一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法与流程

本发明涉及一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，属于充填开采领域。

背景技术：

长期以来，我国普遍采用垮落法处理地下矿产资源的采空区，此方法机械化程度和开采效率较高，但也造成上覆岩层大范围变形与垮落，引发顶板裂隙透水与地下水系破坏、地表沉陷与建(构)筑物破坏、矸石地面堆积、采空区有害气体不规则积聚等环境与安全问题。同时，我国存在着大量的“三下”资源，在资源日益枯竭的现状下，这一部分资源亟待得到释放利用。地下矿产资源开采中控制地表沉陷的方法主要有部分开采和充填开采，或是两者的结合，传统的部分开采方法包括房式开采、条带开采、柱式开采等，都需要留设大量的矿柱，采出率低，造成地下矿产资源的大量浪费，难以有效解决“三下”资源的开采问题。近年来，在“绿色开采”的理念和采矿政策的推动下，充填开采作为控制环境破坏和解决“三下”资源开采的手段，在采矿工程中迅速发展起来，并在充填体布置方式、充填材料、充填工艺等方面取得了一定的进展。

对采空区进行充填的最佳方式是全采全充，即尽可能将充填材料充满整个采空区，用充填材料替换被开采出的矿产，控制上覆岩层的运移。全采全充可以达到良好的控制效果，但需要大量的充填材料，充填成本较高。同时，随着开采工艺的改进和充填开采快速的发展，可用的采矿固体废弃物不断减少，逐渐地不能满足全采全充的需求。如何解决采矿固体废弃物产出量与充填材料需求量之间的平衡，成为当前及今后充填开采的主要问题。因此，在全采全充的基础上，为减少充填材料使用量、降低充填成本，对采空区进行部分充填。部分充填常用的方式有条带式充填和墩柱式充填等，这些充填方式虽然节约了充填材料，但是由于缺乏合理的采充规划，充填形式单一，充填效果不太理想，顶板变形量难以控制。针对煤矿充填开采存在的问题，在采空区部分充填思想的基础上，提出了根据顶板垮落特征预测进行采空区部分充填开采的方法。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，根据采空区顶板垮落特征，通过前期预测及采充规划，在采空区关键部位有针对性的布置高强充填结构体，形成“充填体-直接顶”结构控制体系，控制上覆岩层的变形和破坏。

本发明提供了一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，包括以下内容：

根据采空区直接顶初次垮落步距，在采空区关键位置布置高强度充填条带，高强度充填条带与开采方向垂直或平行，控制直接顶的垮落；根据空顶区直接顶的弯曲挠度，在充填条带间间隔布置数排不同形状的高强度充填单体，控制直接顶的变形；存在特殊地质构造，则在特殊地质构造位置进行大范围充填，控制应力集中点；高强度充填条带和充填单体控制直接顶的稳定，形成“高强充填体-直接顶”结构控制体系，一起支撑上覆岩层；布置窄充填条带沿空留巷，减少下一工作面的掘巷工作量，并封闭充填采空区。

所述采空区关键位置为直接顶破断处、直接顶变形控制点、顶板应力集中点、沿空留巷处。

所述不同形状的高强度充填单体包括十字形、T形、方形或棱柱体结构。

所述特殊地质构造位置指断层、陷落柱、褶皱、裂隙带或薄弱层涌水区。

所述高强充填体采用强度为6-10MPa的充填材料，并可根据需要在充填体外表和内部进行配筋或其他加固处理。

上述方法的具体操作步骤如下：

(1)根据矿区地质条件，计算直接顶所受均布荷载q，直接顶初次垮落步距L；

所述

当(q_n+1)₁<(q_n)₁时，q＝(q_n)₁；

其中：E₁、E₂、…E_n为各岩层的弹性模量，n为岩层数，h₁、h₂…h_n为各岩层的厚度，h₁为直接顶厚度，R_T为直接顶抗拉强度，q为作用在直接顶的上覆载荷，k₁为安全系数；V₁、V₂、V₃、......V_n为各岩层的容重；

2.根据直接顶垮落步距合理设计充填条带的间距L₁，根据条带间直接顶变形量W_max在充填条带间布置间距为L₂的充填单体；

所述L₁<L，

式中，I₁为直接顶惯性矩；E₁为直接顶的弹性模量，h₁为直接顶的厚度，q为作用在直接顶的上覆载荷，L₂为充填单体间距；

3.选择高强充填材料，根据充填材料的强度f_cu和作用在直接顶的上覆载荷q设计充填条带的宽度a，条带间高强度充填单体的横截面积A根据自身稳定性设计，等效高宽比不大于2；等效高宽比是指充填单体的高度h与其宽度的比值，所述宽度为将不同形状的高强度充填单体等效成与其具有相同横截面积A的正四棱柱时的宽度

所述其中：L为直接顶初次垮落步距，q为作用在直接顶的上覆载荷，f_cu为充填体抗压强度，k₂为安全系数；

作为一种优选方案，所述高强充填材料为矸石-粉煤灰膏体充填材料，其强度能达到6-10MPa，具体的质量配比为：水泥∶粉煤灰∶水∶矸石＝1∶2∶2∶5，其中0-5mm细矸石占总矸石的30％，5-10mm中矸石、10-15mm粗矸石用量均占总矸石的35％，充填材料的质量分数为80％，可根据实际要求添加不同的添加剂。

