1.一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步 深埋采场覆岩类型评价标准步骤1.1)确定基岩应力拱保持稳定的临界拱厚当基岩内可形成稳定应力拱时,应力拱的临界拱厚表达式为:式中,Darch为应力拱拱厚;Harch为应力拱高度;larch为应力拱跨度;q(x)为基岩上覆岩层均布载荷;θ为任意截面同岩拱法向截面之间夹角;R为拱脚所受垂直应力;T为拱脚所受水平应力;其中R、T的表达式为:
其中,应力拱高度Harch取煤层到关键层的高度;应力拱跨度larch取周期来压步距;基岩上覆岩层均布载荷q(x)取(1.2~2.0)x,x取(0.5~0.7)倍周期来压步距;θ按经验值取5~
10°;
步骤1.2)确定能够形成应力拱的临界基岩厚度基岩内能够形成稳定应力拱的最小厚度称为临界基岩厚度,其表达式如下:∑Hmin=Darch+∑Hc+∑HL (4)式中,∑Hmin为能够形成应力拱的临界基岩厚度;Darch为临界拱厚;∑Hc为垮落带高度;
∑HL为裂隙带高度;其中∑Hc与∑HL根据调研中覆岩岩性强度,选取经验公式计算采场垮落带与裂隙带高度;
步骤1.3)深埋采场覆岩类型评价标准采用覆岩垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑Hf、应力拱厚Darch与基岩厚度∑h的相对关系将采场进行分类,分为超薄基岩、薄基岩和正常基岩;根据超薄基岩、薄基岩与正常基岩赋存条件下采场矿压显现程度,需要对超薄基岩与薄基岩地层进行加厚改造;
第二步 超薄基岩与薄基岩区域加厚改造设计方案步骤2.1)确定超薄基岩与薄基岩加厚改造区域与设计尺寸;
步骤2.1.1)在地表利用多个钻孔进行地质勘探,得到不同区域岩层柱状图;
步骤2.1.2)根据基岩厚度变化,确定基岩厚度小于∑Hmin的区域为加厚改造设计区域;
步骤2.1.3)确定加厚改造区域设计走向长度w与倾向的长度l,w为薄基岩区域沿煤层走向的延展长度,l为工作面倾向长度;
步骤2.1.4)确定加厚改造设计区域厚度D为:D=∑Hmin‑∑H (6)式中,D为加厚设计改造区域厚度;∑Hmin为能够形成应力拱的临界基岩厚度;∑H为实际基岩厚度;
步骤2.2)超薄基岩与薄基岩区域加厚改造施工方案步骤2.2.1)沿煤层走向开掘注浆巷道步骤2.2.2)布置注浆管道
采用多水平倾斜顶部顺式注浆方案,实施过程中,采用液压钻机自注浆巷道底板向下钻出倾斜钻孔,第一个注浆孔位于加厚改造设计区域起始位置的正上方,在加厚改造设计区域内,倾斜钻孔自下而上划分为多个水平面;
在单一水平面内,以倾斜钻孔与该水平面相交处为中心点,周围布置发散垂直的四个水平钻孔,其中两个钻孔沿工作面倾向布置,两个钻孔沿工作面走向布置;
第三步 超薄基岩与薄基岩区域加厚改造注浆方法采用高压泵向第一水平面内的水平钻孔注浆;注浆时间T由公式(9)确定;第一水平面内水平注浆完毕后,静置一段时间;继续延伸倾斜注浆孔至第二水平面,并按照第一水平面内的水平注浆程序完成注浆作业,按照上述步骤完成整个工作面所有钻孔注浆作业。
2.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,步骤1.2)中垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑Hf的计算公式为:当覆岩岩性为坚硬岩层,单轴抗压强度为40‑80MPa时当覆岩岩性为中硬岩层,单轴抗压强度为20‑40MPa时,当覆岩岩性为软弱岩层,单轴抗压强度为10‑20MPa时,当覆岩岩性为极软弱岩层,单轴抗压强度小于10MPa时,
3.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,步骤1.3)中,深埋采场覆岩分类方法为:(1)当基岩厚度∑h小于垮落带高度∑Hc时,定义为超薄基岩;
(2)当基岩厚度∑h大于垮落带高度∑Hc,并小于垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑Hf与应力拱厚Darch之和时,定义为薄基岩;
(3)当基岩厚度∑h大于垮落带高度∑Hc、裂隙带高度∑Hf与应力拱厚Darch之和时,定义为正常基岩。
4.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,步骤2.2.1)中,在距基岩高度为1.5D处,加厚设计改造区域倾向长度l/2处,沿煤层走向开掘注浆巷道,巷道断面尺寸为高3m×宽4m。
5.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,步骤2.2.2)倾斜钻孔与水平面夹角 为20°~40°,垂直高度为1.5D,沿工作面走向的相邻倾斜钻孔间距为50~80m,倾斜钻孔直径为56~80mm;相邻水平面垂直间距为d,4m≤d≤6m;根据工作面尺寸确定水平钻孔长度为l/4,钻孔直径为56~80mm。
6.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,步骤2.2.3)中注浆材料的选择和配比由裂隙率类型和孔隙率决定:在高裂隙率,孔隙率为75%‑100%的情况下,注浆材料为普通水泥浆单浆液;
在中裂隙率,孔隙率为50%‑75%的情况下,注浆材料由A、B组材料混合,其中A组成分硫酸盐水泥,B组成分石灰及石膏,其比例为1.3:1;
在低裂隙率,孔隙率为30%‑50%的情况下,注浆材料为水泥‑水玻璃双浆液;
在极低裂隙率,孔隙率小于30%的情况下,注浆材料选用水玻璃‑氯化钙浆液。
7.根据权利要求1所述的一种深埋采场覆岩类型评价标准及薄基岩加厚改造设计方法,其特征在于,在第三步中,水平注浆后分别静置5~7小时。