小魚溝煤礦1.2 Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip
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煤礦開采冒落區(qū)注漿充填量預(yù)計(jì)研究
摘要：煤礦采場冒落區(qū)注漿充填是全新的采煤方法，可以有效地解決特殊條件下的煤層開采問題。利用這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)首要問題就是注漿量的預(yù)計(jì)研究。基于此，本文分析了煤礦各類冒落區(qū)注漿量的預(yù)計(jì)方法，以及影響采場冒落區(qū)注漿量的影響因素。從采場冒落區(qū)頂板活動(dòng)規(guī)律和巖塊碎脹系數(shù)變化規(guī)律出發(fā)，提出將冒落區(qū)分為F型和S型兩種類型，并針對兩種類型冒落區(qū)形態(tài)，給出不同的預(yù)計(jì)思路。提出了冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)的新方法——偽注漿預(yù)計(jì)法，將此法的預(yù)計(jì)值作為注漿工程的理論預(yù)計(jì)值。
關(guān)鍵詞：煤礦；冒落區(qū)；充填；注漿量；碎脹系數(shù)；偽注漿預(yù)計(jì)法
1 緒論
1.1 問題的提出與研究意義
我國一次性能源消耗中，煤炭占70%左右，且未來50年仍然是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源。未來幾十年內(nèi)，我國以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，煤炭工業(yè)能否健康發(fā)展事關(guān)我國能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。同時(shí)，目前我國煤炭工業(yè)面臨著環(huán)境破壞與資源枯竭兩大問題。
在煤炭為我國工業(yè)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也帶來了一系列環(huán)境問題。現(xiàn)階段我國煤炭開采形成的問題主要有：(1)對土地資源的破壞和占用；(2)對水資源的破壞和污染；(3)對大氣環(huán)境的污染。尤其是半個(gè)世紀(jì)以來高強(qiáng)度煤炭開采引起的地表沉陷不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，也對地表建（構(gòu)）筑物造成較大損害。
同時(shí)，隨著礦井儲(chǔ)量逐步減少，煤炭資源枯竭問題日益突出。而在我國生產(chǎn)礦井中，“三下”壓煤量約為140億t，其中建筑物下壓煤約為90億t[4]。這些煤層大多分布在工業(yè)基礎(chǔ)較好、開發(fā)條件較為優(yōu)越、對煤炭需求較為迫切的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)。因此，研究建筑物下煤層開采問題具有重大戰(zhàn)略意義。
為了解決這些因煤炭開采引起的社會(huì)、環(huán)境問題，錢鳴高院士先后提出了綠色開采[3]與科學(xué)采礦[5]理念，并且在其領(lǐng)導(dǎo)之下形成了一整套綠色開采理論與技術(shù)。其中，充填開采就是為解決開采沉陷問題而提出的綠色開采技術(shù)之一。它是建筑物下壓煤開采的最理想技術(shù)途徑，其優(yōu)點(diǎn)是煤炭資源的回收率高，能最大限度解放常規(guī)開采方法無法采出的煤炭資源。按充填量和充填范圍占采出煤層的比例，煤礦充填開采方法可分為：全部充填與部分充填[4, 6]。
采空區(qū)全部充填開采就是在地下煤層采出后，頂板尚未垮落前，從采場外部運(yùn)來充填材料充入采空區(qū)形成充填體，完全靠采空區(qū)充填體阻止頂板垮落，支撐圍巖。煤礦全部充填大致包括以下三個(gè)階段：干式充填；水砂充填；膏體充填。但由于受成本高、充填工藝復(fù)雜等因素的制約，全部充填法并沒有在煤礦中得到推廣應(yīng)用。
部分充填開采，是相對全部充填而言的，其充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷。全部充填的位置只能是采空區(qū)，而部分充填的位置可以是采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)。由于降低充填成本是煤礦充填開采技術(shù)研究的關(guān)鍵問題。而研究部分充填開采技術(shù)，減少充填材料的用量和充填量，是降低充填成本的重要技術(shù)途徑。為此，結(jié)合煤系礦床巖層特點(diǎn)，許家林等人提出了三種煤礦部分充填開采技術(shù)，即：采空區(qū)膏體條帶充填、覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填、條帶開采冒落區(qū)注漿充填。煤礦部分充填技術(shù)是完全符合煤炭資源開采與環(huán)境相協(xié)調(diào)的綠色開采理念，它擴(kuò)大了煤礦開采沉陷控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，在三下煤層開采中具有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也為煤礦充填開采增加了新的研究內(nèi)容。目前由于對煤礦部分充填減沉機(jī)理及相關(guān)理論缺乏系統(tǒng)的研究，使得充填工藝達(dá)不到工程實(shí)際要求，往往造成工程失敗和充填成本浪費(fèi)。因此，有必要對部分充填技術(shù)的相關(guān)理論開展研究。
