一种留设小煤柱的动态可控注浆加固方法及注浆装置

本发明涉及煤柱注浆加固，具体地，涉及一种留设小煤柱的动态可控注浆加固方法及注浆装置。

背景技术：

1、小煤柱护巷在提高煤炭资源采收率、简化采掘接替等方面具有显著优质，在矿井煤炭开采时应用较为广泛。由于小煤柱宽度较窄，宽度一般不超过5m，在煤矿深部开采过程中，留设煤柱在采动应力、放炮扰动强烈影响下渐进式变形破裂。由于煤柱的变形破裂并不是一蹴而就的，而是持久性、动态变化的，如若不采取适当的煤柱加固措施，煤柱变形破裂加剧，最终威胁现场围岩稳定性。

2、相关技术中，常采用注浆加固的方法提高煤柱的稳定性，利用液压或气压的方式将特定的注浆材料注入到煤柱内部的孔/裂隙中，占据裂隙空间，改善煤柱物理力学性能，减缓煤柱内部裂隙进一步扩展破裂，使得煤柱成为一个新的强度及稳定性较高的结构体。

3、但是，注浆过程常常存在注浆时机、注浆位置不明确及注浆压力不足的难题，影响小煤柱的注浆加固效果，如，煤柱初始破裂时，内部裂隙并无贯通，无需注浆加固的，即便注浆也不会将浆液注入煤柱内，只会白白浪费人力、财力；若煤柱变形破裂较大才选择注浆，将严重威胁巷道围岩稳定性，同时，注浆压力也严重影响着注浆效果，工程实践中，常常出现注浆压力小造成注浆效果不达标的情况。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明实施例提出一种留设小煤柱的动态可控注浆加固方法，该留设小煤柱的动态可控注浆加固方法能够对煤柱的注浆时机、注浆位置及注浆压力进行把控，保证对煤柱的注浆加固效果。

3、本发明实施例还提出一种注浆装置。

4、本发明实施例的留设小煤柱的动态可控注浆加固方法，包括以下步骤：

5、s1：探测留设小煤柱裂隙发育情况，还原留设小煤柱裂隙空间分布特征，建立留设小煤柱结构面空间信息概率模型；

6、s2：基于留设小煤柱结构面空间信息概率模型制作留设小煤柱模型，还原小煤柱初始裂隙状态；

7、s3：测定留设小煤柱受到采动应力及爆破扰动等外界应力的变化趋势，并以此设定室内不同的加卸载应力路径；

8、s4：以采动应力、爆破扰动应力为变量，通过实时ct扫描实验确定加载过程下留设小煤柱模型内部微观结构变化与宏观变形破裂的联系，对模型内部裂隙扩展过程进行分析，确定留设小煤柱模型主裂隙发展通道，以此确定注浆位置，定量表征留设小煤柱模型分阶段破裂过程，提出模型变形破裂危险系数，以此确定注浆时机；

9、s5：分析剪应力对岩体加速破裂的影响，结合裂隙扩展应力效应，修正岩体失稳判据，建立含非连续结构煤体本构方程；

10、s6：将建立的结构面空间信息概率模型导入comsol数值模拟软件中，结合建立的含非连续结构面煤体本构方程及煤岩体平板裂隙渗流理论模型，对确定的注浆位置进行不同注浆压力的注浆数值模拟分析，对比不同注浆压力前后煤柱应力变化，形成裂隙煤柱注浆的非线性数值模拟方法，确定注浆压力；

11、s7：依据实验及数值模拟结果，通过可变压的注浆装置对预留小煤柱进行注浆；

12、s8：对注浆效果进行检验，若效果未达到检验要求，须进行再次注浆。

13、本发明实施例的留设小煤柱的动态可控注浆加固方法能够对煤柱的注浆时机、注浆位置及注浆压力进行把控，保证对煤柱的注浆加固效果。

14、在一些实施例中，在步骤s1中，探测裂隙时，通过3gsm三维岩体非接触摄影测量系统和三维激光扫描系统对小煤柱结构面进行快速精准摄影测量，根据测量结果，计算各组结构面迹长、倾角、间距及节理线密度条等信息，获取煤柱裸露裂隙分布情况，并通过地质雷达对煤柱内部结构空间进行无损探测，反演获取岩体内部结构。

