CN209590015U - 一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，包括二维试验台，二维试验台内从下至上依次设置煤层、直接顶、基本顶、软岩层一、关键层一、软岩层二、关键层二、软岩层三、关键层三、松散层，松散层上表面设加载装置，在关键层三和软岩层三之间设有观测线一和二，关键层二和软岩层二之间设有观测线三和四、关键层一和软岩层一之间设有观测线五和六；观测线一、三和五分别埋在三个关键层内的最底部区域，观测线二、四和六分别埋在三个软岩层内的最顶部区域。本实用新型可准确观测出覆岩离层具体情况及充填后的效果，其注浆控制模拟***通过三级套筒序列注浆，可控制上位岩层的移动与变形，减小地表沉陷。

Description

一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***

技术领域

本实用新型涉及煤矿地表沉陷控制技术领域，特别涉及一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***。

背景技术

我国是一个具有丰富煤炭资源的国家，已探明的煤炭储量约占世界煤炭储量的12.6％，同时也是产煤大国。我国煤炭产量多年来居世界第一位，每年从地下采出的煤炭超过38亿吨。过去几十年，我国煤炭资源在无序、粗放式开采下，许多煤炭资源开采地区地面出现大规模沉陷，地表沉陷对于矿区的生态环境有着巨大的破坏作用，并且伴随带来水土流失、土地荒漠化等环境问题，因此由于煤矿开采带来的沉陷以及相关的环境问题，越来越引起人们的重视。

为了安全开采“三下”煤炭，减少地面沉陷，保护矿区环境，多年来国内外采用了多种不同的开采技术措施。其中，覆岩离层注浆充填减沉是一种控制地表沉陷的新技术，主要是利用从地面布置的钻孔向岩移过程中形成的离层空洞内充填外来材料，从而起到支撑覆岩的作用，以达到降低岩层向地表移动传播的速度。注浆材料随着离层带岩层的弯曲、变形甚至破裂，在高压泵送作用下扩散、运移、堆积并逐渐充实离层空间。

目前，覆岩离层注浆充填技术主要集中于对单一层位进行注浆充填，而这仍然有许多不足之处。第一，由于地层结构的复杂性,在平面上变化较大,难以保证单一注浆层位就是最佳层位；第二，单一层位注浆,一旦因停泵等意外事故, 会导致所注浆的离层面闭合,则无法恢复注浆。即使在该注浆层位之上又形成了新的离层,由于注浆钻孔的结构限制,也难以在上层位注浆。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，能够实现多层位注浆充填，使之控制覆岩移动和地表移动变形。

本实用新型的技术方案是：一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，包括二维试验台，所述二维试验台内从下至上依次设置煤层、直接顶、基本顶、软岩层一、关键层一、软岩层二、关键层二、软岩层三、关键层三、松散层，松散层上表面设置加载装置，在所述关键层三和软岩层三之间设有观测线一和观测线二，关键层二和软岩层二之间设有观测线三和观测线四、关键层一和软岩层一之间设有观测线五和观测线六；观测线一、观测线三和观测线五分别埋在三个关键层内的最底部区域，观测线二、观测线四和观测线六分别埋在三个软岩层内的最顶部区域；从松散层表面分别***用于注入浆液的注浆套管，注浆套管包括一级套管、二级套管以及三级套管，其中一级套管的下端***到所述关键层一和软岩层一的交界面处，对应于关键层一和软岩层一之间的离层空间，二级套管的下端***到所述关键层二和软岩层二的交界面处，对应于关键层二和软岩层二之间的离层空间，三级套管的下端***到所述关键层三和软岩层三的交界面处，对应于关键层三和软岩层三之间的离层空间。上述所述的煤层、直接顶、基本顶、软岩层一、关键层一、软岩层二、关键层二、软岩层三、关键层三、松散层的材料均采用所要模拟的地区的实际各对应岩层材料。

上述二级套管套设于一级套管外，三级套管套设于二级套管外；所述注浆套管的下端位于该注浆套管所对应层所生成的离层空间的中心位置处，以便于向两侧空间同时注浆。

上述加载装置是通过施力机构施加力到其上的刚性板体，该刚性板体将力传递给所述松散层，用于模拟上部地层产生的重力环境。

上述每条观测线均由19个从左至右布置的观测点组成，且相邻观测点之间的间距相等。

各观测线在覆岩运动结束后，通过三位水准仪进行高程测量，计算出各观测点处的实际离层量。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，其***包括：注浆套管、岩层相似材料、观测线、加载装置、制浆材料。注浆套管由三级套管组成，一级套管对应一个离层空间；观测线共有三条，位于三个已假设好的关键层下。本实用新型所述的室内覆岩离层量探测方法简单便捷，可准确观测出覆岩离层具体情况以及充填后的效果；所述的注浆控制模拟***通过三级套筒序列注浆，可控制上位岩层的移动与变形，减小地表沉陷。本实用新型具体包容如下技术优点：