冒落區(qū)注漿充填是在采空區(qū)冒落矸石之間的空隙未被壓實(shí)之前注入漿液予以充填，充填材料加固冒落巖塊后，一起支撐上覆巖層，起到減緩地表沉陷的作用。該技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)在以下三個(gè)方面[7-9]：一是作為一項(xiàng)地表沉陷控制措施，對地表沉陷進(jìn)行控制；二是充填材料選用粉煤灰、煤礦粉碎巖石等工業(yè)廢物，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢物的地下安全處置，對減少粉煤灰場占用的耕地及環(huán)境污染，有重要意義；三是該技術(shù)充填作業(yè)不干擾井下采煤生產(chǎn)，工藝簡單、有利于井下通風(fēng)和防止冒落區(qū)火災(zāi)，對實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)有促進(jìn)作用。由于采煤方法的不同，冒落區(qū)充填可以分為長壁開采冒落區(qū)注漿充填、房柱式冒落區(qū)注漿充填和條帶開采冒落區(qū)注漿充填。
為了能夠在現(xiàn)場成功應(yīng)用推廣冒落區(qū)注漿充填開采，必須首先確定注漿量，而目前尚無有效的預(yù)計(jì)方法，為此開展的相關(guān)工作也相對較少。研究冒落區(qū)注漿量有以下重要意義：
（1）能為冒落區(qū)注漿工程合理預(yù)算提供依據(jù)，使得充填開采可行性評估更加準(zhǔn)確。
（2）在實(shí)際注漿充填工程中，注漿量是注漿終止的一個(gè)重要判別條件，只有準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)出注漿量，才能有效控制注漿工程的實(shí)施狀況。
（3）注漿量的多少關(guān)系到注漿充填效果的好壞。若注漿量過少則達(dá)不到充填減沉、保護(hù)地表建筑物目的；若注漿量過多，則會(huì)大大增加充填成本，使煤礦企業(yè)因經(jīng)濟(jì)上無法承受而放棄使用該項(xiàng)技術(shù)。
因此，合理進(jìn)行注漿量預(yù)計(jì)是進(jìn)行冒落區(qū)充填開采的重要前提之一，故本論文的研究具有重要意義。
1.2 文獻(xiàn)綜述
1.2.1 巖體微裂隙注漿量預(yù)計(jì)
巖體注漿法就是利用壓送的手段通過注漿鉆孔或注漿管把具有一定凝膠時(shí)間的漿液（即主劑、溶劑、和外加劑的液態(tài)混合物）注入到巖體裂隙中，漿液凝結(jié)后充填在巖層裂縫中，使巖體的物理力學(xué)性質(zhì)得以改善，這種通過注漿來改變巖體狀況的方法稱為巖體注漿加固工法[10]。
在自然界的巖體中存在著各種地質(zhì)成因的裂隙，巖體本身可視為巖塊與交切裂隙所構(gòu)成的地質(zhì)體。裂隙的幾何分布特征、交切形式及其物理力學(xué)性質(zhì)對于各種巖體工程影響巨大，它是產(chǎn)生強(qiáng)度破壞或大量涌水的癥結(jié)所在。注漿正是利用巖體裂隙存在的特征，將所注液體有目的地壓入地層，通過漿液在裂隙中流動(dòng)、凝膠，實(shí)現(xiàn)對巖體裂隙的封堵，達(dá)到控水、增強(qiáng)的目的。因此對于漿液在裂隙中擴(kuò)散情況的研究是至關(guān)重要的。就注漿研究現(xiàn)狀來看，由于土體顆粒分布的相對均勻性，使其模型建立相對容易，在理論及實(shí)驗(yàn)中己得到較好的模擬。而巖體裂隙注漿只能對單一裂隙或均勻分布的裂隙進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，難以反映現(xiàn)場復(fù)雜的裂隙分布情況。采用傳統(tǒng)的參照土體顆粒分布的相對均勻性，巖體單一裂隙或均勻分布裂隙實(shí)驗(yàn)室模擬、工程類比等方法等進(jìn)行模擬分析，模型難以反映現(xiàn)場真實(shí)復(fù)雜的裂隙分布情況，其注漿量的預(yù)測與實(shí)際用量相對偏差很大 。
基于上述情況，東北大學(xué)郝哲利用蒙特卡洛法（Monte-Carlor）模擬了巖體裂隙分布，并根據(jù)山東萊蕪鐵礦谷家臺(tái)礦區(qū)現(xiàn)場注漿實(shí)踐，編制開發(fā)了一套反映裂隙巖體中注漿擴(kuò)散情況的計(jì)算機(jī)模擬程序，彌補(bǔ)了裂隙注漿現(xiàn)有理論及實(shí)驗(yàn)方法的不足，為工程設(shè)計(jì)提供更為可靠的依據(jù)[11]。
在此基礎(chǔ)之上，東北大學(xué)王述紅提出一種用于巖體微裂隙注漿預(yù)測的新方法——遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[12]。即用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力的新方法。實(shí)際工程實(shí)例表明，該方法具有預(yù)測速度快、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，是注漿量預(yù)測的有效方法。其特點(diǎn)是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高度非線性映射能力，并用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的精確性。在位移反分析、鉆孔裂縫產(chǎn)狀確定等方面已有應(yīng)用，工程實(shí)例中對山東萊蕪鐵礦谷家臺(tái)注漿工程的實(shí)踐進(jìn)行預(yù)測。
應(yīng)用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)報(bào)現(xiàn)場注漿量，可提供重要的注漿材料需求信息，以便進(jìn)行注漿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，只要根據(jù)具體問題更換模型訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集、優(yōu)選適當(dāng)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以獲得相應(yīng)的注漿量預(yù)測值，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在地下工程注漿量預(yù)測預(yù)報(bào)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
1.2.2 離層注漿防治地表塌陷的注漿量預(yù)計(jì)
