[发明专利]空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法

权利要求书

1.一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，包括：

将钻孔穿透采空区顶板，在钻孔中安装注浆管；

利用所述注浆管向采空区内注浆以形成墩柱，所述墩柱顶端与采空区顶板接触；

利用墩柱固化后来支撑采空区顶板；

其中，利用所述注浆管向采空区内注浆以形成墩柱的过程包括高浓度浆液自由堆积阶段的注浆控制，堆积角度成型阶段的注浆控制，整体扩展阶段的注浆控制；

其中，在高浓度浆液自由堆积阶段的注浆控制，具体为：

注浆开始，按照注浆启动压力p进行注浆，将高浓度浆液连续注入注浆孔，此时，高浓度浆液未接顶属于自由堆积阶段，当注浆管孔口位置的压力计显示的压力突然升高时浆液接顶，即在采空区形成图凸型形态注浆体，自由堆积阶段结束；其中，基于下式确定注浆启动压力p：

式中，Q为启动流量，ρ_m为高浓度浆液的密度，d为管道的内径；a_m为压力波传播速度；

其中，在堆积角度成型阶段的注浆控制，具体为：

将泵送压力减小0.2MPa～0.8MPa，可使凸型形态坡面位置浆液粘度增加一定程度后再被新充填进来的浆液覆盖，此过程浆液堆积体形态将从凸型形态变为堆积角度固定的较为规则的等腰梯形，注浆时间为100～110min，堆积角度成型阶段结束；

其中，在整体扩展阶段的注浆控制，具体为：

按照注浆终止压力进行注浆，根据采空区部分充填治理中充填墩柱尺寸设计，控制注浆量，采空区高度h_c，堆积角θ，接顶直径a_j，则总注浆量V_z为：

利用注浆孔孔口设置的流量计统计已注浆液的注浆总量V_y，注浆孔孔口流量计累计已注浆液V_y达到总注浆量V_z时注浆结束，所注浆液完成了整体扩展阶段的浆液堆积。

2.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，基于下式确定压力波传播速度a_m：

式中，C_V为高浓度浆液的体积浓度，E_s为高浓度浆液中固体颗粒的弹性模量，E_h为高浓度浆液的体积压缩弹性模量，E_p为管壁弹性模量，d为管道的内径，e为管道的壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，基于下式计算注浆终止压力：

其中，L为工程设计接顶半径；D₀为流动通道内的等效半径，取0.01-0.08m范围以内值，p₀为注浆终止压力，p_a为大气压强；h表示浆液从地表至采空区顶板距离，γ为浆液自身重度，∑Δp_f为管路输运过程中总的沿程损失，ρ_m为浆液密度，v为浆液流速，λ为范宁阻力系数，Re_c＝XRe_s，Re_s为根据有效粘度μ_e计算的有效雷诺数，X为修正系数，μ_p为浆液的塑性粘度，D为管径，μ_e为有效粘度，τ_y为屈服应力，β_c为管壁滑移系数，由于滑移层粘度μ_w极低，可直接将其视作为水，取μ_w＝0.001，则有β_c＝500δ；滑移层厚度δ是物料平均粒径d_p以及浆液固体填充率C_v/C_vm的函数，即

4.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，向采空区内注浆的高浓度浆液包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.48-1.52；

风积砂：8.0-8.4；

水：1.2-2.5；

其中，风积砂粒径小于2mm。

5.根据权利要求1所述的一种空洞型采空区高浓度浆液充填墩柱大小与形态控制方法，其特征在于，向采空区内注浆的高浓度浆液包括以下质量份数的配料：

水泥，1；

粉煤灰，1.10-1.20；

煤矸石：6-6.4；

水：1.1-2.2；

其中，煤矸石粒径小于2mm。