一种模拟注浆加固对老采空区残余变形控制作用的方法与流程

本发明涉及采空区注浆治理，具体为一种模拟注浆加固对老采空区残余变形控制作用的方法，通过采用相似性物理试验模拟注浆加固区域对“遗留采空区”残余变形的控制或影响作用，指导设计采空区注浆治理最佳范围，为采空区注浆治理提供有效的技术手段，提高治理效果和经济性。

背景技术：

1、煤炭一直是中国一次能源生产和消费的主要来源，支撑了国内生产总值约9.5%的增长。煤炭为国民经济和社会发展提供了可靠的能源保障，但也造成了大量的采空区，2008年全国因采矿活动形成的采空区面积就超过了80.96万公顷。由于工程建设往往难以规避采空区，需要对其进行系统的治理。然而，目前的研究主要集中在采空区主要变形阶段的破坏规律，对于注浆加固区域周边“遗留采空区”的残余变形或注浆加固区域对采空区覆岩的支撑及变形控制作用认识不足。

2、相似性材料模拟是一种试验方法，它通过使用一个放大或缩小的模型来模拟研究原型的运动特征和力学特征。相似性物理试验可以清晰地观察开采沉陷区覆岩的变形规律。一般情况下长壁采煤的采空区主要变形阶段发生在煤炭开采后3年内，其变形量占总变形的90~95%，这一阶段的规律已有较多研究。然而，老采空区3年后还会发生5~10%的残余变形，这一阶段的规律尚缺乏研究，但是它直接影响采空区上方构筑物的安全。

3、传统相似性物理试验主要研究原采空区范围内岩层及地表的变形与破坏规律，对于部分采空区进行浆液加固后形成的“遗留采空区”的残余变形的研究较少，而对于这些“遗留采空区”的残余变形研究或注浆加固区域对上覆岩层的支撑及变形控制作用的研究，可以较为精准地指导建筑物下采空区的处治范围。本发明主要对老采空区的残余变形进行分析并提供采空区，特别是老采空区的治理方案，直观地观测和研究注浆加固区域对采空区的残余变形的影响。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种模拟注浆加固对老采空区残余变形控制作用的方法，用于模拟和研究部分采空区注浆加固后“遗留采空区”的残余变形与覆岩变形和破坏规律，为采空区治理提供理论依据。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种模拟注浆加固对老采空区残余变形控制作用的方法，包括如下步骤：

4、（1）、准备设备：包括作为试验台的模型架，标记后的两侧护板，两侧的透明挡板，压密用的钢板，整平用钢板、滚筒，搅拌机，电子秤，量筒，模拟残余变形的亚克力小板，注浆桶，注浆泵，注浆管，注水管。

5、（2）、安装护板：将模型架和两侧护板清理干净刷漆后绘制地层线，并在护板内侧涂刷润滑油防止护板与相似性材料黏结，在模型架前后两侧安装护板，即在模型架和两侧护板之间形成模拟空间，用于制作模型。

6、（3）、配料与搅拌：待制作的模型为六类地层，从下往上依次为：泥岩层、煤层、砂泥岩层、泥岩层、砾岩层、表土层；

7、根据每类要求，将该层所需要的砂、石膏、碳酸钙秤好，量取适量的水，将所需要的材料与水混合后搅拌均匀并利用云母模拟层面。

8、（4）、制模：模型从下往上依次制作，将搅拌后的材料倒入模拟空间并摊平，利用整平用钢板刮平、滚筒压密，每铺设2cm撒云母粉模拟层面；在煤层下方利用沙、石蜡、液压油制作隔水层，其作用是和前后挡板更加紧密贴合防止浆液向下扩散；在模拟空间内从右侧开始每隔15cm埋入1根软管，共计16根软管，其中右边4根软管进行后期注浆，作为注浆管，左边12根软管进行后期注水，作为注水管；此时，模型分为两部分，4根注浆管所在区域记为模拟变形区域即治理区，12根注水管所在区域记为诱导变形区域即未治理区。

9、（5）、养护：依次在模拟空间内铺设完毕六类地层后，养护14天让模型干燥与凝固。

10、（6）、模型上漆与监测点、散斑制作：模型晾干后在模型表面刷一层白色轻质碳酸钙，以产生白色背景；等待3天白色碳酸钙凝固后绘制监测线、安装反光片并绘制散斑；其中监测线利用墨斗绘制、反光片利用棉线制造引导网格后利用大头针插入模型，散斑绘制时首先利用打孔器在塑料卡纸上随机打孔然后利用自喷漆喷射绘制。

11、（7）、开挖与变形观测：在模型的模拟煤层的两侧各留10cm煤柱，其余全部开挖；一次开挖长度10cm，每小时开挖一次，在开挖位置开挖完毕后马上插入两层模拟残余变形的亚克力小板，观测三带形成过程；开挖完成待变形稳定后开始下一步工作，稳定条件是变形不明显<1mm或者中心盆地最大下沉系数为1。