由于地下煤層的大量采出，導(dǎo)致巖層移動(dòng)向覆巖及地表傳播造成了地表塌陷區(qū)形成。覆巖離層區(qū)充填減沉的基本原理是利用巖移過程中覆巖內(nèi)形成的離層空洞，從鉆孔向離層空洞充填外來材料來支撐覆巖，從而減緩覆巖移動(dòng)往地表的傳播。離層充填與采空區(qū)充填的不同在于充填區(qū)是上部巖層，充填工作不會(huì)干擾井下工作面的生產(chǎn)[13]。
遼寧工程技術(shù)大學(xué)楊逾通過對下沉盆地及注漿以后地表實(shí)際下沉狀態(tài)的研究，提出注漿液在孔底以“點(diǎn)源式異向優(yōu)勢”流動(dòng)模式擴(kuò)展[14]。當(dāng)漿液充填物中水份濾失以后的沉淀物受力時(shí)，把可注漿離層帶變成一個(gè)含有類巖體夾層的有效應(yīng)力支承層，于是改變注漿層的應(yīng)力狀態(tài)，阻止或減緩了上位巖體的進(jìn)一步彎曲下沉，最終減緩地表下沉。整個(gè)注漿系統(tǒng)由注漿井、注漿站和注漿管路組成。而在系統(tǒng)確定之前必須對注漿量和泵壓兩參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
經(jīng)過對離層注漿機(jī)理的深入研究，楊逾提出注漿量的兩種計(jì)算方法[14]，即地表沉陷影響函數(shù)法和開采影響函數(shù)法。在此過程中引入了兩個(gè)參數(shù)：充填離層的分布形態(tài)系數(shù)K2和塌陷速率J(t)。根據(jù)同一坐標(biāo)系中的P-t曲線和V-t曲線，可進(jìn)行注漿量的計(jì)算以及估計(jì)在整個(gè)注漿過程中的耗能量（由P- t曲線和t軸所成的曲邊梯形可得）。
地表影響函數(shù)法的方法如下：
根據(jù)地表沉陷區(qū)的體積，考慮一定的沉陷率，并經(jīng)過充填離層的分布形態(tài)系數(shù)修正，最終得出需要注入的灰漿體積公式如下：
( 1 1 )
式中 Vz——需注入的灰漿體積，m3；
Wmax——地表最大下沉量，m；
L計(jì)——計(jì)算盆地走向長度，m；
l計(jì)——計(jì)算盆地傾向長度，m；
K1——減沉率；
K2——充填離層的分布形態(tài)系數(shù)，一般為0.3~0.7。
其中，L計(jì)工的計(jì)算公式如下：
L計(jì)＝L-S0
( 1 2 )
式中 L——下沉盆地走向長度，m；
S0——走向拐點(diǎn)偏移距，m。
l計(jì)＝l-S1
( 1 3 )
式中 l——下沉盆地傾向長度，m；
S1——傾向拐點(diǎn)偏移距，m。
此方法可以在預(yù)計(jì)地表下沉后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和特定巖性算出需注入灰漿量，適用于采區(qū)工作面開采后預(yù)計(jì)地表下沉盆地形狀較規(guī)則的條件。
開采影響函數(shù)法的主要步驟如下：
首先計(jì)算日采出煤層體積，據(jù)此計(jì)算出日地表塌陷體積，據(jù)此確定日需注漿量，最后根據(jù)積分法確定出的注漿總量公式為如下：
( 1 4 )
式中 V——注漿總量；
ζ——塌陷率，一般取0.5~0.7；
Vc——日開采煤層體積；
η——工程要求的目標(biāo)減沉率；
β——濾失以后的漿體在巖層中的壓縮系數(shù)；
λ——漿液的濾失系數(shù)；
J(t) ——塌陷速率；
K——漿液常注量；
t1——起始計(jì)算時(shí)間；
t2——終了計(jì)算時(shí)間。
注漿泵流量與泵壓與時(shí)間的關(guān)系如圖 1 1所示，分別是曲線v-t和p-t。則注漿總量即是曲線v-t與時(shí)間軸t之間所圍成部分的面積。
圖 1 1 注漿壓力和注漿體積與時(shí)間t的關(guān)系
需要指出的是，以上研究所得兩種計(jì)算方法的前提都是必須進(jìn)行地表下沉的預(yù)測計(jì)算。因此，對于注漿量的計(jì)算確定，地表下沉預(yù)測計(jì)算非常重要。另外許多參數(shù)在選取之前必須對具體情況加以研究。
遼寧工程技術(shù)大學(xué)張向東則認(rèn)為離層注漿量的預(yù)計(jì)按以下步驟進(jìn)行計(jì)算[15]：先計(jì)算煤層采出后留下的空間體積，而后預(yù)計(jì)地表正常盆地體積，最后確定注漿總體積。
計(jì)算公式如下：
( 1 5 )
式中 QZ——充填注漿總量—煤層開采后留下的空間體積；
K——充填系數(shù)，一般取0.7~1.0；
LZ——采區(qū)走向長度；
LQ——采區(qū)傾斜長度；
M——煤層實(shí)際開采厚度；
Mch——充填法開采時(shí)充填體被壓實(shí)后的高度；
VD——預(yù)計(jì)地表下沉盆地的體積。
1.2.3 斷層冒落帶的注漿量預(yù)計(jì)
在井巷掘進(jìn)過程中，若接近或通過斷層破碎帶，則有可能造成巷道冒頂，導(dǎo)致斷層冒落帶的形成。由于頂板冒落，易造成支架破壞、人員傷亡，威脅安全生產(chǎn)。部分?jǐn)鄬邮懿删蚧顒?dòng)影響之后活化，易形成導(dǎo)水通道，造成井巷突水。因而，在這種情況下，通常需要對斷層冒落帶進(jìn)行注漿加固或者堵水，從而消除安全隱患，使生產(chǎn)正常進(jìn)行。
文獻(xiàn)[16]介紹了越南冒溪煤礦斷層冒落帶的注漿過程，給出了注漿量的預(yù)計(jì)公式，并將其與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行了對比，對于煤礦采場冒落區(qū)充填量預(yù)計(jì)具有一定參考意義?，F(xiàn)簡述如下：
越南煤炭總公司直屬的冒溪煤礦年產(chǎn)0.53Mt，是越南的大型煤礦。其處于施工的友誼井設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)0.6Mt，該井的井底車場已經(jīng)建成，當(dāng)施工至-80m水平西北石門巷道，掘進(jìn)進(jìn)入FA斷層12m時(shí)，發(fā)生了突水、冒頂、坍塌，最大涌水量100～105m3/h，涌出泥砂及碎石塊達(dá)1550m3，充塞巷道長度達(dá)90m。西北石門-80m水平(地面標(biāo)高+30m)巷道，掘進(jìn)至接近FA斷層前，穿過V7煤層。該煤層厚0.8m，頂板為遇水膨脹的泥巖，厚7～ 7.5m。FA斷層為正斷層，傾角75°，寬度20～25m，含水，上、下盤巖層影響帶均已風(fēng)化破碎。巷道掘進(jìn)進(jìn)入FA斷層12m時(shí)，斷層有零碎的中顆粒和粗顆粒砂巖，局部有泥砂巖晶狀體，斷層帶中有砂巖、泥巖和煤泥巖(具可塑性)充填物。在18T和V1鉆孔做了抽水試驗(yàn)，透水系數(shù)K=0.433～0.73m/d，為弱透水層。地質(zhì)勘探時(shí)FA斷層交接面的鉆孔水位高出孔口5.1～13.7m，為承壓水。
