本发明属于地下空间支护领域，具体涉及一种坚硬顶板煤层采空区空间留设方法。
背景技术：
伴随着城市空间的不断拓展，国内外专家学者们对于浅部地下空间进行开发利用已经达成广泛的共识。然而，高昂的开发成本使得对于地下空间的开发始终未能得到推广。煤矿采空区是煤矿作业过程后，将煤炭开采完成后留下的空洞。煤矿采空区所形成的地下空间不稳定且存在冲击危险性。借鉴国内外对于地下空间的利用情况，针对煤矿采空区采取一定的措施加以利用而不只是成为对于环境的负担，已经成为矿井转型发展的方向之一。目前，多数矿井采用全部垮落法处理采空区。尤其是存在坚硬顶板的矿区，为实现采空区的全部垮落须采取强制放顶措施，在这一过程中可能会引发坚硬顶板的大面积垮落，甚至造成冲击灾害，对于矿井安全生产造成恶劣影响。此外，顶板的大面积垮落易于引发地表沉陷，造成经济与生态双重破坏。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种坚硬顶板煤层采空区空间留设方法，实现对于地下空间的支护留存，使其可以发挥更大的作用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种坚硬顶板煤层采空区空间留设方法，对采空区进行有效支撑实现对采空区的长期留存，具体为：采用大尺寸充填墙以支撑间距lm小于上覆岩层中的主关键层的极限跨距l0，以控制主关键层及其上覆岩层的移动；采用圆形立柱以支撑间距ls小于上覆岩层中的亚关键层的极限跨距l1，以控制主关键层下位亚关键层的移动。
主关键层或亚关键层的极限垮落步距判别方法下式所示：
l为主关键层的极限垮落步距l0或亚关键层的极限垮落步距l1，m；h为主关键层或亚关键层厚度，m；rt为主关键层或亚关键层抗拉强度，mpa；q为主关键层或亚关键层自重及其上载荷，kn/m；f1为主关键层或亚关键层岩体强度系数；f2为开采影响系数；
γ——主关键层或亚关键层的平均体积力，kn⁄m³；h——主关键层或亚关键层深度，m；σc——主关键层或亚关键层单轴抗压强度，mpa；
k——应力集中系数。
所述圆形立柱包括圆柱状钢结构网和位于圆柱状钢结构网内部的锚杆骨架，圆柱状钢结构网外侧套设有环形约束圈。
所述大尺寸充填墙墙体两侧安装对拉锚杆来提高人工支撑物的支撑能力。
所述大尺寸充填墙采用在充填模具中填充骨料和胶结材料制成。
所述填充骨料为巷道掘进矸石、直接顶垮落的岩石和废弃锚网索中的任一种或几种。
充填模具上设置有对拉锚杆通过的预留孔和注入胶结材料的注料孔。
本发明产生的有益效果是：本发明将煤矿采空区加以利用而不只是成为对于环境的负担，避免了坚硬顶板的大面积垮落、地表沉陷等经济与生态双重破坏的发生；圆形立柱的结构简单，强度高，可以对采空区进行很好的支撑；大尺寸充填墙采用巷道掘进矸石、直接顶垮落的岩石和废弃锚网索等原料制成，能够有效减少物资内运，实现生产材料的循环再利用。
附图说明
图1为采用大尺寸充填墙对采空区进行支撑的结构示意图；
图2为图1中大尺寸充填墙结构示意图；
图3为图1中大尺寸充填墙侧面结构示意图；
图4为采用圆形立柱对采空区进行支撑的结构示意图；
图5为图4中圆形立柱的结构示意图；
图6为图4中环形约束圈与圆柱状钢结构网连接处的结构示意图；
图中，1、地表，2、上覆岩层，3、采空区，4、圆形立柱，5、大尺寸充填墙，6、主关键层，7、亚关键层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1－6所示，一种坚硬顶板煤层采空区空间留设方法，对采空区进行有效支撑实现对采空区的长期留存，具体为：采用大尺寸充填墙5以支撑间距lm小于上覆岩层中2的主关键层6的极限跨距l0，以控制主关键层及其上覆岩层的移动；采用圆形立柱4以支撑间距ls小于上覆岩层中的亚关键层7的极限跨距l1，以控制主关键层下位亚关键层的移动。
主关键层6或亚关键层7的极限垮落步距判别方法下式所示：
l为主关键层的极限垮落步距l0或亚关键层的极限垮落步距l1，m；h为主关键层或亚关键层厚度，m；rt为主关键层或亚关键层抗拉强度，mpa；q为主关键层或亚关键层自重及其上载荷，kn/m；f1为主关键层或亚关键层岩体强度系数；f2为开采影响系数；
γ——主关键层或亚关键层的平均体积力，kn⁄m³；h——主关键层或亚关键层深度，m；σc——主关键层或亚关键层单轴抗压强度，mpa；
k——应力集中系数。
应力集中系数k的测定为本领域的常规技术手段，此处不再赘述。
所述填充骨料为巷道掘进矸石、直接顶垮落的岩石和废弃锚网索中的任一种或几种。
充填模具501上设置有对拉锚杆通过的预留孔503和注入胶结材料的注料孔。
所述圆形立柱4包括圆柱状钢结构网402和位于圆柱状钢结构网内部的锚杆骨架401，圆柱状钢结构网402外侧套设有钢结构环形约束圈403。
大尺寸充填墙5采用在充填模具501中填充骨料和胶结材料制成。所述填充骨料为巷道掘进矸石、直接顶垮落的岩石和废弃锚网索，能够有效减少物资内运，实现生产材料的循环再利用。
充填模具501为内部隔成若干空间的箱体，填充骨料和胶结材料混合后填充在箱体内部的空间内。箱体两侧设置有供对拉锚杆505通过的预留孔503，采用对拉锚杆505将箱体连接在一起，提高墙体的支撑强度。箱体两侧还预留有通风通道502和排水通道504，使得采空区内部可以连通，预防支撑区域出现发火等安全灾害。