[发明专利]一种“三下”矿体开采的关键层构造方法及其应用

权利要求书

1.一种“三下”矿体开采的关键层构造方法，其特征在于：该构造方法包括以下步骤：

(1)根据矿体内矿块的位置确定拟构造关键层的位置；

(2)根据矿体开采的施工条件和注浆渗透半径情况，确定关键层的厚度；

(3)关键层由管棚和注浆加固区组成，管棚由钢管构建；根据矿块的特征、关键层的厚度、施工情况，依据关键层的最大拉应力小于关键层的等效抗拉强度原理，确定关键层内的钢管数量，关键层内的钢管数量满足下式(I)：

其中：s为关键层内的钢管数量；d为关键层的厚度；a为矿块的长度，b为矿块的宽度；r为钢管直径；μ₁为钢管泊松比；μ₂为加固后岩体泊松比；γ₁为钢管容重；γ₂为加固后岩体容重；σ_t1为钢管固有等效抗拉强度；σ_t2为加固后岩体等效抗拉强度；q₀为关键层上部岩体荷载，q₀＝h₂γ₃+h₁γ₄，h₂为关键层上表面到地表的距离，γ₃为关键层上部矿体的容重，h₁为矿体内水体的深度，γ₄为矿体内水体的容重；

(4)关键层的布孔设计：根据步骤(3)计算向上取整获得的钢管数量s，在拟构造关键层的位置、关键层厚度范围内钻钢管孔和注浆孔，将钢管布设与钢管孔内，由不少于s根数量的钢管构建成管棚，向钢管和注浆孔内注浆加固，构建形成关键层。

2.根据权利要求1所述的关键层构造方法，其特征在于：步骤(1)中所述确定拟构造关键层的位置具体为：

当矿块顶面与地表或水体底面的距离大于L米时，关键层设置在矿块上方M米处；

当矿块顶面与地表或水体底面的距离小于等于L米时，关键层设置在地表或水体底面下方L米处；

其中：L大于等于15，优选为大于等于20；M为1～10，优选为2～5。

3.根据权利要求1或2所述的关键层构造方法，其特征在于：步骤(2)中所述施工条件为矿体内管棚施工巷道墙高；关键层的厚度d为：

其中：l为管棚施工巷道墙高；R为注浆渗透半径。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的关键层构造方法，其特征在于：步骤(3)具体为：

①根据步骤(2)计算的关键层的厚度d，测量矿体内矿块的长度a和宽度b，检测钻孔注浆加固后关键层岩体的泊松比μ₂、容重γ₂，检测加固后关键层岩体的等效抗拉强度σ_t2，测量用于构建管棚的钢管的直径r、泊松比μ₁、容重γ₁，检测钢管的固有等效抗拉强度σ_t1；

②根据步骤(1)确定的拟构造关键层位置，检测关键层上表面到地表或水体底面的距离h₂、关键层上部矿体的容重γ₃、关键层上方的矿体内水体的深度h₁，γ₄为关键层上方的矿体内水体的容重；计算关键层上部岩体荷载q₀；

③通过检测和计算的数据，代入公式(I)中，结果向上取整，计算获得关键层内应布钢管的最少数量。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的关键层构造方法，其特征在于：步骤(4)具体为：根据步骤(3)计算获得的钢管数量s，通过钻机在关键层位置的上、下表面均匀钻钢管孔，将钢管布设在钢管孔内，构建管棚；然后任选地在关键层位置、关键层的厚度范围内钻注浆孔，再向钢管和注浆孔内注浆加固，构建形成关键层。