一种确定关键块裂隙最佳胶结时间的再生顶板控制方法与流程

本发明涉及一种再生顶板控制方法，具体是一种确定关键块裂隙最佳胶结时间的再生顶板控制方法。

背景技术：

再生顶板其实质就是在分层开采过程中，上分层垮落岩层在地层压力作用下被压实并通过自然固结或人工胶结的方式，从而形成下分层的开采顶板。但此种再生顶板整体比较松散、强度较差容易发生冒落片帮等事故，若再次开采扰动顶板围岩应力分布易使顶板裂隙形成漏风通道，加速顶板上覆遗煤的氧化，随着热量的持续积聚将会导致遗煤的自燃，甚至引起矿井瓦斯爆炸。

针对再生顶板控制问题，一些国内学者已经对其进行了部分研究探讨，目前处理再生顶板控制问题的方法主要有两种：喷锚支护与注入胶结材料。在专利号cn201520298556.3的实用新型专利中，提供的一种煤矿巷道锚网、锚杆握勾装置，充分发挥了锚网、锚杆对顶板的联合支护作用，保证了煤岩体巷道的稳定，但锚网与锚杆支护对变形量很大的软岩、塑性较大的回采巷道以及易发生大面积冒顶、垮帮、透水等地质条件不好的情况，并不能有效的完成支护任务，故此，当前使用高性能胶结材料来控制再生顶板更加普遍。如专利号cn201110356148.5的发明，依据物探、钻探、巷探等技术手段确定截割层与承载关键层的厚度与强度后，对采空区顶板进行打孔、施工、灌浆、排气，此种方法可以有效阻止采空区顶板发生冒落片帮事故，显著延长矿井服务年限；专利号cn201910432285.9的发明，主要通过铺设frp格栅来分层充填煤矸石，再最后一次性将自密实混凝土充填入煤矸石空隙中，此种施工方法的工艺简单，形成的再生顶板稳定性好。

上述注入胶结材料对再生顶板进行控制的方法虽然均能起到一定的效果，但是还存在如下问题：①都是对整个再生顶板进行注浆胶结，这样导致所需注浆量较大，并且也未关注不同地质的再生顶板所需最佳胶结材料选择和胶结材料的注入时刻，从而导致对不同地质的再生顶板进行控制的效果相差较大；②在胶结材料注入时均需要额外在再生顶板上打设钻孔进行后续注入工作，这样不仅增加施工流程，而且钻设会导致原有再生顶板结构再破坏，最终导致再生顶板的控制效果较差。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种确定关键块裂隙最佳胶结时间的再生顶板控制方法，无需向再生顶板打设钻孔，直接向关键块的裂隙注入胶结材料，从而能防止再生顶板结构再破坏；同时能确定最佳的胶结材料与胶结材料体积分数和最佳的注入时刻，最终保证对再生顶板的控制效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种确定关键块裂隙最佳胶结时间的再生顶板控制方法，具体步骤为：

a、先对所需控制的再生顶板及巷道进行多个物理参数的测量及计算，多个物理参数具体为：巷道宽度、巷道高度、再生顶板高度、煤柱宽度、实体煤宽度、再生顶板体积模量、再生顶板剪切模量、再生顶板内摩擦角、再生顶板内聚力和再生顶板抗拉强度；

b、利用flac3d模拟软件结合上述物理参数建立两组模拟巷道掘进面，其中一组为巷道两侧具有相同宽度的支撑结构，另一组为巷道两侧具有不同宽度的支撑结构；对两组模拟巷道掘进面均进行网络划分，同时在两组模拟巷道掘进面的再生顶板处均进行网格局部加密，完成两组模拟巷道掘进面的建立；

c、采用flac3d模拟软件分别计算出两组的再生顶板关键层位置、关键块位置与再生顶板裂隙发育过程，具体为：

根据关键层与关键块理论：

q1|m+1＜q1|m

式中，q1|m+1为m+1层的荷载；q1|m为m层的荷载；

若上式成立，则m+1层为关键层，从而得出两组模拟巷道掘进面的再生顶板关键层位置、关键块位置与再生顶板裂隙发育过程；

d、对比两组模拟巷道掘进面的再生顶板关键块位置偏移情况与再生顶板裂隙发育过程，从而得出实体煤支撑宽度变化与关键块位置偏移的对应关系和实体煤支撑宽度变化与裂隙发育过程的对应关系；

e、根据步骤d得出的两种对应关系，确定再生顶板关键块破坏时的荷载，然后对再生顶板关键块进行力学分析，得出再生顶板关键块的单向抗压强度rc；

式中，p为关键块试件破坏时的荷载；a为关键块试件的横断面面积；

f、从所需控制的再生顶板进行取样制作多个结构相同的关键块样本，选择其中一个关键块样本，根据步骤a测量的再生顶板内聚力、再生顶板内摩擦角以及单向抗压强度rc，对关键块样本持续施加外界均布荷载q进行力学相似实验，则外加均布荷载q为：