作为另一种优选方案，所述高强充填材料为矸石-废弃混凝土膏体充填材料，强度能达到6-10MPa，具体的质量配比为：水泥∶粉煤灰∶水∶矸石∶废弃混凝土＝1∶2∶2∶3.5∶1.5，其中：其中0-5mm细矸石和10-15mm粗矸石均占总矸石的25％，5-10mm中矸石占总矸石的50％；0-5mm细废弃混凝土占总废弃混凝土的40％，5-10mm中废弃混凝土和10-15mm粗废弃混凝土用量分别占总废弃混凝土的30％；充填材料的质量分数为80％；充填材料的质量分数为80％，可根据实际要求添加不同的添加剂。

4.设计沿空留巷充填条带宽度c：为满足支护要求，c≥2.5m

5.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填，充填条带采用滑模进行充填。

本发明的有益效果：

(1)与全部垮落法相比：有效控制顶板变形破坏与地表沉陷，提高“三下”采煤采出率，保护环境；

(2)与全采全充相比：根据构造要求进行部分充填，可以节约充填材料，降低充填成本；

(3)与条带式充填和墩柱式充填相比：根据顶板垮落弯曲特征，在关键部位布置不同形状的充填结构体，对顶板控制效果好，防止部分充填体破坏引起全区的连锁反应；

(4)可以对充填后形成的大量地下空间再利用。

附图说明

图1为采空区垂直于开采方向布置充填条带的部分充填方法示意图

图2为采空区平行于开采方向布置充填条带的部分充填方法示意图

图3为采空区布置充填条带的部分充填方法示意图。

图中：1.垂直于开采方向的充填条带；2.十字型充填单体；3.本采充工作面沿空留巷充填条带；4.未开采矿体；5.上一采充工作面沿空留巷充填条带；6.平行于开采方向的充填条带；7.T形充填单体；8.方形充填单体；A为开采方向。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

某矿可采煤层赋存稳定，地质构造简单，煤层的普氏系数f＝2～4。煤层倾角2°～10°，平均4°；煤层厚度为3.20～3.30m。直接顶为3.8m厚的粉砂岩(单向抗拉强度为6.8MPa，弹性模量为20.8MPa)，老顶为细砂岩(单向抗拉强度为7.98MPa)，厚6.87m，其上分别为厚度0.34m,5.17m和5.23m的碳质泥岩、粉砂岩和砾岩。

1.根据计算：直接顶所受均布荷载q＝0.095MPa，直接顶初次垮落步距L＝26.3m；

2.设计垂直于开采方向的充填条带，间距为L₁＝25m，在充填条带间均匀布置充填单体；

3.选择矸石-粉煤灰膏体充填材料，配比为细矸石用量为285kg/m³，中、粗矸石用量均为332.5kg/m³，水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m³和380kg/m³，水用量为380kg/m³，充填材料的质量分数为80％，根据充填材料的强度f_cu＝6.6MPa和直接顶所受均布荷载q＝0.095MPa,设计充填条带的宽度a＝6m，并在其间设计截面积A＝20m²的十字型充填单体；

4.设计沿空留巷尺寸c＝3m；

5.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填，充填条带采用滑模进行充填。

实施例2：

某矿可采煤层赋存稳定，地质构造简单，煤层的普氏系数f＝2～4。煤层倾角2°～10°，平均4°；煤层厚度为3.20～3.30m。直接顶为3.8m厚的粉砂岩(单向抗拉强度为6.8MPa，弹性模量为20.8MPa)，老顶为细砂岩(单向抗拉强度为7.98MPa)，厚6.87m，其上分别为厚度0.34m、5.17m和5.23m的碳质泥岩、粉砂岩和砾岩。

1.根据计算：直接顶所受均布荷载q＝0.095MPa，直接顶初次垮落步距L＝26.3m；

2.设计平行于开采方向的充填条带，间距为25m，在充填条带间平均布置充填单体；

3.选择矸石-废弃混凝土膏体充填材料，其配比为：0-5mm细矸石和10-15mm粗矸石用量均166.25kg/m³，5-10mm中矸石用量为332.5kg/m³；0-5mm细废弃混凝土用量为114kg/m³，5-10mm中废弃混凝土和10-15mm粗废弃混凝土用量均为85.5kg/m³；水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m³和380kg/m³，水用量为380kg/m³，充填材料的质量分数为80％，添加0.3％的聚羧酸高效减水剂；根据充填材料的强度f_cu＝8.4MPa和直接顶所受均布荷载q＝0.095MPa,设计充填条带的宽度a＝5m；并在其间设计两排截面积A＝20m²的十字型单体和截面积A＝16m²的T型单体；

4.设计沿空留巷尺寸c＝3m；

5.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填。

实施例3：

某煤矿开采的3号煤层直接顶为浅灰色砂质泥岩和细粒砂岩(其中包含两层薄煤,均厚0.5m),致密块状构造,平均厚4.40m,以层状为主,层向裂隙不太发育,抗压强度为30.3～75.9MPa,平均65.3MPa,抗拉强度为1.5MPa。

1.根据计算直接顶所受均布荷载q＝0.946MPa，直接顶初次垮落步距L＝22m；

2.由于直接顶强度较小，设计平行于和垂直于开采方向的双向充填条带，间距为22m，在充填条带间均匀布置充填单体；

3.选择矸石-粉煤灰膏体充填材料，配比为细矸石用量为285kg/m³，中、粗矸石含量用量均为332.5kg/m³，水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m³和380kg/m³，水用量为380kg/m³，充填材料的质量分数为80％，根据充填材料的强度f_cu＝6.6MPa和直接顶所受均布荷载q＝0.946MPa,设计充填条带的宽度a＝5m；并在其间设计两到三排十字型、T型及方形充填单体；并在采区中间薄弱区域进行全充；

4.设计沿空留巷尺寸c＝4m；

5.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填，充填条带采用滑模进行充填。