè)曲線相似材料抗彎強(qiáng)度硬化實(shí)測(cè)曲線86相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的誤差補(bǔ)償理論

鋪設(shè)成型的相似材料模型，與其設(shè)計(jì)要求的理論模型相比，總會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。如果能建立誤差補(bǔ)償理論，無疑可以減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。誤差補(bǔ)償理論的建立應(yīng)該考慮：實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c巖層中的關(guān)鍵層。就開采沉陷問題來說，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)巖層的移動(dòng)變形量，這就需要建立下沉量Y（x）的誤差補(bǔ)償理論。在覆巖地層中，對(duì)地表下沉影響最大的是巖層中的關(guān)鍵層。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的誤差補(bǔ)償理論鋪設(shè)成型的相似材料模型，與其87關(guān)鍵層變形撓度誤差公式

假設(shè)主要是關(guān)鍵層控制著地表下沉量，如果相似材料模型上關(guān)鍵層的抗彎剛度存在誤差為，則有關(guān)鍵層的撓度誤差值可由式得：固支梁情況：簡(jiǎn)支梁情況：式中，ED——模型鋪設(shè)層設(shè)計(jì)彈性模量，Pa；ID——模型鋪設(shè)層設(shè)計(jì)主慣性矩，m4；EF——模型實(shí)測(cè)彈性模量，Pa；IF——模型實(shí)測(cè)的主慣性矩，m4；關(guān)鍵層變形撓度誤差公式假設(shè)主要是關(guān)鍵層控制著地表下沉量88五、覆巖離層注漿減沉技術(shù)的工程實(shí)驗(yàn)五、覆巖離層注漿減沉技術(shù)的工程實(shí)驗(yàn)891、唐山礦3696綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)380米，傾斜長(zhǎng)90米。設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤開采工藝，一次采厚10米。工作面平均采深789米，煤層傾角5～15度一、注漿量與注灰量注漿量471014m3，注純粉煤灰量121660t，離層內(nèi)灰體體積84645.6m3。二、注采比共采出煤炭體積為315213m3，重量466515t。注采比為：三、減沉率不注漿條件下的地表最大下沉值預(yù)計(jì)為1105mm注漿減沉條件下實(shí)測(cè)地表最大下沉值為187mm在非充分采動(dòng)條件下，階段性注漿減沉率為83.1%。1、唐山礦3696綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)3903696綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉178mm）3696綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉178mm）912、3694綜放面注漿減沉3694綜放面總注漿量354390m3，形成的壓實(shí)濕灰體體積77035m3，采出煤體體積274203m3，注采比Kv=28.1%。實(shí)測(cè)注漿后地表最大下沉值為429mm。預(yù)計(jì)不注漿條件下的地表最大下沉值為1336mm，在非充分采動(dòng)條件下，階段性減沉率為：67.5％該工作面走向長(zhǎng)360米，傾斜長(zhǎng)100米。設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤開采工藝，一次采厚10米。工作面平均采深770米，煤層傾角10度2、3694綜放面注漿減沉3694綜放面總注漿量354390923694綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉429mm）3694綜放面注漿后地表下沉等值線圖（最大下沉429mm）93唐山礦京山鐵路下二采區(qū)注漿減沉實(shí)驗(yàn)京山鐵路煤柱寬750m，鐵二區(qū)長(zhǎng)約1000m，鐵二區(qū)采深為560~760m，傾角10~20°

，主采煤層為9槽煤，厚度10m。唐山礦京山鐵路下二采區(qū)注漿減沉實(shí)驗(yàn)京山鐵路煤柱寬750m，943、T2191綜放面注漿減沉T2191面位于鐵二采區(qū)的最淺部；T2191面走向1032m，傾斜寬150m，煤層厚度10m，傾角6°，平均埋深585m。注入壓實(shí)灰量V灰=288075

m3，注采比Kv=22.5%。預(yù)計(jì)不注漿條件下的采后最大下沉為3372mm，最終地表最大下沉值為1213mm，減沉率為63.5%。3、T2191綜放面注漿減沉T2191面位于鐵二采區(qū)的最淺部954、T2192綜放面注漿減沉工作面走向長(zhǎng)980m，傾斜長(zhǎng)140m；平均采深為613.5m，煤層傾角平均12°。T2192面總注漿量為：漿液1009252m3，注入壓實(shí)濕灰體體積257113.6m3