[发明专利]一种破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法。

背景技术

破碎顶板冒落区注浆充填就是在冒落岩石未被压实之前向其岩石空隙中注入浆液，让浆液占据冒落岩石空隙，从而减少上覆岩层运动空间，达到控制上覆岩层运动、减缓地表下沉的目的，然而由于冒落区注浆充填的区域为工作面后方，属于隐蔽工程，对于充填浆液在冒落矸石空隙中的流动规律、冒落矸石和冒落矸石注浆充填体压实过程无法观察，因此需要一种能直观的体现上述过程的破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法，将该方法用于科学研究和教学。

在模拟破碎顶板冒落区注浆充填中，关键是使得直接顶碎胀系数和现场相同或相近，并且应符合破碎顶板随采随冒的特性；而现有技术中的相似材料模拟试验所用材料为河砂、碳酸钙和石膏，其冒落之后碎胀性与真实岩石的碎胀性相差较远，且其冒落之后的碎胀系数具有随机性，不可控；不能很好的模拟破碎顶板随采随冒的特性。综上所述，当前的模拟方法不能满足破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟试验对直接顶随采随冒和保持其冒落后碎胀系数一定的要求。因此有必要研究一种既可以真实反映破碎顶板垮落过程及碎胀系数又能直观体现充填浆液在冒落矸石空隙中的流动规律、冒落矸石和冒落矸石注浆充填体压实过程的破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法，该方法既可以直观的反映浆液在冒落矸石空隙中的流动规律、冒落矸石和冒矸注浆充填体的压实过程，又解决了现有技术中相似充填材料冒落之后碎胀性与真实岩石的碎胀性相差较远的缺陷。

本发明技术方案包括：

一种破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟方法，包括以下步骤：

a.首先确定相似模拟试验模型的几何相似比；其次，根据几何相似比及铺设方案铺设煤层底板及煤层；确定直接顶立方体边长a和层数n，进行直接顶的铺设；最后，在立方体岩层上方铺设相似模拟材料，并在相应位置预留出注浆充填巷道和注浆钻孔；

b.开切眼、安设工作面模拟支架；

c.以一定时间间隔开采煤层，每次推进规定步距；

d.当工作面未充填冒落区宽度达到工作面充填支管在采空区长度时，通过工作面充填支管对冒落区进行注浆充填，直至达到预计注浆充填量后，停止注浆工作，并重复一次步骤c；当工作面未充填冒落区宽度未达到工作面充填支管在采空区长度时，同样重复一次步骤c；

e.重复步骤d，直至工作面累计推进距离达到工作面初次来压步距，通过注浆充填巷第一个注浆充填钻孔对冒落区进行二次充填，直至达到预计注浆充填量后，停止注浆工作；

f.重复步骤d，当工作面进入周期来压阶段时，通过工作面后方c/2+b-1米处的注浆钻孔对冒落区进行二次充填，直至达到预计注浆充填量后，停止注浆工作；上述b为周期来压阶段岩梁相对稳定步距，上述c为周期来压步距；

g.重复步骤f，直至工作面回采完毕；

h.充填回采过程中应采集相关信息，其包括应力、位移和充填量。

作为本发明的一个优选方案，上述步骤a中，立方体边长a和层数n的确定包括：

（1）确定相似模拟试验模型的几何相似比C，根据所模拟矿井的地质资料-煤层柱状图，明确直接顶厚度m_z，煤层厚度m；

（2）对破碎顶板冒落之后的碎胀系数进行现场测量，确定碎胀系数K；则模型中对应的直接顶厚度为m_z·C，煤层厚度为m·C，此时煤层厚度m·C等于破碎顶板自由冒落高度；

（3）根据破碎顶板自由冒落高度m·C、碎胀系数K及不同边长立方体碎胀系数和自由冒落高度对应曲线，确定满足要求的立方体边长a；

（4）根据步骤（2）中所述的直接顶厚度m_z·C和步骤（3）所述的立方体边长a确定所需铺设立方体层数n；

（5）按照试验方案进行模型铺设，在铺设的煤层上方均匀铺上云母粉，在云母粉上方均匀铺设单元立方体并保证相邻立方体紧密接触，直至铺设至设计层数。

作为本发明的另一个优选方案，上述步骤c中时间间隔根据时间相似比来确定。

本发明所带来的有益技术效果：