文摘

力和能量的载体,大规模破坏或弯曲huge-thick集团往往会诱发冲击地压采场和隧道。huge-thick集团下的地层运动进行了研究,主要是基于地面控制的关键层理论。基于这一理论,huge-thick集团可以视为主关键层,和地层运动或基层的发展状态下huge-thick集团将影响结构本身,这可能导致采场和隧道岩爆。灌浆技术被证明有效地限制弯曲解决企业集团,集团控制应力集中,并提高岩爆的来源的结构,这是一个有效的方法控制huge-thick集团。本文研究了注浆充填材料的优化比例由正交实验,结果表明,材料的优化比例是水泥:粉煤灰:煤矸石1:2.22:4.44,浓度75%。在这种情况下,可泵性和强度达到最好的。与此同时,一项新技术,称为口袋分析灌浆技术,本文提出。它可以防止漏浆,保护环境,提高注浆成型法的效率。该技术在华丰煤矿的应用表明,它不仅实现了安全、高效、绿色的煤矿也提供技术支持,控制发生的岩爆引起的运动huge-thick集团在深部开采。

1。介绍

岩爆是一个大问题在采矿工程带来了巨大的威胁煤矿生产和人民生命安全1]。岩石破裂引起的上覆岩层运动和再分配深部矿体开采引起的应力场是一个最重要的深灾害(2]。问题研究深受郭等人发现,这家运动岩爆的可能是一个内部原因(3]。根据实地观察,集团的主要力源的运动在深矿井岩爆,影响岩爆的周期性的运动。目前,学者们基本上达成了共识,superthick集团床的运动是岩石破裂的主要原因之一(4- - - - - -6]。在挖掘的过程中,这个分离发展superthick砾岩层会发生不利影响采矿。为了解决这个问题,分离区注浆技术是探索7]。

分离灌浆和填充技术发挥了积极作用在控制巨厚砾岩层的运动,从而控制岩爆的发生(8]。在1960年代,充填开采是在中国开发的。作为一个绿色开采的关键技术,它可以有效地控制地表沉陷9- - - - - -11]。煤层开采过程中上部地层的运动可能形成离层空间。灌浆技术,从地面钻一个洞在一个适当的位置,然后填充泥浆将注入离层空间通过高压的洞。泥浆充填体和裂隙岩体作为一个整体来支持上覆地层形成,从而减缓地层表面运动的传播,最终达到控制地表沉陷的目标(12]。在中国,因为在逐级进行实地测试的成功,灌浆技术推广和应用在10多个矿山13]。与传统的脸灌装技术相比,分离注浆充填技术完全是在地面进行钻孔、灌浆系统完全分开的生产系统。因此,不需要改变的地下采矿技术中心。灌浆技术有利于实现高效和安全的煤矿,并打开了一个新的绿色开采技术。

目前,学者们的研究在分离灌浆和填充技术主要集中在塌陷机制,灌浆技术,减沉效果,和其他方面,产生了许多有价值的成果(14- - - - - -16]。然而,很少有研究岩爆的发生在工作面可以减少从控制的角度弯曲和断裂的上覆superthick砾岩层。针对这一点,本研究试图探讨通过采用离层注浆加固技术限制的运动厚砾岩层的机理研究的离层注浆技术,离层注浆充填材料配比优化和离层注浆过程,提出一种新型的口袋分析注浆加固技术消除诱发冲击地压的力量。本研究将有积极的作用的防治冲击地压的发生在煤工作面。

2。研究岩爆防治机制通过分离灌浆和填充

集中地区或源开发和发展在深井superthick集团和岩石破裂是由主关键层的暴力活动。弯曲、断裂或主关键层上覆压力起着非常重要的作用在岩爆的发生17- - - - - -20.]。分离注浆充填技术不仅可以支持上部地层和紧凑的较低的地层也扩大分离空间通过增加注入压力。这样,长期稳定的主关键层上覆地层可以保证,和能量积累和转移造成的破裂的主要关键层可以被消除,从而减少导致岩爆的风险来源。

