一种采煤填充控制地表沉降的方法与流程

本发明属于煤矿充填技术领域，具体涉及一种采煤填充控制地表沉降的方法。

背景技术：

我国煤矿开采历史悠久，开发范围广阔，特别是山西等重点产煤省份，开发强度较大，历史遗留采空区面积广，采空区地表塌陷破坏严重。长壁工作面是我国最常见的采煤工作面之一，具有采煤效率高，巷道掘进少等优点。

近年来，随着煤矿充填机械的进步，特别是综采充填一体化专用支架的研制成功，又出现了采用综合机械化进行矸石充填的技术，即综合机械化矸石充填。

综合机械化矸石充填集“减沉”和“减排”于一体，其所用的专门充填支架前部为普通综采支架，支架后部在顶梁上悬吊了一部刮板输送机以输送矸石充填材料。工作面先采煤后充填，采空区随采随充，确保采空区的大部分空间及时为矸石所充填，并以矸石充填体来限制煤层上覆岩层的移动，从而实现控制地表沉陷的目的。该技术采用的充填体为矸石粉煤灰混合体，具有抗变形能力强、长期稳定等优点，且可以消除矿山上普遍存在的矸石山等，是一种较为理想的充填材料。

但是，综合机械化矸石充填存在用量太大，材料来源较少，又成本较高等缺点，达到了增加吨煤成本70-80元，不能大规模采用。矸石充填的成本成为了限制其大规模应用的主要问题。此外，综合机械化矸石充填还存在采煤效率过低的缺点，工作面年均产煤量不超过100万吨。

因此，通过减少矸石用量以缩小成本，以及提高工作面采煤效率是今后矸石充填的发展方向。高水材料充填是采用水体积比超过90％的高水材料进行充填的一种新技术，其主要优点在于材料来源不受限制，成本也较低，高水材料可以通过管道或钻孔输送至充填区域，但存在需要在采空区构筑专用的模板体系，材料的泌水性(指水泥浆体所含水分从浆体中析出的难易程度)及长期稳定性差等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采煤填充控制地表沉降的方法，该方法解决了现有矸石充填用量大成本高的问题，通过矸石充填条带与高水充填体的联合支撑，具有很好的支撑效果，实现对地表沉降的控制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种采煤填充控制地表沉降的方法，该方法包含：

(s1)煤层的侧面作为采煤工作面，在该采煤工作面上设置有：充填支架，在采煤时，所述的采煤工作面每向前推进一距离，沿推进方向构筑矸石充填条带，并通过垮落法形成垮落顶板条带，且所述的矸石充填条带与所述的垮落顶板条带间隔设置；

(s2)根据矿井岩层的物理力学性质，计算各岩层的荷载(qi)1，i＝1……n，若岩层i+1的荷载(qi)1小于其下层岩层i的荷载(qi-1)1，则岩层i+1作为关键层，找出所有的关键层；

(s3)在垮落时，在所述的垮落顶板条带上方的各关键层和其下层岩层之间形成离层空间；

(s4)在所述离层空间上的关键层钻孔形成注浆通道，所述的离层空间与注浆通道相通，高水材料通过该注浆通道从下至上依次填充入所述的离层空间内，形成高水充填体，实现矸石充填条带与高水充填体的联合支撑体系，以支撑岩层及表土层。

优选地，在所述的步骤(s2)中，所述的物理力学性质包含：各岩层i的弹性模量ei、厚度hi和容重γi。

优选地，在所述的步骤(s2)中，所述计算采用的公式为：

优选地，在所述的步骤(s1)中，所述矸石充填条带为倾斜长壁矸石充填条带，其采用综合机械化矸石充填方法进行充填。

优选地，所述矸石充填条带和垮落顶板条带的宽度均与所述采煤工作面向前推进的距离相等。

优选地，所述采煤工作面向前推进的距离为40m。

本发明的采煤填充控制地表沉降的方法，解决了现有矸石充填用量大成本高的问题，具有以下优点：

(1)本发明的方法对采空区后方进行了局部的矸石充填，采用矸石充填条带与垮落顶板条带间隔设置，局部矸石条带充填的范围比采空区全矸石充填缩短了一半，减少了矸石用量的同时也降低了成本，并提高了采煤工作面的推进速度，提升了采煤效率；

(2)本发明的方法采用高水充填，需要在矸石条带形成后进行，工序上与采煤及矸石充填不发生冲突，可并行进行，其充填范围为各关键层下方的离层空间，关键层及其下部的岩层恰好形成了高水充填所需要的模板体系，避免了构筑专门的模板体系，不仅减少了填充工序，而且还降低了高水充填的成本，可大量使用；