針對上述情況，采用了地面注漿堵水加固的處理方法，最終成功地解決了該問題。其地面注漿鉆孔施工如圖 1 2，所有鉆孔布置相結(jié)合，將-80水平巷道通過斷層帶附近的部分用水泥漿加固成一個(gè)25m×16m×30m的近似長方體區(qū)域。其注漿總量預(yù)計(jì)采用公式( 1 6 )：
( 1 6 )
式中 Q——預(yù)計(jì)注漿總量，m3；
A——超擴(kuò)散系數(shù)，取1.5；
L——注漿孔排間距，m；
R——漿液有效擴(kuò)散距離，m；
B——注漿固結(jié)長度，m；
H——注漿段高度，m；
η——層平均裂隙率，取10%；
β——巖層裂隙充填系數(shù)，取95%。
圖 1 2 注漿鉆孔施工布置圖
按上述注漿鉆孔布置方案并用上述公式進(jìn)行計(jì)算得原設(shè)計(jì)水泥漿注入量為2112m3，實(shí)際注漿過程中注入水泥漿2039m3，是設(shè)計(jì)量的99.1%，與原數(shù)據(jù)非常接近。
文獻(xiàn)[17]在處理巷道遇斷層冒落帶時(shí)采用了單孔注漿量的計(jì)算公式如下：
( 1 7 )
式中 A——損耗系數(shù)；
R——有效擴(kuò)散半徑，m；
L——注漿段長，m；
n——受注巖體孔隙率，%；
B——漿液充填系數(shù)。
再根據(jù)注漿鉆孔的布置，從而確定總的注漿量。由于冒落體的不規(guī)則和空隙的不均衡，漿液不可能均勻滲透，同時(shí)又要求不會(huì)沿大的通道跑走而造成材料浪費(fèi)，故需要對每孔的注漿總量做一個(gè)上限設(shè)置。
1.2.4 軟巖巷道冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)
軟巖巷道穩(wěn)定性控制一直是困擾礦山生產(chǎn)和建設(shè)的重大問題，尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，斷層破碎帶集中，且受構(gòu)造應(yīng)力影響嚴(yán)重時(shí)，軟巖巷道極易失穩(wěn)，頂板冒落，松動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大并向巷道頂板上方抽冒，沿巷道軸向發(fā)展，導(dǎo)致整條巷道垮落冒頂直至報(bào)廢。采取注漿固結(jié)修復(fù)技術(shù)是一項(xiàng)處理軟巖巷道冒落區(qū)的有效方法。
中國礦業(yè)大學(xué)熊偉基于滲透注漿理論和分形理論，討論了軟巖巷道冒落區(qū)注漿時(shí)的注漿壓力、流量等因素，同時(shí)討論了冒落區(qū)孔隙率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法[18]。并通過工程實(shí)例表明注漿是一種通過冒落區(qū)的有效辦法。他在文獻(xiàn)中介紹到注漿量采用單孔預(yù)計(jì)方式，即對每一個(gè)注漿鉆孔進(jìn)行注漿量預(yù)計(jì)，工程實(shí)例表明，這種預(yù)計(jì)方式與實(shí)際注漿時(shí)的注漿量非常接近。其預(yù)計(jì)方式如下：首先在現(xiàn)場取樣的基礎(chǔ)之上通過分形理論計(jì)算冒落區(qū)孔隙率，如下式；
( 1 8 )
然后確定單孔的注漿半徑，半且考慮多孔注漿時(shí)孔間相互影響確定漿液擴(kuò)散半徑；最后根據(jù)漿體在孔隙中的相關(guān)滲透理論計(jì)算單孔注漿量。
1.2.5 采場冒落區(qū)注漿充填量預(yù)計(jì)
采場冒落區(qū)是指由覆巖“三帶”中的垮落帶巖層彎曲、下沉、斷裂破碎后冒落形成的區(qū)域，是由破碎的巖塊和巖塊之間的空隙組成的混合堆體。通過對采場冒落區(qū)進(jìn)行注漿充填，可以有效地加固冒落區(qū)矸石堆體的穩(wěn)定性，從而對上覆巖層直到更大的承載作用以減緩覆巖移動(dòng)向地表傳播，達(dá)到保護(hù)地表建筑物的目的。
由于德國對于煤炭開采引起的環(huán)境問題非常重視，故冒落區(qū)注漿充填在上個(gè)世紀(jì)首先由德國進(jìn)行試驗(yàn)研究[19]。試驗(yàn)在中厚煤層的開采中進(jìn)行。在支架后面設(shè)置牽引管，用來在移架時(shí)牽引其后面的充填管路。注漿管位置采用了順走向沿煤層底板鋪設(shè)的方式。注漿工作沿工作面推進(jìn)方向分段進(jìn)行，這樣實(shí)施的目的在于使覆巖形成最大的冒落拱及最大冒矸體積。同時(shí)使注入冒落矸石空隙中的充填體有較長的凝固時(shí)間，以形成對上覆巖層的支撐體，并為下一個(gè)冒落拱的形成創(chuàng)造條件。
目前，國內(nèi)對于這一技術(shù)的相關(guān)理論，已經(jīng)開展了一些工作。
煤科總院王建學(xué)在文獻(xiàn)[7, 8]中進(jìn)行了冒落區(qū)注漿充填的可行性研究與論證，提出冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填技術(shù)是一種新的減沉措施，與傳統(tǒng)的采空區(qū)充填不同。冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填技術(shù)指的是在采空區(qū)冒落矸石之間的空隙未被壓實(shí)之前及時(shí)地注入漿液予以充填，充填漿液與冒落矸石膠結(jié)后，共同支撐上覆巖層。他在其博士論文[19]中提出冒落區(qū)注漿量按采出煤層體積的0.5~0.7倍進(jìn)行預(yù)計(jì)，并根據(jù)此原則進(jìn)行了金橋煤礦冒矸空隙注漿充填工業(yè)性試驗(yàn)。但是，對于0.5~0.7倍煤層體積這個(gè)預(yù)計(jì)量，王建學(xué)并沒有給出相關(guān)依據(jù)，也沒有具體預(yù)計(jì)公式。