由于出现大面积的分离空间的下部superthick集团,形成高应力集中一个圈分离层。被转移的压力集团下面的岩体和原始支持压力叠加在工作面和巷道形成应力场产生影响,导致大量的弹性能量的积累在采场周围煤岩体。分离灌浆后,superthick集团之间的接触面积和较低的层的增加,和负载的一部分superthick集团通过回填转移到较低的地层,这减少了接触表面的应力集中在分离层。同时,回填限制superthick集团的一系列温和的沉降,减少表面反弹的程度,围岩质量的约束力superthick集团也就相应地减少了。周围的应力在接触表面分离层是灌装前相比显著降低。自从回填采空区传递压力,采空区股票部分上覆荷载的集团,这减少了煤体的应力集中,降低岩石破裂的风险,如图1。

2.1。离层充填体的分布

分离煤矿注浆充填材料一般选择煤电厂粉煤灰。粉煤灰的物理性质是稳定的,而且价格相对较低(21,22]。粉煤灰回填通常可以定义为弹塑性流体在流体力学。分离的运动是一个动态的过程。的流速和压力的差异分离,分离灌浆体的主体是不同的。离层注浆体在离层空间沉淀,其他泵送泥浆泵的压力下仍将泥浆沿分层的空间发展方向,继续向前流扩展,直到泵送压力损失后,和停止流动,分离沉淀,和几个小固体颗粒可以按照开发、新裂缝的扩张,随着粒子沉降的数量达到一定量的离层注浆充填经验积累成灰坝;离层注浆充填体在离层分布形式如图2。

2.2。压力灌浆回填分离的模式

离层注浆充填体的应力模型提出了基于岩石梁理论的研究与应用(23]。离层的形成过程中,上部岩层离层的可以被假定为固支梁。固支梁的参数均匀分布载荷问、高度的h的弹性模量E和离层跨度l,上部地层断裂的两端的最大挠度计算

如果假设离层上部岩层作为简支梁,最大挠度unfractured两端上部岩层可以计算如下:

如果弯曲沉降达到最大值时,没有外力支持上部地层。的应力方向回填在分离空间主要是挤压主要覆盖关键层和底层覆层,如图3。

分离灌浆过程中,上部岩石梁,也主关键层,接收一个向上的均匀分布回填的支持力量。简单的支撑梁的最大挠度的支持力量P是

固支梁的最大挠度

可以看出,灌浆条件下岩石梁的挠度明显小于岩石梁的最大挠度比没有灌浆。换句话说,相比之下,岩石梁的最大挠度比没有灌浆,灌浆条件下岩石梁的挠度明显变小。离层注浆充填体的影响下,上覆岩层运动将发生巨大的变化,尤其是主关键层运动,如变形或断裂,然后整个采场覆岩运动应力积累和再分配。根据岩石破裂的机理开始,这些变化最终会限制工作面冲击地压的发生。

3所示。优化测试分离注浆充填材料的比率

注浆充填材料的性能是关键的成功分离注浆充填采矿技术(24]。基于填充材料的不同,常见的煤矿灌浆和充填采矿技术可分为煤矸石回填灌浆和填充技术,总尾矿胶结充填,矸石建筑垃圾固井和填充技术,和高水位的灌装技术(25]。

注浆充填材料的比例的优化不仅可以提高充填质量也降低充填成本,给煤矿带来巨大的经济效益。然而,很少有研究分离的比例在中国煤矿注浆充填材料,和分离的设计比注浆充填材料相对随意,缺乏一定的科学依据(26]。正交试验是一种科学的方法来研究和处理多个因素,它具有“均匀分散和均匀的比较”,用更少的测试时间(可以获得更好的结果27]。本文创造性地使用正交试验方法优化注浆充填煤矸石分离材料的比率。

3.1。试验材料和方法

正交试验的基本特征模型来代替综合测试与部分测试了解全面试验的情况通过部分试验结果的分析28]。根据实验中的许多因素,每个因素的水平,我们选择合适的正交表来安排试验并利用数理统计的方法处理数据。这种方法可以方便找出主要因素产生重大影响测试指标,并确定的因素,使测试指数达到最好的水平。

