[发明专利]采前注浆建造结构关键层抑制导水裂缝带发育的方法

权利要求书

1.一种采前注浆建造结构关键层抑制导水裂缝带发育的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：覆岩原生结构关键层赋存层位的确定；根据采煤工作面覆岩结构特征，依据关键层理论的载荷和破断距判据的公式1，计算得到覆岩结构中的关键层，从而得到覆岩中结构关键层赋存层位特征；

q₁(x)|_n+1＜q₁(x)|_n(1)，q₁(x)|_n+1、q₁(x)|_n分别为计算到第n+1层与n层时，第1层关键层所受载荷；

步骤2：导水裂缝带发育范围的确定，根据工作面的回采方式、煤层回采厚度和覆岩岩性特征，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》2017年版本及《煤矿防治水手册》2013年煤炭工业出版社版对导水裂缝带的发育高度进行计算，对比得到导水裂缝带最大发育高度；

步骤3：人工结构关键层建造层位的分析确定，依据步骤1分析的覆岩结构关键层和步骤2计算的导水裂缝带发育高度，确定导水裂缝带波及层位最高的结构关键层的厚度和层位，其中导水裂缝带最大发育高度与被波及的最高层位结构关键层的关系分为中部和上方两种类型，其中从上至下分别为上部覆岩层、载荷地层、上部关键层、导水裂缝带、垮落带和煤层，将导水裂缝带波及原生关键层的上部层位地层注浆改造成关键层的一部分，提高该部分地层强度，抑制垂向裂缝的发育，同时增加了原生关键层厚度，提高了关键层极限跨度；

步骤4：人工结构关键层中垂向厚度和水平宽度的确定，根据“固定梁”结构关键层理论，最大弯矩发生在梁的两端，单位N.m，最大拉应力σ_max为公式(4)：

当σ_max＝R_T时，梁断裂时的极限跨距为公式(5)：

以最大剪应力作为岩层断裂的依据，最大剪应力发生在梁的两端，最大剪应力单位Pa，q为固定梁所受的均布载荷，L为梁的跨度，h为梁的厚度；

步骤5：人工结构关键层建造注浆参数确定；根据导水裂缝带波及的最上部关键层的物理力学性质，标定得到高于其物理力学性质的水泥标号和浆液水灰比，因此利用该标号水泥配制成相应水灰比浆液对该关键层进行注浆加固，并对其上部Δh范围内的地层进行注浆改造，实现原有关键层的强化和增厚。

2.如权利要求1所述的采前注浆建造结构关键层抑制导水裂缝带发育的方法，其特征在于：步骤1中，式中E₁、E_i分别为第1层、第i层岩层的弹性模量，Pa；h₁、h_i分别为第1层、第i层岩层的厚度，m；γ_i为第i层的容重，N/m³；代入公式(1)化简后得到公式(2)，

进一步通过公式(3)进行破断距判据：

l_n＜l_n+1(n＝1,2,...,k) (3)

其中，l_n为第n层的破断距，以此类推，m；k为由式(1)确定的硬岩层层数；式中R_T、h分别为岩层的极限抗拉强度和厚度，单位分别为Pa、m，代入公式(3)得到关键层赋存特征。

3.如权利要求1所述的采前注浆建造结构关键层抑制导水裂缝带发育的方法，其特征在于：步骤2中采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》2017年版本及《煤矿防治水手册》2013年煤炭工业出版社版中导水裂隙带预计高度计算公式表，即表1对导水裂缝带的发育高度进行计算，

表1覆岩导水裂缝带高度预计公式

表中∑M为累计采厚，公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m，公式中±号项为中误差。

4.如权利要求1所述的采前注浆建造结构关键层抑制导水裂缝带发育的方法，其特征在于：人工结构关键层建造位置确定在导水裂缝带波及原生关键层上部位置，以抑制采动裂缝在垂向继续向上发育，进而降低导水裂缝带的最大发育高度。