遼寧工程技術(shù)大學(xué)楊逾將冒落區(qū)矸堆與充填體稱為“混合體”。基于混合體對頂板的支撐作用，并運(yùn)用關(guān)鍵層理論，他提出了一種充填體積與地表下沉量之間換算的方法，從而達(dá)到求解注漿充填量的目的[20]。求解的理論過程概述如下：
假設(shè)工作面推進(jìn)L，工作面傾向長度為a，煤層開采厚度為h。在簡化的情況下，假設(shè)只有直接頂冒落，直接頂厚h頂，直接頂冒落的長度與工作面推進(jìn)長度相同，如圖 1 3所示，
圖 1 3 直接頂冒落前后的理想模型
則有，
采空的煤層體積為：
( 1 9 )
冒落的頂板體積為：
( 1 10 )
頂板冒落下來的體積：
( 1 11 )
式中 β——頂板巖層的碎脹系數(shù)。
填充后的總體積為：
( 1 12 )
式中 V充——垮落帶中填充的漿體體積；
η——填充后體積的壓縮系數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)測定。
經(jīng)上部巖層壓實(shí)后的高度為：
( 1 13 )
由于直接頂?shù)拿奥?，失去了對上覆巖層的支撐作用，導(dǎo)致上部巖板發(fā)生彎曲變形，假設(shè)上部巖板的最大彎曲變形為h，此時(shí)上部巖層與注充后的垮落帶充分接觸，垮落帶注充后形成的“混合體”對上部巖層產(chǎn)生一定的支撐作用，根據(jù)連續(xù)性條件有：
( 1 14 )
此值即為上部巖板的最大撓度。根據(jù)楊逾文中所討論的薄板、中厚板及厚板理論分析即可求解所需未知量。假如要控制一定的巖層移動(dòng)位移，即h已知，可求得h壓，根據(jù)h壓的關(guān)系即可求解所需的填充體積。
上述關(guān)系是在理想狀態(tài)下分析的，在實(shí)際煤炭開采過程中，無法達(dá)到上述各式成立的嚴(yán)格條件，因此需要對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正。論文中同時(shí)給出了相應(yīng)的修正解。
這種方法的不足之處在于所以建立模型過于理想化，即垮落帶巖層頂板之上直接就是一層關(guān)鍵層，這種模型適應(yīng)范圍較小。同時(shí)，他沒有討論冒落區(qū)的最大注漿量預(yù)計(jì)問題。
中國礦業(yè)大學(xué)李興尚在其博士論文[21]中對建筑物下條帶開采冒落區(qū)注漿充填做了詳細(xì)的論述，其中關(guān)于注漿量預(yù)計(jì)有專門章節(jié)予以論述。他所建立的是基于分形理論的Menger海綿模型，用來對采場冒落區(qū)進(jìn)行空隙模擬，并給出了冒落區(qū)空隙率的計(jì)算公式如下：
( 1 15 )
式中 ρ0——冒落巖塊密度；
ρ——破碎巖塊堆體松散體積密度；
D——冒落巖塊的分維數(shù)；
rmax，rmin——冒落巖石特征尺寸的最大和最小值；
其中，冒落巖塊的分維數(shù)計(jì)算公式如下，
( 1 16 )
獲取其它幾個(gè)原始數(shù)據(jù)ρ0、ρ、rmax、rmin的方法在論文中都有詳細(xì)論述。
由此，就可以算出冒落區(qū)巖塊的空隙率，再根據(jù)冒落區(qū)體積即可求出空隙體積。該空隙體積值即做為注漿量的預(yù)計(jì)值。論文同時(shí)給出了一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果在一定程度上相吻合。值得注意的是，作者將空隙體積做為注漿體積的一個(gè)前提是空隙必須全部可注，但這是不符合實(shí)際的。故此種方法在一定程度上存在問題，可能導(dǎo)致預(yù)計(jì)量偏大。
1.3 主要研究內(nèi)容及研究思路
1.3.1 主要研究內(nèi)容
(1) 相關(guān)文獻(xiàn)的綜述
對有關(guān)冒落區(qū)注漿或其它類型注漿時(shí)的注漿量預(yù)計(jì)文獻(xiàn)進(jìn)行研究、綜述，通過分析明確目前的研究現(xiàn)狀。
(2) 建立冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)模型
對不同采場冒落區(qū)形態(tài)進(jìn)行歸類；研究冒落區(qū)注漿量的影響因素；建立采煤工作面冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)模型。
(3) 確定冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)方法
確定以所建立模型為基礎(chǔ)的預(yù)計(jì)方法、步驟；研究確定相關(guān)參數(shù)的方法。
1.3.2 研究思路
(1) 在對已有文獻(xiàn)的研究、綜述基礎(chǔ)之上，分析冒落區(qū)注漿充填量預(yù)計(jì)的影響因素。
(2) 通過理論分析建立冒落區(qū)模型并對其進(jìn)行分類，并對每類冒落區(qū)注漿量進(jìn)行分別預(yù)計(jì)。
(3) 在現(xiàn)有預(yù)計(jì)方法的基礎(chǔ)之上，結(jié)合冒落區(qū)注漿影響因素提出新的預(yù)計(jì)方法。
(4) 通過理論分析研究確定注漿預(yù)計(jì)公式中的相關(guān)參數(shù)。
2 冒落區(qū)注漿量的影響因素
由于開采沉陷引起的巖層移動(dòng)在時(shí)空分布上極其復(fù)雜，且冒落區(qū)形態(tài)又為一灰色模型，因此在進(jìn)行注漿工程設(shè)計(jì)時(shí)，要把注漿量計(jì)算得非常準(zhǔn)確是很困難的。
冒落區(qū)注漿量受以下因素影響[8]：
(1) 冒落高度越大，冒矸越多，碎脹擴(kuò)容體積越大，可能注入的漿量越多。
(2) 直接頂和老頂越硬，懸頂時(shí)間越長，頂板冒落后，冒矸不被壓實(shí)的時(shí)間越長，注漿時(shí)間越長，可能注入的漿液越多。
實(shí)際工程中，注漿量與注漿目的、注漿參數(shù)、注漿地層特性及注漿材料等因素密切相關(guān)，是一個(gè)難以確定但又十分重要的注漿參數(shù)指標(biāo)。冒落區(qū)破碎巖體由于其空隙大小、分布難以推斷，故空隙賦存特征成了影響其注漿量預(yù)計(jì)的重要因素。破碎巖體中影響漿體注充量的主客觀因素很多，主要的客觀因素有：破碎巖體孔隙率，巖體碎脹系數(shù)，巖體軸向應(yīng)力。關(guān)于這幾項(xiàng)影響因素的探討詳見文獻(xiàn)[20]，在此僅做簡要綜述。值得注意的是，注漿工藝對注漿量也有很大影響作用。