式中，f为岩块的荷载加自重；θ为关键块旋转角度；h为关键块厚度；l为关键块长度；

在力学相似实验过程中，得出关键块样本的孔隙率变化趋势图，并拟合出关键块孔隙率n与时间t的函数关系：

n＝f(t)+n0

式中：f为关键块孔隙率n与时间t之间的对应函数关系；n0为初始关键块孔隙率，采用已知计算方法(如阿基米德法)结合步骤a中测得的数据计算获得；

g、再从步骤f中选择一个关键块样本，选择一种再生顶板胶结材料及设定胶结材料的体积分数v，将胶结材料注入该关键块样本的裂隙后，重复步骤f中的再生顶板关键块力学相似实验，在实验中若该关键块样本在施加外界均布荷载q后未发生破坏，则本次实验中所对应的胶结材料与胶结材料体积分数v即为达到要求；然后依照上述步骤选择多个关键块样本，并选择不同的再生顶板胶结材料以及不同的胶结材料体积分数v，分别对各个关键块样本进行力学相似实验，在各个达到要求的力学相似实验中选择强度性能最优对应的胶结材料种类与胶结材料体积分数，并确定其为最佳的胶结材料与胶结材料体积分数v1；

h、依据关键块孔隙率n与时间t的关系以及步骤g得出的最佳胶结材料体积分数v1，当时间为t1时，关键块孔隙率为n1，若满足：

n1＝v1

则t1时刻，确定为注入胶结材料的初步时刻；

i、根据步骤h确定的t1时刻，在对所需控制的再生顶板进行处理时，先在t1时刻将最佳胶结材料注入到施工巷道再生顶板关键块中、且注入量为胶结材料体积分数v1；同时在再生顶板关键块中埋入应力应变片，实时观测再生顶板关键块的受力与变形情况，并将反馈的结果进行处理，从而对关键块孔隙率n与时间t的函数关系进行修正，即：

n'＝k*n

式中，n'为修正后的关键块孔隙率；k为修正系数；

j、根据修正后的关键块孔隙率变化函数，再次重复步骤h中的判定方法，若在t2时刻满足：

n1'＝v1

则t2时刻，确定为最终注入胶结材料的最佳时刻；

k、最终按照得出的最佳的胶结材料与胶结材料体积分数v1、最终注入胶结材料的最佳时刻，对所需控制的再生顶板关键块注入胶结材料进行固结处理。

与现有技术相比，本发明采用先对所需控制的再生顶板及巷道进行多个物理参数的测量及计算；然后利用flac3d模拟软件结合上述物理参数建立两组模拟巷道掘进面，其中一组为巷道两侧具有相同宽度的支撑结构，另一组为巷道两侧具有不同宽度的支撑结构；接着采用flac3d模拟软件分别计算出两组的再生顶板关键层位置、关键块位置与再生顶板裂隙发育过程；通过对比两组模拟巷道掘进面，获得实体煤支撑宽度变化分别与关键块位置偏移和裂隙发育过程的对应关系；从而根据对应关系对再生顶板关键块进行力学分析得出再生顶板关键块的单向抗压强度rc；然后制作多个结构相同的关键块样本，选择其中一个关键块样本，结合测量的再生顶板内聚力、再生顶板内摩擦角以及单向抗压强度rc，通过对其施加外界均布荷载q进行力学相似实验，进而得出关键块孔隙率n与时间t的函数关系；再选择多个关键块样本，分别注入多种再生顶板胶结材料以及不同的胶结材料体积分数，并依次进行力学相似实验，选出各个力学相似实验中强度性能最优对应的胶结材料种类与胶结材料体积分数，并确定其为最佳的胶结材料与胶结材料体积分数；进而得出注入胶结材料的初步时刻，对再生顶板关键块进行注浆，并实时检测再生顶板关键块的受力及变形情况，根据监测数据反馈，对关键孔隙率与时间的函数关系进行修正，最终获得修正后注入胶结材料的最佳时刻，然后依据该时刻对再生顶板关键块注入胶结材料进行固结处理。因此本发明无需向再生顶板打设钻孔，直接向关键块的裂隙注入胶结材料，从而能防止再生顶板结构再破坏；同时能确定最佳的胶结材料与胶结材料体积分数和最佳的注入时刻，最终保证对再生顶板的控制效果。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2a是本发明中两侧具有相同宽度的支撑结构的模拟巷道掘进面；