12、（8）、注浆：待变形稳定后，利用挡板封堵模型前后两侧位置，防止浆液扩散；在治理区沿着4根预留注浆管进行注浆，注浆前提升注浆管至变形明显位置以上。

13、注浆管对相似性材料形成的采空区进行注浆，浆液扩散范围广泛，可以有效地模拟采空区残余变形特征。前后挡板为透明耐力板，能够直观地观测注浆过程中浆液在采空区的扩散规律和结石体的凝固过程。前后挡板外可以固定有钢梁，与相似性材料紧密贴合，以控制浆液在采空区的扩散。

14、（9）、浆液固结：等到水泥浆液固结后，观测水泥浆液的形态与分布规律。

15、（10）、模拟采空区残余变形：在模拟残余变形的亚克力小板上方进行挡板支护，防止抽板导致冒落带松散体滑动；在未治理区，一次性抽出一层亚克力小板，激活残余变形。利用数字散斑捕捉全场相对位移、利用全站仪进行精度矫正，通过综合分析全场相对和单点的位移数据，更好地观察未治理区残余变形对治理区的影响；结果表明，由于注浆体的存在，治理区注浆范围内的变形较小，而未治理区承担主要变形，说明注浆体能够有效地降低治理区覆岩变形。

16、（11）注水：为了观察治理区和未治理区的变形差异，利用挡板封堵模型的前后两侧，在未治理区利用预埋注水管注水；相似性材料中使用了石膏作为胶结物质，由于其在潮湿饱水状态下强度明显降低，因此注水使模型达到极限变形状态，并有利于分析注浆加固对变形的影响；在相似性材料中注入大量水后，使难以闭合的离层、孔隙和煤柱支撑区发生了显著变形；通过对比治理区和未治理区的变形差异，表明注浆体在治理区内起到了有效的加固作用，使得治理区内的变形较小；同时注入注浆量越大的区域，其变形越小，而注浆量较小的区域，其变形也有所减缓。

17、具体实施时，步骤（4）中，模型从下至上依次为：泥岩层厚度29cm，煤层厚度3cm，砂泥岩层厚度37.4cm，泥岩层厚度20.4cm，砾岩层厚度16.7cm，表土层厚度62.5cm。

18、为了观测采动区地层应力变化规律，在砂泥岩层、泥岩层（位于砂泥岩层上方）、表土层中埋设应力检测盒，应力检测盒每层布设7个，三层一共21个。

19、为了观测上覆岩层的位移情况，在模型表面的岩层中设置位移观测点：距离底38.2 cm、48.2cm、54.2cm、64.2cm、69.6cm、79.6cm、90cm、99cm、106.7cm、122cm、137.7cm、147.7cm；每条监测线间距10cm、距离边界5cm，共计12条。

20、本发明所述的模拟注浆加固对老采空区残余变形控制作用的方法，试验模拟活化过程主要依据“等效采厚”原理，在开挖后快速插入一定厚度的残余变形诱导小板，模拟采空区残余变形。考虑到地下水对松散堆积物的软化作用，往往突然的采空区强充水是诱导老采空区“活化”的重要诱因。通过对未治理区注水软化相似性材料，观测模型变形特征。具体实施时，根据现场条件设计试验相似比和不同地层的铺设方案，本发明试验几何相似比为100、运动相似比为10、容重相似为1.5、应力相似比为150。采用石膏、碳酸钙、砂来模拟真实地层，模拟地层包括泥岩、煤层、砂泥岩、泥岩、砾岩等。根据应力相似性比计算得到不同地层砂、石膏、碳酸钙的配合比。本发明试验破坏过程直观，可以有效地观测采空区的开采变形规律、浆液扩散规律、注浆加固作用、采空区残余变形规律等采空区全生命周期的变形规律。与传统相似性试验仅侧重研究开采导致的采空区覆岩变形规律不同，本发明试验方案可以全面地模拟采空区注浆与诱导再次变形等一系列复杂变形过程。

21、本发明提供的技术方案与现有技术相比，具有如下优点：

22、第一，本发明可以进行常规相似性模拟试验，并且相似性试验台采用高强度钢材制造，试验过程中几乎不会发生形变。

23、第二，本发明可以通过注浆管对相似性材料形成的采空区进行注浆，浆液扩散范围较好，可以较好地模拟采空区残余变形特征。

24、第三，前后挡板为透明耐力板，可以在注浆过程中直观地观测浆液在采空区中的扩散规律与结石体的凝固过程。

25、第四，隔水层利用沙、石蜡、液压油制作，可以有效地防止浆液侧壁扩散。

26、第五，两侧护板可以用于固定前后挡板，使其与相似性材料紧密贴合，控制浆液扩散。

27、第六，通过“等效开采”和注水软化的方法诱导采空区发生变形，直观地观察各阶段相似性材料的变形规律。

28、第七，本发明可以全面地模拟采空区形成、注浆、活化的全周期变形过程。

29、本发明设计合理，试验性能可靠，测试所需材料少，避免了现场实测试验所需的人力和物力，经济性好，试验方法能够高效、便捷、直观地研究老采空区注浆加固对变形的影响，可以为采空区治理等生产与工作提供指导，具有很好的实际应用价值。