2.1 巖體孔隙率
孔隙率是描述巖石物理、力學(xué)、滲流等特性的重要參數(shù)。因此，研究破碎巖體壓實(shí)過程中孔隙率的變化規(guī)律具有重要的工程價(jià)值?？紫堵适侵附橘|(zhì)在破碎狀態(tài)下顆粒間的孔隙體積與總體積之比。
根據(jù)孔隙率的定義，可以看出在恒定壓力的作用下，孔隙率幾乎決定了注漿量的大小。根據(jù)破碎巖體孔隙率與軸向壓力的關(guān)系，可以看出在壓力最小，即頂板破斷垮落擠壓垮落帶以前的單位時(shí)間注充量是最大的。冒落區(qū)破碎巖體的壓實(shí)過程也是孔隙率逐漸減小的過程，因此孔隙率隨壓力增大而減小的過程中，粉煤灰漿體的注入量也就隨著減少。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，注漿量和孔隙率的關(guān)系曲線擬合如圖 2 1所示。因?yàn)椴还苡绊懸蛩厝绾胃淖?，它們只影響漿體在單位時(shí)間內(nèi)的注入量，而整個(gè)過程中漿體的絕對注入量是持續(xù)增加的，所以討論注充量的時(shí)候我們采用了注漿量與垮落帶體積之比表示，同時(shí)也處理了量綱的不一致問題。
圖 2 1 注漿量和孔隙率的關(guān)系曲線
2.2 巖體碎脹系數(shù)
巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下的有所增大，這種性質(zhì)稱為巖石的碎脹性。巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于碎脹狀態(tài)下的體積與巖石破碎前處于整體狀態(tài)下的體積比來表示，該值稱為碎脹系數(shù)。
冒落帶破碎巖體當(dāng)中注漿量的存在與巖體的碎脹性是必然的關(guān)系。若在不考慮冒落帶與老頂之間空隙的情況下，只有巖體破碎膨脹特性的存在，才能對冒落帶進(jìn)行注漿充填。巖體的碎脹系數(shù)KP一般情況下為1.12~1.65，即使這樣粉煤灰漿體也不能完全充滿冒落帶。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于破碎巖體巖塊的塊度不同（試驗(yàn)時(shí)為粒徑的不同），在粉煤灰漿體帶壓情況下最多只能充填碎脹體積的60~90%。
2.3 巖體軸向應(yīng)力
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果[20]，在破碎巖體進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)時(shí)得出：孔隙率n隨著軸向應(yīng)力σ的增大而減小，其趨勢和注漿量與破碎巖體軸向應(yīng)力的關(guān)系是一致的。破碎巖體加載初期，孔隙率較大，但是在引力作用下減小的幅度很大。因此，此時(shí)相對單位時(shí)間內(nèi)注漿量最大，但是減小的幅度也較大。隨著應(yīng)力的增加，孔隙率減少，相對單位時(shí)間的注漿量也減小，但是絕對的注漿量在增加。當(dāng)壓力較大時(shí)，孔隙率隨壓力的變化相當(dāng)微小且趨于一穩(wěn)定的殘余孔隙率值，此時(shí)增加注漿量己經(jīng)很難。在應(yīng)力狀態(tài)相同時(shí)，粒徑越小，孔隙率越大，但是由于此時(shí)孔隙的形態(tài)不同于大粒徑時(shí)的孔隙，反而不利于注漿。
在冒落區(qū)注漿工程中，軸向應(yīng)力也體現(xiàn)了礦壓的影響作用，對于確定有利的注漿區(qū)域和注漿時(shí)機(jī)具有重要意義；而不同注漿區(qū)域的碎脹系數(shù)是不相同的，故又進(jìn)一步影響了注漿量。
2.4 注漿工藝
注漿工藝對注漿量的影響主要體現(xiàn)在注漿管路布置方式、注漿鉆孔布置方式與注漿壓力等方面。如隨采隨充和間隔式滯后充填；底板敷設(shè)管路充填與采用上位注漿巷道鉆孔充填時(shí)，最大充填量都是不相同的。同樣，注漿壓力不同時(shí)，也影響著注漿量。
在鉆孔注漿充填時(shí)，盡管可以預(yù)計(jì)出注漿總量，但對于工程實(shí)踐中，單孔注漿量顯得更有意義，是該鉆孔注漿終止的判別條件之一?；诖耍梢酝ㄟ^注漿鉆孔的布置及單孔注漿量的設(shè)計(jì)來進(jìn)行注漿總量的預(yù)計(jì)。即后續(xù)章節(jié)所提出的“偽注漿預(yù)計(jì)法”。
3 冒落區(qū)模型建立
從采場頂板結(jié)構(gòu)及其活動(dòng)規(guī)律出發(fā)，對于采用垮落法管理頂板的采場，建立如下冒落區(qū)模型圖：
圖 3 1 冒落區(qū)模型
圖示為采場頂板結(jié)構(gòu)和采煤工作面推進(jìn)至距開切眼一定距離后采空區(qū)頂板冒落狀態(tài)。隨著工作面向前推進(jìn)到一定距離，采場直接頂開始斷裂、冒落，在自重作用下在采空區(qū)底板碎脹型堆積，并對采空區(qū)進(jìn)行了充填。由于巖體碎脹性的存在，使得冒落巖塊擴(kuò)容，從而在巖塊之間形成空隙及相關(guān)結(jié)構(gòu)。對于不同巖性、結(jié)構(gòu)的采場頂板而言，冒落巖塊對采空區(qū)的充填程度是不相同的。當(dāng)直接頂碎脹系數(shù)較大且?guī)r層較厚時(shí)，其垮落之后就有可能充滿采空區(qū)，從而對老頂形成較好的支撐作用；但是當(dāng)直接頂碎脹系數(shù)較小、巖層較薄時(shí)，其垮落之后便不能充滿采空區(qū)，從而在冒落巖塊與老頂之間形成離層空間，如圖 3 1所示情形。由于漿液在離層空間和巖塊空隙之間的可注性及擴(kuò)散特征不同，造成注漿量的預(yù)計(jì)方式在二者之中也不相同，從而可將上述模型分為兩種情況討論：冒落巖塊與頂板之間存在離層空間；冒落巖塊充滿采空區(qū)且與頂板接頂良好。
為了能夠在實(shí)際應(yīng)用中區(qū)分這兩種不同情形，必須首先根據(jù)現(xiàn)場頂板條件進(jìn)行冒落區(qū)狀態(tài)判別。
3.1 冒落區(qū)形態(tài)分類
圖 3 2
如圖 3 2所示，煤層厚度為M ，直接頂厚度為∑h，直接頂碎脹系數(shù)為KP，則離層空間高度為：
( 3 1 )