在这个实验中使用的填充材料是水泥、粉煤灰和煤矸石。325普通硅酸盐水泥,水泥和粉煤灰取自戴庄煤矿电厂的粉煤灰。密度为2.24吨/米³渗透系数是3.3×10⁵cm / s。煤矸石是取自煤矸石(粒度≤25毫米)在戴庄煤矿二次破碎后,含水量是5%,密度为2.5吨/米³渗透系数是2.3×10⁴cm / s。共9组进行测试。设置时间,衰退、分层和出血率浆浆搅拌均匀后测量并记录。三个测试块涌入每组测试,以及测试块的大小(15×15×15)厘米³。剥离模具后,养护进行恒温养护箱。固化温度是22±1°C,湿度≥90%。养护28天后,分别达到指定的年龄,单轴抗压强度是衡量YAW400压力试验机,和实验结果都包含在正交分析表。

3.2。正交试验设计方案

通过引用相关研究经验,结合煤矿注浆充填工程实践经验,这灌浆和填料比测试分为三个因素:水泥含量(水泥质量/混合物质量),火山灰和煤矸石比率(粉煤灰:煤矸石)B,和回填浓度c。通过分析这三个因素,三因素三水平的正交试验是采用在这项研究。回填的指标来衡量性能回填可泵性和回填的力量。回填可泵性主要包括初凝时间、程度的崩溃,分层度,出血率。因此,本次测试的指标设定时间(D₁崩溃),学位(D₂)、划线学位(D₃),出血率(D₄回填),抗压强度(D₅)(28 d)。每个因素的值如表所示1。

根据正交试验的规定,结合实际情况,l₉(33)正交表填写选择的因素和水平表2,每组测试的具体情况列出。实验是根据测试方案(表进行2),测量结果表填写3。

3.3。测试结果

分别D₁来D₅被用作调查指数计算K,k,R表的每一列的值2,在那里K_我(列j)=指标数的总和”我“在列j;K_我(列J)=数量的重复”我“在列j;R(列j)=最大值和最小值之间的差异k₁,k₂,k₃在列j....计算结果如表所示4- - - - - -8。

3.4。结果分析

3.4.1。范围分析

通过分析的范围R₁∼R₅在表中4- - - - - -8的范围,可以看出各因素对回填设置时间是水泥含量、浓度,gray-gangue比率从最大的到最小的。回填崩溃的范围集中,ash-gangue比率,和水泥的内容。分层的范围程度和出血率回填范围从大到小是gray-gangue比,浓度,和水泥的内容。回填强度的范围从大到小是水泥含量、浓度,gray-gangue比率。它可以总结如下:(1)水泥含量的主要因素影响回填的凝结时间和强度。这主要是由于水泥熟料矿物的水解和水化反应在水里,生成C-S-H凝胶和Ca(哦)₂C₃啊₆、尾和其他产品。这些产品具有很强的胶结性,在某种程度上,他们相互重叠和加入不同重力形成水泥石的结构,从而产生力量。(2)回填的密度是影响沉降的主要因素程度的回填,和粉煤灰和煤矸石的比例直接影响分层度和回填的排水速度。这主要是由于粉煤灰和煤矸石之间的粒度分布,即细骨料和粗骨料。此外,粉煤灰具有大的比表面积和强大的吸收水分的能力,导致某些分泌回填的属性。

3.4.2。直观的分析

虽然范围分析可以定量地确定每个因素的敏感性回填的性能指标,它不能看到每个索引的变化趋势与每个因素。以每个因素为坐标,每个指数的平均值y协调,因素和指标的趋势图,如图4- - - - - -8。

从数据可以看出4- - - - - -8,回填的设置时间逐渐随水泥含量的增加而减小。与回填浓度的增加,回填的崩溃程度减少,这是反映在减少流动性,适当的增加粉煤灰的内容有利于改善回填流动性。与煤矸石的增加,分层度和出血回填率大大降低,但浓度的变化几乎没有影响,表明粉煤灰的比例的合理控制煤矸石(这个测试是1:2)有利于减少分层程度和出血的回填,回填的泵。回填土的强度随水泥含量的增加,浓度也对回填土的强度有一定的影响。回填土的强度随浓度的增加,但增加不大,约为7%。