第一，本实用新型通过室内注浆控制模拟***可充分有效进行多层位注浆充填，注浆量大、效果好，上覆岩层沉陷变形量小；

第二，本实用新型通过观测线绘制出的离层量数值变化曲线，可分析出覆岩岩层运动情况以及各个目标关键层下的离层空间的发育情况；

第三，本实用新型通过室内覆岩离层量探测及注浆控制模拟***的实验后，得出的结论对矿井现场实验进行注浆减沉技术起到一定参考。

附图说明

图1为本实用新型所述的室内注浆控制模拟***实验过程的示意图；

图2为本实用新型所述的注浆钻孔安装和离层量高程测量的示意图。

图中：1、加载装置；2、松散层；3、关键层三；4、软岩层三；5、关键层二；6软岩层二；7、关键层一；8、软岩层一；9、垮落带；10、基本顶；11、直接顶；12、煤层；13、浆液；14、一级套管；15、二级套管；16、三级套管； 17、观测线一；18、观测线二；19、离层空间；20、观测线三；21、观测线四； 22、观测线五；23、观测线六；24、二维试验台。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实用新型提供了一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，包括二维试验台24，所述二维试验台24内从下至上依次设置煤层12、直接顶11、基本顶10、软岩层一8、关键层一7、软岩层二6、关键层二5、软岩层三4、关键层三3、松散层2，松散层2上表面设置加载装置1，在所述关键层三3和软岩层三4之间设有观测线一17和观测线二18，关键层二5和软岩层二6之间设有观测线三20和观测线四21、关键层一7和软岩层一8之间设有观测线五 22和观测线六23；观测线一17、观测线三20和观测线五22分别埋在三个关键层内的最底部区域，观测线二18、观测线四21和观测线六23分别埋在三个软岩层内的最顶部区域；从松散层2表面分别***用于注入浆液13的注浆套管，注浆套管包括一级套管14、二级套管15以及三级套管16，其中一级套管 14的下端***到所述关键层一7和软岩层一8的交界面处，对应于关键层一7 和软岩层一8之间的离层空间19，二级套管15的下端***到所述关键层二5 和软岩层二6的交界面处，对应于关键层二5和软岩层二6之间的离层空间19，三级套管16的下端***到所述关键层三3和软岩层三4的交界面处，对应于关键层三3和软岩层三4之间的离层空间19。

进一步地，所述二级套管15套设于一级套管14外，三级套管16套设于二级套管15外；所述注浆套管的下端位于该注浆套管所对应层所生成的离层空间19的中心位置处，以便于向两侧空间同时注浆。

进一步地，所述浆液13由石膏、砂、水和外加剂混合组成，其中外加剂为速凝剂。

进一步地，所述加载装置1是通过施力机构施加力到其上的刚性板体，该刚性板体将力传递给所述松散层2，用于模拟上部地层产生的重力环境。

进一步地，每条观测线均由19个从左至右布置的观测点组成，且相邻观测点之间的间距相等。

进一步地，各观测线在覆岩运动结束后，通过三位水准仪进行高程测量，计算出各观测点处的实际离层量。在覆岩移动过程中，从下往上对目标关键层下的离层空间19依次注浆，其中注完一个关键层，抽取掉相应的注浆套管。

进一步地，以松散层2的上表面为水平观测起点，其高度位置记为0，从所述水平观测点起点到关键层一7内的观测线五22的距离设为h₆、软岩层一8 内的观测线六23的距离设为h₅、关键层二5内的观测线三20的距离设为h₄、软岩层二6内的观测线四21的距离设为h₃、关键层三3内的观测线一17的距离设为h₂、软岩层三4内的观测线二18的距离设为h₁。