令?h為零，可得充滿采空區(qū)的理論直接頂巖層厚度∑h'為：
( 3 2 )
實(shí)際垮落帶直接頂厚度∑h，則有：
（1）∑h=∑h'：直接頂厚度剛達(dá)到理論值時(shí)，此時(shí)恰好能充滿采空區(qū)
（2）∑h>∑h'：直接頂厚度超過時(shí)，此時(shí)只需部分直接頂垮落落就能充滿采空區(qū)。
（3）∑h<∑h'：直接頂厚度小于理論值時(shí)，垮落后不能充滿采空區(qū)。
關(guān)于此處的計(jì)算，詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[13, 22]的論述。
據(jù)此，可根據(jù)冒落巖塊對采空區(qū)的充滿狀態(tài)進(jìn)行冒落區(qū)分類。為了便于敘述和研究，這里將（1）（2）兩種情形對應(yīng)的冒落區(qū)稱為“充滿型冒落區(qū)”，記為F（Full）型冒落區(qū)；將（3）情形對應(yīng)的冒落區(qū)稱為“離層型冒落區(qū)”，記為S（Separation）型冒落區(qū)。
3.2 碎脹系數(shù)KP的確定
不同巖性巖層垮落之后其碎脹系數(shù)是不相同的，甚至同一種巖性的巖層在不同礦區(qū)其碎脹系數(shù)值也不相同。對于某一確定的采場頂板而言，直接頂?shù)拿恳环謱痈饔幸粋€(gè)與之對應(yīng)的碎脹系數(shù)值，但是彼此相差一般不是很大，其值一般在1.33~1.5之間。為了將各層巖層冒落后的巖塊作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，可以按巖層厚度對碎脹系數(shù)作加權(quán)平均處理。即，垮落直接頂巖層的碎脹系數(shù)平均值為：
( 3 3 )
關(guān)于各巖層碎脹系數(shù)的取值，可采用各礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果沒有此數(shù)據(jù)，可以參考下表[8, 23, 24]進(jìn)行選擇：
表 3 1 巖層碎脹系數(shù)參考值
巖石名稱
碎脹系數(shù)
初始(剛破碎)
殘余(壓實(shí)后)
砂
1.06~1.15
1.01~1.03
黏土
<1.20
1.03~1.07
碎煤
<1.20
1.05
粘土頁巖
1.40
1.10
泥質(zhì)頁巖
1.40
1.10
砂質(zhì)頁巖
1.60～1.80
1.10～1.15
硬砂巖
1.50～1.80
—
一般軟巖石
—
1.020
一般中硬巖石
1.3~1.5
1.025
一般硬巖石
1.3~1.5
1.030
據(jù)前述碎脹系數(shù)與注漿量的關(guān)系知，KP越大，冒落矸石堆體可注漿量越大。而KP與工作面推進(jìn)距是有關(guān)系的，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[25-27]，提出將二者歸結(jié)為一線性關(guān)系。
據(jù)此，給出下列公式描述碎脹系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律：
( 3 4 )
式中 KP——為初始最大碎脹系數(shù)；
KP'——為殘余碎脹系數(shù)；
L——冒落區(qū)矸石壓實(shí)步距，m；
LP——充分碎脹推進(jìn)距，m ；
K(x)——滯后工作面x處冒落巖塊的碎脹系數(shù)。
根據(jù)此公式，可以得出在一定注漿孔間距LZ下的冒落區(qū)矸石的平均碎脹系數(shù)，并將其作為注漿量公式中的KP值。即：
( 3 5 )
如當(dāng)KP＝1.35，KP'＝1.05，L＝30m，LP=0，Lz=15時(shí),則有碎脹系數(shù)變化規(guī)律方程：
K (x) =1.35-0.01x
由此求得，平均碎脹系數(shù)為：
3.3 冒落巖塊與頂板之間存在離層空間
冒落區(qū)與老頂之間存在離層空間時(shí)，若注漿充填及時(shí)且離層高度較大，則老頂?shù)膿锨冃尾恢劣诮佑|到冒落巖塊，故不會(huì)對矸堆的碎脹系數(shù)產(chǎn)生影響。此時(shí)，可視冒落區(qū)碎脹系數(shù)為一定值，雖然其隨時(shí)間有一定變化，但該變化值可以忽略。故碎脹系數(shù)的變化規(guī)律不適用于此種類別冒落區(qū)。
此時(shí)，冒落區(qū)注漿量的計(jì)算公式為：
( 3 6 )
式中 V注——冒落區(qū)注漿總量；
V離——離層空間體積；
V矸——冒落區(qū)矸堆中最大注漿量；
α——冒落區(qū)矸堆的可注充系數(shù)；
KP——冒落帶巖層碎脹系數(shù)；
V頂——冒落帶巖層的初始體積。
( 3 7 )
式中 V采——采出煤層體積；
V?h——由裂隙帶老頂下沉引起的離層空間體積減少量。
由式( 3 6 )可見，若冒落區(qū)巖塊無法充滿采空區(qū)時(shí)，KP越大，則冒落帶巖層冒落后體積越大，故V離越?。黄錅p小的量并入到冒落區(qū)矸石堆空隙體積中，但這部分體積并不完全可注，其中存在一個(gè)可注充系數(shù)α。
由此得出如下結(jié)論：當(dāng)冒落區(qū)與上覆巖層存在離層空間時(shí)，整個(gè)冒落區(qū)的最大注充量是隨著冒落矸石碎脹系數(shù)（與頂板條件有關(guān)）的增加而減小的，但并不會(huì)無限制的減小。但是就冒落矸石堆中，漿體的充填量是隨著垮落巖體碎脹系數(shù)的增加而增加的。
3.4 冒落巖塊充滿采空區(qū)
頂板不存在離層空間時(shí)，則冒落區(qū)矸堆受老頂彎曲、下沉以及斷裂影響，其碎脹系數(shù)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。由后面章節(jié)確定的注漿方案知，鉆孔注漿是在滯后采煤工作面一定距離進(jìn)行的，此時(shí)受注區(qū)域的碎脹系數(shù)已受到覆巖頂板作用而發(fā)生變化，故需要研究確定碎脹系數(shù)的變化規(guī)律。
此時(shí)，由于不存在離層空間，故注漿總量的計(jì)算公式為：
( 3 8 )
式中 ——考慮碎脹系數(shù)變化而取的平均值。
4 冒落區(qū)注漿充填量的預(yù)計(jì)方法
4.1 偽注漿預(yù)計(jì)方法概述
4.1.1 基本思想