图2b是本发明中两侧具有不同宽度的支撑结构的模拟巷道掘进面；

图3是本发明的再生顶板关键块位置示意图；

图4是本发明的关键块受力示意图；

图5是本发明的关键块孔隙率与时间变化关系图；

图6是本发明的胶结处理时间示意图；

图中，1-模拟巷道掘进面；2-实体煤；3-胶结再生带；4-弱胶结压实带；5-裂隙带；6-弯曲下沉带；7-支撑煤柱；8-关键层；9-关键块。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明的具体步骤为：

a、先对所需控制的再生顶板及巷道进行多个物理参数的测量及计算，多个物理参数具体为：巷道宽度、巷道高度、再生顶板高度、煤柱宽度、实体煤宽度、再生顶板体积模量、再生顶板剪切模量、再生顶板内摩擦角、再生顶板内聚力和再生顶板抗拉强度，具体参数如表1：

表1

b、利用flac3d模拟软件结合上述物理参数建立两组模拟巷道掘进面1，其中一组为巷道两侧具有相同宽度的支撑结构，另一组为巷道两侧具有不同宽度的支撑结构；对两组模拟巷道掘进面1均进行网络划分，同时在两组模拟巷道掘进面1的再生顶板处均进行网格局部加密，完成两组模拟巷道掘进面1的建立；

c、采用flac3d模拟软件分别计算出两组的再生顶板关键层8位置、关键块9位置与再生顶板裂隙发育过程，具体为：

根据关键层与关键块理论：

q1|m+1＜q1|m

式中，q1|m+1为m+1层的荷载；q1|m为m层的荷载；

若上式成立，则m+1层为关键层8，从而得出两组模拟巷道掘进面的再生顶板关键层8位置、关键块9位置与再生顶板裂隙发育过程；

d、对比两组模拟巷道掘进面的再生顶板关键块9位置偏移情况与再生顶板裂隙发育过程，从而得出实体煤支撑宽度变化与关键块9位置偏移的对应关系和实体煤支撑宽度变化与裂隙发育过程的对应关系；

e、根据步骤d得出的两种对应关系，确定再生顶板关键块9破坏时的荷载，然后对再生顶板关键块9进行力学分析，得出再生顶板关键块9的单向抗压强度rc；

式中，p为关键块试件破坏时的荷载；a为关键块试件的横断面面积；

f、从所需控制的再生顶板进行取样制作多个结构相同的关键块样本，选择其中一个关键块样本，根据步骤a测量的再生顶板内聚力、再生顶板内摩擦角以及单向抗压强度rc，对关键块样本持续施加外界均布荷载q进行力学相似实验，则外加均布荷载q为：

式中，f为岩块的荷载加自重；θ为关键块旋转角度；h为关键块厚度；l为关键块长度；

在力学相似实验过程中，得出关键块样本的孔隙率变化趋势图(如图5所示)，并拟合出关键块孔隙率n与时间t的函数关系：

n＝f(t)+n0

式中：f为关键块孔隙率n与时间t之间的对应函数关系；n0为初始关键块孔隙率，采用已知计算方法(如阿基米德法)结合步骤a中测得的数据计算获得；

g、再从步骤f中选择一个关键块样本，选择一种再生顶板胶结材料及设定胶结材料的体积分数v，将胶结材料注入该关键块样本的裂隙后，重复步骤f中的再生顶板关键块力学相似实验，在实验中若该关键块样本在施加外界均布荷载q后未发生破坏，则本次实验中所对应的胶结材料与胶结材料体积分数v即为达到要求；然后依照上述步骤选择多个关键块样本，并选择不同的再生顶板胶结材料以及不同的胶结材料体积分数v，分别对各个关键块样本进行力学相似实验，在各个达到要求的力学相似实验中选择强度性能最优对应的胶结材料种类与胶结材料体积分数，并确定其为最佳的胶结材料与胶结材料体积分数v1；

h、依据关键块孔隙率n与时间t的关系以及步骤g得出的最佳胶结材料体积分数v1，当时间为t1时，关键块孔隙率为n1，若满足：

n1＝v1

则t1时刻，确定为注入胶结材料的初步时刻；

i、根据步骤h确定的t1时刻，在对所需控制的再生顶板进行处理时，先在t1时刻将最佳胶结材料注入到施工巷道再生顶板关键块中、且注入量为胶结材料体积分数v1；同时在再生顶板关键块中埋入应力应变片，实时观测再生顶板关键块的受力与变形情况，并将反馈的结果进行处理，从而对关键块孔隙率n与时间t的函数关系进行修正，即：

n'＝k*n

式中，n'为修正后的关键块孔隙率；k为修正系数；

j、根据修正后的关键块孔隙率变化函数，再次重复步骤h中的判定方法，若在t2时刻满足：

n1'＝v1

则t2时刻，确定为最终注入胶结材料的最佳时刻；如图6所示；

k、最终按照得出的最佳的胶结材料与胶结材料体积分数v1、最终注入胶结材料的最佳时刻，对所需控制的再生顶板关键块注入胶结材料进行固结处理。