本实用新型的室内覆岩离层量测量及注浆控制***的模拟方法，包括如下步骤：

步骤一、进行室内覆岩注浆控制模拟，具体包括如下步骤：

(1)按照实验要求，完成各岩层的材料配比并制成浆液13，并建立相似材料的实验模型；

(2)对该模型进行预定的荷载加压，模拟真实的重力环境；

(3)经过3天后，开始煤层开挖实验，以每10min向前掘进0.2m，观察上部岩层覆岩运动情况，同时安装好浆液输送装置，使之随时可进行浆液13 输送；

(4)当目标关键层一7下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层一7，离层逐步发育、空间逐渐变大，目标关键层一7下的软岩层一8出现贯通裂隙时即向关键层一7与软岩层一8之间的离层空间19注入浆液，待离层空间19充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出最里面的一级套管14；当目标关键层二5下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层二5，离层逐步发育、空间逐渐变大，目标关键层二5下的软岩层二6出现贯通裂隙时即向目标关键层二5与软岩层二6之间的离层空间19注入浆液13，待离层空间 19充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出里面的二级套管15；当目标关键层三3下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层三3，离层逐渐发育变大，目标关键层三3下的软岩层三4出现贯通裂隙时即向关键层三3与软岩层三4之间的离层空间19注入浆液，待离层空间19充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出三级套管16；

步骤二、进行室内覆岩离层量测量，具体包括如下步骤：

(a)在建立相似模拟实验模型过程之中，将6条观测线依次布置于相应的目标关键层内的最底部区域以及相应的软岩层内的最顶部区域；

(b)选择实验模型最高点为观测起点，并设定观测起点到关键层一内的观测线五、软岩层一内的观测线六、关键层二内的观测线三、软岩层二内的观测线四、关键层三内的观测线一、软岩层三内的观测线二的距离依次分别设为 h₆、h₅、h₄、h₃、h₂和h₁；进行高程测量时采用三等水准，分别测出h₆、h₅、 h₄、h₃、h₂和h₁的标准值；

(c)离层注浆实验完成后，对六条观测线上的各观测点再进行高程测量，计算出观测线一和观测线二、观测线三和观测线四、观测线五和观测线六之间的高程差值，得出3个目标关键层下离层空间的实际离层量；

进一步地，各级套管分别位于相应离层空间的中部，便于同时向相应离层空间注入浆液；

所述的制浆材料中选择浆液水泥以及外加剂速凝剂，能够快速使浆液凝结固化，及时支撑起上部关键层；所述的观测点设为h_ij，其中i＝1，2，3，4，5，6；j＝1，2，……，19，i为观测线从低到高的序号，j为从左到右的观测点序号；

所述的离层量计算公式为Δh_ij＝h_ij-h_i，Δh_ij为各点实际离层量；

各离层空间发育定量分析公式为：

H₁＝Δh_2j-Δh_1j

H₂＝Δh_4j-Δh_3j

H₃＝Δh_6j-Δh_5j。

以下对本实用新型做进一步的详细叙述：

本实用新型的模拟***包括注浆套管、岩层相似材料、观测线、加载装置、制浆材料。所述注浆套管由三级套管组成，相互嵌合，一级套管对应一个离层空间，可满足不同离层带区域的注浆需求；所述相似材料包括煤层、直接顶、基本顶、软岩层一、关键层一、软岩层二、关键层二、软岩层三、关键层三和松散层，模拟真实地质条件下，煤层开采后，上部覆岩运动变化(其中直接顶垮落形成垮落带9)；观测线共有六条，从左到右分别布置于三个关键层内的最底部区域和软岩层内的最顶部区域，每条线由19个观测点组成，每个观测点间距相等，用于关键层一初次发生离层后的离层量探测以及在注浆充填后上部关键层的覆岩离层量变化的探测；加载装置是为了模拟上部地层的重力环境；制浆材料可由石膏、砂、水和速凝剂组成，由于室内试验相对于现场试验，其覆岩移动相对更快，选择的浆液及速凝剂混合可快速凝结固化，及时支撑起上部关键层。由图1可知，本实用新型的室内注浆控制模拟***包括：注浆套管、岩层相似材料、观测线、加载装置、制浆材料。在本实用新型的控制模拟***中，注浆套管由三级套管组成，相互嵌合，一级套管对应一个离层空间，每次注满一个离层就可抽去一个套管，可满足不同离层带区域的注浆需求。相似材料包括煤层、直接顶、基本顶、软岩层一、关键层一、软岩层二、关键层二、软岩层三、关键层三和松散层，模拟真实地质条件下，煤层逐渐开采后，上部岩层覆岩运动变化。观测线共有六条，从左到右分别布置于三个关键层内的最底部区域和软岩层内的最顶部区域，每条线由19个观测点组成，每个观测点间距相等，用于关键层一初次发生离层后的离层量探测以及在注浆充填后上部关键层的覆岩离层量变化的探测。加载装置是为了模拟上部地层的重力环境，使得下部岩层移动更为符合现场真实情况。制浆材料可由石膏、砂、水和外加剂组成，由于室内试验相对于现场试验，其覆岩移动及传递相比更为快速，选择的浆液水泥以及外加剂速凝剂可快速使浆液凝结固化，及时支撑起上部关键层。