3.4.3。比优化结果

根据前面的分析和直观的分析范围,按照原理,金川公司注浆充填材料配比设计,泵送充填体的参数设置,一般4到6小时衰退18∼22厘米,2厘米或更少的分层度,对出血率≤2%,σ_{28 d}≥1.5 MPa。可以看出,(1)D₁通过对比实验因素,最优匹配(3),(2),和C (3);(2)D₂(2)、B(1)和C(2)选为最佳匹配;(3)D₃(3)、B(3)和C(3)选择最优匹配;(4)D₄(3)、B(3)和C(3)选为最佳的协调;和(5)D₅(3)、B (3), C(1)选择最优协调。全面考虑5索引,回填材料试验的最佳比例是(3),B (3), C (3)。换句话说,水泥胶结材料含量15%,粉煤灰是1:2对煤矸石,回填浓度(即75%。水泥:粉煤灰:煤矸石是1:1.33:2.66)。回填的实验测量,设置时间是6小时,崩溃程度是21.5厘米的条件下比。分层度是1.8厘米。出血率为1.5%。σ_{28 d}= 4.7 MPa,完全符合注浆充填材料的设计原则金川公司的比率。

4所示。研究一种新型的口袋分析注浆技术

为了有效防止岩爆的发生superthick集团下,本研究提出一种口袋层加固技术在superthick集团基于以前的研究成果和实践的分离灌浆。测试网站是1410 #工作面华丰煤矿、和孔钻沿倾斜方向布局,预计离层的最大高度。这意味着钻孔是沿着方向的布局地区提高矿区和矩形或三角形的安排是145从1410年开始减少的脸。水井的间距一般是25毫米,孔的深度是982米,洞的直径是240毫米到300毫米。从下到上,地层结构的现场测试区域是粉砂岩与直接2.6,罚款中砂岩厚度约20米在老,和superthick集团的实际厚度800米。分离层钢筋材料混合粉煤灰、水泥、外加剂和水按照一定比例砂浆质量浓度的60%∼75%是一种paste-like回填材料。灌浆压力是保持在0.4∼0.6 MPa,灌浆体积每米120∼130 L,和灌浆流是50∼65 L / min。灌浆的方法是自下而上的,下一节的灌浆后只能进行口袋灌浆设计的最后部分。的第一次灌浆设计数量的70%,剩下的灌浆在每30分钟两次完成。

4.1。项目总结

选择的华丰煤矿1410工作面在研究区,1140米的垂直开采深度和superthick集团500 - 800米的煤层厚度。4 #和6 #煤前组是主要的煤层。煤的平均倾角地层是33°,煤层的平均厚度为6.41米,平均煤层的厚度是2.6米以上屋顶。困难的旧屋顶是由四层的中间砂岩厚度约4 - 5 m和两层粉砂岩厚度约5 - 6米。此外,约150∼200 m以上4 #煤、砾岩层厚度为500∼800是存在的,这是主关键层。砾岩层是困难的和具有良好的完整性。现场监测数据显示,4 #煤有严重破裂责任和强大的破裂压力破坏能力,导致损害的支持,屋顶倒塌,道路堵塞,甚至人员伤亡在多个工作的脸。岩爆的发生也引起地表沉陷。表面上直接华丰煤矿1410工作面上方,有一个明显的沉降面积,和一个巨大的斑状裂缝几百米的长度,宽度2∼3 m和深度50∼80是通过表面形成的。

4.2。分离和测定钻孔位置

根据理论研究、实验室测试和现场经验,灌浆孔的扩散半径通常约30米。然而,考虑到实际充填效果,但从现场调查的几个煤矿注浆半径通常是沿煤层走向160∼250和130∼200煤层倾角。对于身体滑向接近水平的煤系岩地层后,分离灌浆孔通常安排在中心沿倾斜方向,沿走向和孔距方向是30∼50米。对煤系岩地层倾角大,钻孔应位于该地区提高矿区和预测方向分离的身高是最高的。孔间距沿走向方向是20∼40米。在灌浆过程中,泥浆将首先分离空间填满山的一部分,然后填补盆地的中心。

