技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 本发明技术方案包括：
[0006] 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：
[0007] 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；
[0009] c.以一定时间间隔开采煤层，每次推进规定步距；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] g.重复步骤f，直至工作面回采完毕；
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] （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mz，煤层厚度m；
[0017] （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mz·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；
[0018] （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；
[0019] （4）根据步骤（2）中所述的直接顶厚度mz·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；
[0020] （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。
[0021] 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。
[0022] 本发明所带来的有益技术效果：
[0023] 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，通过采用规则立方
体模拟直接顶可以实现破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟试验对破碎顶板随采随冒的要求，且通过调整立方体边长和自由冒落高度实现其冒落之后其碎胀系数可控，从而保证破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟试验可以更好的模拟现场，解决原有用相似材料模拟垮落带垮落过程不准确和结果与实际不符等问题。
[0024] 通过本发明模拟方法可以直观的模拟现场破碎顶板冒落区注浆充填过程、冒落矸石注浆充填体压实过程和上覆岩层运动过程等，对于科学研究和教学具有重要意义。
附图说明
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：
[0026] 图1为本发明不同边长的立方体自由冒落高度和碎胀系数对应曲线图；
[0027] 图2为本发明相似模拟试验破碎顶板模拟方法
流程图；
[0028] 图3为本发明破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟系统部分结构示意图；
[0029] 图4为本发明相似模型注浆充填示意图；
[0030] 图中，1-手动注浆机；2-浆液；3-加压
阀；4-压力表；5-
截止阀；6-三通；7-流量计；8胶管一；9-注浆充填巷道；10-注浆钻孔；11-工作面充填支管；12-基本顶；13-煤层；14-煤层底板。
具体实施方式
[0031] 为了更好的理解本发明，下面首先对破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟系统做清楚、完整的说明。
[0032] 如图3所示，一种破碎顶板冒落区注浆充填相似模拟系统，包括手动注浆机1、位于手动注浆机内的浆液2和相似模型，手动注浆机1的顶端设置有出口，出口处连接有三通6，三通通过连接件分别与胶管一8、胶管二和胶管三连接，胶管一伸入浆液2；
[0033] 如图4所示，相似模型
自下而上包括煤层底板14、煤层13、直接顶、位于基本顶12及以上岩层中的注浆充填巷道9（也可称为高位注浆充填巷），煤层的冒落区设置有充填支管，充填支管安设在工作面模拟支架上，煤层13由相似材料组成，直接顶由一定边长的立方体组成，注浆充填巷道9有若干条，每条注浆充填巷道的中心处设置有注浆钻孔10，胶管二与工作面充填支管11相连，胶管三与注浆钻孔10相连；手动注浆机1的顶端分别连接有压力表4和加压阀3，压力表4实时监测浆液压力，为了便于控制胶管二和胶管三浆液的流向，在上述胶管二、胶管三上均设置有流量计7和截止阀5；
[0034] 注浆充填巷道9布置在工作面上方，且其轴向垂直于工作面推进方向，注浆钻孔位于高位注浆充填巷道的中心处，注浆钻孔底部伸入冒落带。
[0035] 结合图1、图2所示，本发明，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：
[0036] 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；
[0037] b.开切眼、安设工作面模拟支架；
[0038] c.以一定时间间隔开采煤层，每次推进规定步距；
[0039] 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；
[0040] 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；
[0041] 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；
[0042] g.重复步骤f，直至工作面回采完毕；
[0043] 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。
[0045] 某矿某层煤赋存条件如下：煤层厚度m=3m，直接顶厚度mz=4m，直接顶岩石碎胀系数K=1.3，邻近工作面初次来压步距为c0＝40m，周期来压步距为c＝12m，周期来压阶段岩梁相对稳定步距为b＝8m，充填支管在采空区长度为10m。
[0046] 1、模型的设计及铺设，其过程如下：
[0047] ①确定相似模拟试验模型的几何相似比C＝1/100；
[0048] ②根据相似材料配比及铺设方案铺设煤层底板及煤层；
[0049] ③用于模拟直接顶立方体边长a和层数n的确定及铺设，其过程如下：
[0050] A、煤层厚度m=3m，直接顶厚度mz=4m；
[0051] B、直接顶岩石碎胀系数K=1.3；
[0052] C、则模型中对应的直接顶厚度为mz·C=40mm，煤层厚度为m·C=30mm，破碎顶板自由冒落高度等于煤层厚度等于30mm；
[0053] D、根据破碎顶板自由冒落高度等于30mm、碎胀系数K=1.3和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=8mm；
[0054] E、根据模型中所需模拟的直接顶厚度mz·C=40mm和通过⑤确定的立方体边长a=8mm，确定所需铺设立方体层数
[0055] F、最终确定用边长a=8mm的立方体来模拟该条件下的破碎顶板，共需要铺设5层；
[0056] ④在立方
块岩层上方正常铺设相似模拟材料，直至完成试验铺设，并在相应位置预留出高位注浆充填巷和注浆钻孔，第一个注浆充填巷距开切眼c0/4＝10m，第二个注浆充填巷距离第一个注浆充填巷c0/2＝20m，从第三个注浆充填巷开始距离上一个注浆充填巷c＝12m；
[0057] 2、开切眼（开切眼宽度为5cm）、安设工作面模拟支架；
[0058] 3、每间隔2h开采一次煤层，每次推进步距为5cm；
[0059] 4、此时工作面未充填采空区宽度等于工作面充填支管在采空区长度，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停止注浆工作，重复一次步骤3，工作面向前推进5cm；
[0060] 5、此时工作面未充填采空区宽度小于工作面充填支管在采空区长度，重复一次步骤3，工作面向前推进5cm；
[0061] 6、重复步骤4、5，直至工作面累计向前推进40m时，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；
[0062] 7、重复步骤4、5，工作面进入周期来压阶段，通过工作面后方13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；
[0063] 8、重复步骤7，直至工作面回采完毕；
[0064] 9、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。