本实用新型模拟***制作方法包括步骤：(1)按照实验设计要求，在室内完成各岩层的相似材料配比和制作，并建立起相似材料的实验模型；(2) 对该模型进行预定的荷载加压，模拟真实的重力环境，同时加载装置和两侧挡板也能够起到固定试验模型的作用；(3)经过3天后，根据设计方案要求，开始对煤层进行匀速开挖，即每10min向前掘进0.2m，并随时注意观察上部各岩层的覆岩运动情况。同时安装好浆液输送装置，使之随时可进行浆液输送。 (4)当目标关键层1下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层1，离层逐步发育、空间逐渐变大，目标关键层一下的软岩层出现贯通裂隙时即向离层空间注入浆液。待离层空间充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出最里面的一级套管；当目标关键层二下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层二，离层逐步发育、空间逐渐变大，目标关键层二下的软岩层出现贯通裂隙时即向离层空间注入浆液。待离层空间充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出里面的二级套管。当目标关键层三下出现水平裂隙时，即覆岩运动传递至目标关键层三，离层逐渐发育变大，目标关键层三下的软岩层出现贯通裂隙时即向离层空间注入浆液。待离层空间充填满以后，停止注浆，并可直接抽取出三级套管。参见图2，本实用新型的室内覆岩离层量探测方法，具体步骤如下： (a)在建立相似模拟实验模型过程之中，将6条观测线依次布置于各目标关键层内的最底部区域以及各软岩层内的最顶部区域，每条观测线由间隔一定距离的观测点组成，所述的观测点可设为h_ij(i＝1，2，3，4，5，6；j＝1，2，……) i为观测线从低到高的序号，j为从左到右的观测点序号；(b)选择模型最高点为观测起点，并设定起点到关键层一内的观测线五、软岩层一内的观测线六、关键层二内的观测线三、软岩层二内的观测线四、关键层三内的观测线一、软岩层三内的观测线二的距离依次分别设为h₆、h₅、h₄、h₃、h₂和h₁。进行高程测量时采用三等水准，分别测出h₆、h₅、h₄、h₃、h₂和h₁的标准值；(c)离层注浆实验完成后，对6条观测线上的各观测点h_ij进行高程测量，得出各点的实际离层量Δh_ij。最后，将每条观测线上的观测点实际离层量h_ij连接成一条曲线，通过对三条曲线变化趋势分析，可得出多关键层进行充填后的效果，为其在现场试验中提供一定参考。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，其特征在于，包括二维试验台(24)，所述二维试验台(24)内从下至上依次设置煤层(12)、直接顶(11)、基本顶(10)、软岩层一(8)、关键层一(7)、软岩层二(6)、关键层二(5)、软岩层三(4)、关键层三(3)、松散层(2)，松散层(2)上表面设置加载装置(1)，在所述关键层三(3)和软岩层三(4)之间设有观测线一(17)和观测线二(18)，关键层二(5)和软岩层二(6)之间设有观测线三(20)和观测线四(21)、关键层一(7)和软岩层一(8)之间设有观测线五(22)和观测线六(23)；观测线一(17)、观测线三(20)和观测线五(22)分别埋在三个关键层内的最底部区域，观测线二(18)、观测线四(21)和观测线六(23)分别埋在三个软岩层内的最顶部区域；从松散层(2)表面分别***用于注入浆液(13)的注浆套管，注浆套管包括一级套管(14)、二级套管(15)以及三级套管(16)，其中一级套管(14)的下端***到所述关键层一(7)和软岩层一(8)的交界面处，对应于关键层一(7)和软岩层一(8)之间的离层空间(19)，二级套管(15)的下端***到所述关键层二(5)和软岩层二(6)的交界面处，对应于关键层二(5)和软岩层二(6)之间的离层空间(19)，三级套管(16)的下端***到所述关键层三(3)和软岩层三(4)的交界面处，对应于关键层三(3)和软岩层三(4)之间的离层空间(19)。

2.如权利要求1所述的一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，其特征在于，所述二级套管(15)套设于一级套管(14)外，三级套管(16)套设于二级套管(15)外；所述注浆套管的下端位于该注浆套管所对应层所生成的离层空间(19)的中心位置处，以便于向两侧空间同时注浆。

3.如权利要求1所述的一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，其特征在于，所述加载装置(1)是通过施力机构施加力到其上的刚性板体，该刚性板体将力传递给所述松散层(2)，用于模拟上部地层产生的重力环境。

4.如权利要求1所述的一种室内覆岩离层量测量及注浆控制模拟***，其特征在于，每条观测线均由19个从左至右布置的观测点组成，且相邻观测点之间的间距相等。