(3)本发明的方法采用矸石条带结合高水充填，实现了优势互补，又克服了各自的缺陷，形成了以矸石条带作为支撑主体，高水充填离层空间为辅的充填体系，可以较好地实现控制地表沉陷的目的。

附图说明

图1为本发明的倾斜长壁矸石条带与高水充填的纵剖面示意图。

图2为本发明的倾斜长壁矸石条带与高水充填的平面示意图。

图3为本发明的矿井岩层中关键层的计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种采煤填充控制地表沉降的方法，该方法包含：

(s1)如图1所示，为本发明的倾斜长壁矸石条带与高水充填的纵剖面示意图，如图2所示，为本发明的倾斜长壁矸石条带与高水充填的平面示意图，煤层1的侧面作为采煤工作面9，在该采煤工作面9上设置有：充填支架10，在采煤时，采煤工作面9每向前推进一距离，沿推进方向构筑矸石充填条带8，并通过垮落法形成垮落顶板条带7，且矸石充填条带8与垮落顶板条带7间隔设置；

(s2)如图3所示，为本发明的矿井岩层中关键层的计算示意图，根据矿井岩层的物理力学性质，计算各岩层2的荷载(qi)1，i＝1……n，若岩层i+1的荷载qi1小于其下层岩层i的荷载(qi-1)1，则岩层i+1作为关键层3，找出所有的关键层3；

(s3)在垮落时，在垮落顶板条带7上方的各关键层3和其下层岩层2之间形成离层空间6；

(s4)在离层空间6上的关键层3钻孔形成注浆通道5，离层空间6与注浆通道5相通，高水材料通过该注浆通道5从下层至上层依次填充入离层空间6内，形成高水充填体，实现矸石充填条带与高水充填体的联合支撑体系，以支撑岩层2及表土层4。

在步骤(s2)中，物理力学性质包含：各岩层i的弹性模量ei、厚度hi和容重γi。

在步骤(s2)中，计算采用的公式为：

在步骤(s1)中，矸石充填条带8为倾斜长壁矸石充填条带，其采用综合机械化矸石充填方法进行充填。

矸石充填条带8和垮落顶板条带7的宽度均与采煤工作面9向前推进的距离相等。

采煤工作面(9)向前推进的距离为40m。采煤工作面9每次向前推进的距离越大，则采煤效率越高，但是控制地表沉降的效果则越差；反之则控制地表沉降的效果越好，采煤效率越低。保持矸石充填条带8和垮落顶板条带7的宽度均与采煤工作面9向前推进的距离相等，以保证地表不会沉降。

实施例1

一种采煤填充控制地表沉降的方法，如图1和图2所示，前方煤层1后即为综合机械化矸石充填采煤工作面9，采煤工作面9布置有充填液压支架10，矸石充填条带8间隔布置，间隔距离为40m，矸石充填条带8之间采用垮落法管理顶板，其垮落后形成垮落顶板条带7。

综合机械化矸石充填的采煤工作面9每往前推进40m进行充填作业，构筑沿推进方向宽度为40m的矸石充填条带8，矸石充填条带8与垮落顶板条带7间隔布置，垮落顶板条带7的宽度也为40m。

如图3所示，按公式计算岩层荷载，其中，ei、hi和γi分别为各岩层i的弹性模量、厚度及容重；依公式从岩层1逐层往上计算，当出现时(qi+1)1＜(qi)1，即上一层的荷载小于下层的荷载，则第i+1层岩层即为关键层3，一直往上计算到表土层4下部的岩层n，直到找出所有关键层3，各关键层3下即为可能的离层空间6，注浆通道5需要穿透各关键层3，并从底层关键层3开始注入高水材料(高水速凝固材料)，直到最上层关键层3。

在垮落顶板条带7上部的各关键层3之下钻有注浆通道5，关键层3下部的离层空间6用高水材料充填，形成高水充填体；形成矸石充填条带8和高水充填体的联合支撑体系以支撑上部岩层2及表土层4。

本发明的方法经过构筑矸石充填条带及进行覆岩离层高水材料注浆充填，形成了矸石条带和高水充填体的支撑体系，矸石充填条带是支撑主体，高水充填体的主要作用是保证各关键层不发生破断，避免了关键层破断波及地表，又对采空区进行的是局部充填，比全部充填减少了一半的充填量，既考虑了采煤效率，又考虑了控制地表沉降的效果，提高了采煤工作面的推进速度，且相应的也提高了经济效益。

综上所述，本发明的采煤填充控制地表沉降的方法通过联合矸石充填和高水材料充填，以控制地表沉降，不仅提高了支撑效果，降低了成本，而且还能实现更大规模的开采填充。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。