根据输水断裂带高度的计算方法在煤矿防治水规定,断裂带的发育高度机械化放顶煤开采时126.75第四届计算煤层华丰煤矿。当工作面推到250,这个分离高度是158 > 126.75,还有一个15.6米泥岩作为良好的防水层以下,可用于分离灌浆。因此,灌浆进行分离,当工作面推到250∼290,和分离卷290米到达最高3.5米,跨度分离也达到85米,最大的分离灌浆的最好时期。灌浆孔应安排在矿区的方向山顶,145离切孔,钻孔的深度是982米。在灌浆过程中,泥浆将首先填满山的一部分的分离空间,然后填补盆地的中心,直到整个分离,如图9。

4.3。灌浆系统和主要设备

灌浆系统的布局和区域相关的主要类型、数量和选定的灌浆材料的设备。如图10灌浆系统的主要设备如下:注浆泵、搅拌机、风机的压力,测量仪表,管道、供电系统、混合槽、灌浆材料存储位置,在车站等设备应排列整齐,简洁的目的使用,方便操作和维护。灌浆系统应该尽可能灌浆,灌浆线是短和不弯曲,以减少损失的灌浆线和压头(29日]。

的主要大型设备灌浆系统高压注浆泵。3 dzb-80/35灌浆泵由兰州Xibao石油机械设备有限公司有限公司被选中。3 dzb-80/35注浆泵的性能参数如表所示9。

4.4。分离灌浆加固过程

superthick集团下的窝形强化分离过程包括七个步骤:施工准备、钻孔、灌浆管和口袋,注浆管和口袋绑定和洞沉没,泥浆制备和灌浆,灌浆管,通过钻孔回填,冲洗注浆管,如下:(1)施工准备:水泥和粉煤灰,分别筛选,以确保他们不结块并存储在筒仓。水、水泥、粉煤灰和外加剂准备的基础上,设计了比例。测试面积趋于平稳,和灌浆洞是腾空的全站仪等测量设备或GPS。一般来说,灌浆孔排列沿着趋势和采场的趋势方向的脸和矩形或三角形布局,通常间隔10∼30米。具体布局应根据现场实际情况确定。混合器设备、高压注浆泵、钻机等设备并安装到位。(2)钻孔:大功率工程地质钻机(> 58千瓦)或DZ60KS式振动锤凿井机是用于钻到设计深度。洞的直径是240 - 300毫米,钻孔倾角小于1%。(3)使注浆管和口袋:通常,注浆管是由钢管的外直径40毫米,内直径35毫米。注浆管的长度通常是大于设计钻孔深度,这是400毫米∼600毫米。有一个弯曲的上端注浆管,连接高压胶管奠定一个梅花形状的灌浆洞在300∼400毫米的地方远离底部的钢管。孔的大小是8∼10毫米,每一行的数字是3∼4。总共6∼8圆孔钻促进浆的流动的管道。口袋是无缝编织尼龙纤维,180 g∼220 g / m2,直径500∼600毫米,比设计洞长600∼700毫米。(4)把口袋里,低孔的灌浆管:首先,我们覆盖了尼龙口袋底部灌浆管的外面,领带的低端的口袋里没有。14细线,然后折叠底部结束回到250∼300毫米,底部和领带没有结束。14细线,为了防止漏浆。从口袋的底部每0.8至1.2米,我们使用橡胶覆盖或没有。11丝领带灌浆管上的口袋里。顶部的口袋,口袋和一个塑料环,确保环可以在灌浆管滑动。钻孔后清洗,口袋的注浆管是慢慢地放到了钻床钻孔绞死。当口袋里达到设计高度,也就是说,分离区,它将停止降低下来。(5)混合和灌浆:准备水泥和粉煤灰通过标准筛防止水泥和粉煤灰胶凝和影响泥浆的质量。每个材料都是重按设计比例,我们把它放到搅拌机混合,混合时间是不少于90年代。混合完成后,泥浆进入高压注浆泵。由hb6-3高压注浆泵、泥浆注入尼龙口袋里通过地面注入管,高压胶管,注浆管弯头,注浆管。(6)退出灌浆管:在口袋的灌浆量达到设计要求,当注浆量和注浆压力基本上是一样的设计要求,口袋已经完全展开。此时,YJ.50成型机可以用来慢慢退出灌浆管。值得注意的是,绘图速度和灌浆速度此时应该协调,必须控制在0.5∼0.8 m / min,和灌浆压力应保持在0.4∼0.6 MPa。注浆钢管完全退出后,沙和砾石上层空孔,用于回填和地面同时摇晃并压实。(7)冲洗注浆钢管和移动到下一个洞在接下来的循环:为了提高工作效率,可以用于并行操作多个灌浆泵缩短施工周期。