15、在一些实施例中，通过数字钻孔窥视仪对反演的内部复杂裂隙结构进行钻孔校正，结合煤柱裸露裂隙分布情况，还原煤柱裂隙发育的空间展布特征。

16、在一些实施例中，在步骤s2中，基于相似模型理论及岩体结构面空间产状信息的概率模型，采用三维绘图软件建立节理岩体数值模型三维剖面模型，通过砂型3d打印机打印含复杂裂隙结构面的物理模型，在对闭合型裂隙和张开型裂隙打印时，先将裂隙统一打印为张开型，再对于闭合型裂隙进行二次充填。

17、在一些实施例中，在步骤s4中，首先将模型作为试样，在单轴试验机中确定试样的抗压强度，利用ct加载控制系统对试样逐级增加荷载，并在每级负载的保压状态下对受载试样进行ct扫描，待试样变形破裂，进行最后一次ct扫描，扫描次数可依据试验具体情况进行调节。

18、在一些实施例中，采用裂隙宽度、裂隙长度、裂隙体积及分形维数定量表征煤柱裂隙，对深部岩体非连续结构面进行时空破裂演化的全空间识别、捕捉及定量表征，定义当前应力水平对应的新生裂隙参数与模型最终失稳时的裂隙参数之比为模型破裂危险系数k，将试样变形破裂全过程分为起裂、稳定破裂及加速破裂三个阶段，加速破裂阶段即代表试样已达到屈服强度，此时选取加速破裂之前的稳定破裂阶段对应的试样的裂隙参数为注浆时机，获取试样分阶段破裂对应的响应信息特征，获取试样内部危险系数k显著增长时对应的裂隙位置，将该位置的裂隙定义为危险裂隙，同比例还原现场煤柱，现场注浆时，重点对此位置进行注浆加固。

19、在一些实施例中，在步骤s8中，在对注浆效果进行检验时，对裂隙密集区的煤柱进行钻孔窥视，若钻孔壁完整，孔壁无明显的裂隙，则注浆效果达标；或，对留设煤柱的巷道围岩进行变形监测，注浆后，若测量发现巷帮围岩变形趋于稳定，变形量控制在200mm以内，顶板变形量在150mm以内，煤柱的整体不再变形，则注浆效果达标。

20、本发明实施例的采用上述任意一项留设小煤柱的动态可控注浆加固方法中的注浆装置，包括：

21、枪体，所述枪体具有空腔；

22、活塞组，所述活塞组包括第一活塞、第二活塞和推杆，所述第一活塞和所述第二活塞沿所述枪体延伸方向位置可调的设于所述空腔内且将所述空腔分隔为第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述推杆活动设于所述第二腔室内并用于推送所述第一活塞向所述枪体的后端移动或推动所述第二活塞所述枪体的前端移动；

23、进气管和抽气管，所述进气管和抽气管设于所述枪体的后端且与所述第一腔室连通，所述进气管用于向所述第一腔室输送气体以推动所述活塞组向所述枪体的前端移动，所述抽气管用于抽出所述第一腔室内的气体以在所述第一腔室内制造负压；

24、注浆头和进浆液管，所述注浆头和所述进浆液管设于所述枪体的前端且与所述第三腔室连通，所述进浆液管用于向所述第三腔室内输送浆液。

25、在一些实施例中，所述推杆的两端固定连接有弹性连接件，所述弹性连接件沿所述推杆的延伸方向可弹性伸缩且两个所述弹性连接件的端部分别止抵于所述第一活塞和所述第二活塞，所述第三腔室内设有限位环，所述限位环用于与所述第二活塞挡止配合，所述进浆液管设于所述限位环的靠近所述枪体前端的一侧。

26、在一些实施例中，所述第二腔室内设有固定环，所述推杆滑动配合于所述固定环，且所述推杆的两端分别与所述固定环挡止配合，和/或，所述第三腔室内设有导流器、叶轮和收缩管，所述叶轮设于所述导流器与所述收缩管连接的位置，所述收缩管的另一端与所述注浆头连通。