對同一冒落區(qū)而言，其最優(yōu)可注漿量客觀上是確定的。不論實(shí)際工程中采取哪種注漿方案，目的都是能盡量多地注入充填漿體，以達(dá)到更好的減沉效果。故假設(shè)在不同注漿方案下，注漿量均能向最優(yōu)值逼近。基于此，采用一種優(yōu)化假設(shè)注漿方案預(yù)計(jì)的注漿總量值也是接近最優(yōu)注漿量的，故可以作為其它注漿方案下的總量預(yù)計(jì)值。
此方法兼顧了冒落區(qū)形態(tài)和注漿工藝對注漿總量的影響，而又與具體的注漿方案無關(guān)，因而具有一般性指導(dǎo)意義。
4.1.2 方法概述
根據(jù)前述各種注漿影響因素，并參照其它類似問題的注漿量預(yù)計(jì)方法，提出了一種“偽注漿預(yù)計(jì)法”。針對某一特定采煤工作面，首先對其冒落區(qū)進(jìn)行預(yù)測分類，確定冒落區(qū)類別。然后假設(shè)采用間隔鉆孔方式進(jìn)行注漿。此時(shí)可設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的冒落區(qū)注漿鉆孔布置方案，通過鉆孔注漿量進(jìn)行注漿總量預(yù)計(jì)，最后依據(jù)該方式下的注漿總量確定預(yù)計(jì)量。
4.2 預(yù)計(jì)方法具體步驟
首先進(jìn)行冒落區(qū)類別預(yù)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場取得的頂板條件和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按前述冒落區(qū)分類依據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，確定冒落區(qū)類別。
根據(jù)所確定的冒落區(qū)形態(tài)特征，依據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行注漿總量初步計(jì)算，得到V注。公式中相關(guān)參數(shù)的確定有待于下一步取得。
設(shè)計(jì)一種優(yōu)化的冒落區(qū)注漿充填方案，稱為偽注漿方案。方案設(shè)計(jì)原則為：方案客觀可行，且注漿量接近最優(yōu)值。假設(shè)注漿方案采用頂板巷道鉆孔注漿方式，沿采煤工作面推進(jìn)方向，每隔一定距離布置一個(gè)注漿工作面，每一個(gè)注漿工作面布置幾個(gè)注漿鉆孔。注漿工作面滯后采煤工作面一定距離。方案布置如圖 4 1。
圖 4 1 偽注漿方案布置
相鄰注漿工作面間距離稱為注漿步距LZ，它決定了注漿工作面的布置位置。注漿步距的確定很大程度上受冒落區(qū)矸石碎脹、壓實(shí)影響，合理的注漿步距應(yīng)保證冒落區(qū)沒有被壓實(shí)。文獻(xiàn)[19]根據(jù)冒矸壓實(shí)步距在45~60m之間從而控制注漿步距應(yīng)小于50m，還有文獻(xiàn)[20]中取值為15~20m。
注漿步距LZ的影響因素主要有：注漿擴(kuò)散半徑與老頂破斷距。其中，注漿擴(kuò)散半徑可在一定程度上受到主觀因素控制，而老頂破斷距則是客觀一定的。故LZ主要根據(jù)老頂破斷距進(jìn)行確定。計(jì)算老頂破斷距可按照梁的模型進(jìn)行[13]，也可以參照關(guān)鍵層理論計(jì)算[28]。
由注漿步距Lz可以求出單孔注漿擴(kuò)散半徑R。計(jì)算依據(jù)是相鄰兩鉆孔注漿時(shí)應(yīng)使?jié){液的擴(kuò)散能夠達(dá)到注漿步距以內(nèi)的范圍，則：
( 4 1 )
再由注漿半徑R可確定每一注漿工作面的注漿孔數(shù)目NK，即：
( 4 2 )
式中 LF——工作面長度。
每一個(gè)工作面的注漿鉆孔數(shù)目NK應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果向上取整數(shù)，以保證漿體能夠在整個(gè)工作面范圍內(nèi)擴(kuò)散。
單孔注漿量Q計(jì)算公式如下：
( 4 3 )
式中 QC——離層空間內(nèi)可注入漿體量。
上式適應(yīng)于不同類別冒落區(qū)。對S型冒落區(qū)，QC近似等于離層空間體積；對F型冒落區(qū)，QC等于零。不同類別的冒落區(qū)，其注漿段長L的計(jì)算方法不相同。損耗系數(shù)A取值1.2~1.5，漿液充填系數(shù)B取值0.9~0.95?？紫堵蕁按下式進(jìn)行計(jì)算：
( 4 4 )
式中 K——受注巖體碎脹系數(shù)。
對S型冒落區(qū)，K值按式( 3 3 )中KP公式計(jì)算；對F型冒落區(qū)，K值按式( 3 5 )中計(jì)算。
每一個(gè)注漿工作面的注漿總量為：
( 4 5 )
沿采煤工作面推進(jìn)方向共有注漿工作面?zhèn)€數(shù)NF為：
( 4 6 )
式中 LA——采煤工作面總推進(jìn)長度，m。
則冒落區(qū)的注漿總量為：
( 4 7 )
根據(jù)該注漿方案的相關(guān)參數(shù)對上述公式中的部分參數(shù)進(jìn)行修正、確定；再用該注漿方式所確定的注漿量總和V注'對原預(yù)計(jì)注漿總量V注進(jìn)行調(diào)整。
5 研究主要結(jié)論
(1) 通過搜集相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)研究現(xiàn)狀。
(2) 提出了冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)中新的影響因素——注漿工藝。
(3) 按冒落巖塊對采空區(qū)的充滿情況分類了冒落區(qū)，將其分為F型冒落區(qū)和S型冒落區(qū)。
(4) 基于相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，提出F型冒落區(qū)巖塊碎脹系數(shù)的線性變化假設(shè)，并給出了具體公式和算例。
(5) 建立了通用的冒落區(qū)模型，并對注漿量預(yù)計(jì)加以論述。
(6) 提出新的冒落區(qū)注漿量預(yù)計(jì)方法，并給出了預(yù)計(jì)步驟及相關(guān)計(jì)算公式。
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