4.5。灌浆的影响在不同的地层

根据工业测试数据,口袋分层加固材料的技术指标如下:浆表观密度是1.4 - 1.6∼g / cm³质量浓度是60∼70%,粘度是32∼35 s,出血率是0∼3%,崩溃学位是22日∼26厘米,和初凝时间小于4 h。单轴抗压强度σ_{8 h}> 0.5 MPa和σ_{7 d}> 2.5 MPa。有别于传统的分离灌浆过程中,窝形层分离强化技术,在煤矿的早期阶段,横向和纵向钢筋可以在该地区进行了关键层下容易分离,使软岩在分离区有一定的抗弯抗剪和抗压强度,改变传统的被动postseparation灌浆积极强化分离。控制地表沉陷和防止煤层破裂,有必要限制分离层的发展,确保关键层不坏了。通过隔离功能的口袋,泥浆不会泄漏,会通过裂缝蔓延至工作面,污染环境。灌浆材料的成本控制,为每个钻孔灌浆总额约为18.84 t基于的泥浆比重1.5 t / m³口袋直径400毫米,口袋的设计高度100米。根据灌浆材料成本约150元/ t,灌浆材料的单洞钻井成本约为2836元。一般来说,罢工的采场长度是1000米,倾斜长度100米。根据注浆孔间距20 m,是钻一个洞的总数约为200,和总成本约为567,200元。如果煤层的体积密度为1.37吨/米³和可开采的煤层的厚度是3 m,那么总可开采的煤表面是411000吨,和灌浆材料总吨煤成本只有1.38元/ t。因此,强化分离技术具有一定的经济、社会和环境效益,具有一定的推广价值。

5。结论

使用范围广泛的发生分离superthick集团下煤层开采后,上覆岩层分离灌浆不仅可以减缓地表沉陷也抑制地下岩爆的发生。

通过建立应力模型的分离灌浆回填,发现分离注浆充填技术可以有效地限制集团弯曲沉降,抑制浓度和累积的压力集团,从而提高力源结构的岩石破裂,并扮演一个角色在减缓地表沉陷和预防灾难的影响。

材料的优化测试比率显示,增加水泥含量可以缩短凝结时间和增加回填的力量。回填的崩溃程度,即流动性,实现主要是通过减少回填浓度。适量的粉煤灰可以改善回填的流动性。然而,随着粉煤灰的增加,程度分层和水分泌率均增加。因此,粉煤灰内容应严格控制在实际生产。这个测试的条件下,得出最优比例的煤矸石水泥灌浆充填材料:粉煤灰:煤矸石1:2.22:4.44,浓度是75%。这一比例的条件下,可泵性和强度的回填是最好的。

在本文中,一种口袋分析灌浆技术,提出了可用于横向挤压和纵向钢筋层分离区,这层分离的软岩地区有一定的弯曲,抗剪和抗压强度,传统被动postseparation灌浆加固可以变成活跃层分离。这种技术可以防止漏浆,保护环境,提高灌浆效率,降低灌浆成本,实现安全、高效、绿色的煤矿。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文中引用的工作得到了国家自然科学基金的资助中国没有。41601593),山东工商大学博士科研基础,中国(BS202005)。