一种墩式连拱式采空区处理方法与流程

本发明涉及矿山开采领域，特别涉及一种“墩式连拱”式采空区处理方法。

背景技术：

社会经济发展对资源的需求量与日俱增，而地下资源开采将不可避免的导致采空区的形成，采空区沉降与塌陷对地表建筑物会产生很大影响，尤其是桥梁、铁路、房屋等对地表沉降值要求较高的地表建筑。为了最大限度减少采空区地表层沉降，使其沉降值控制在合理区间范围内，防止采空区地表建筑损毁，确保位于采空区上覆地表层建筑物体的安全与稳定，传统的采空区处理方法通常有：自然垮落法、崩落法、充填法、煤柱支撑法、封闭隔离法等五种处理方法。自然垮落法和崩落法工艺简单、花费低廉，但地表沉降量较大；充填法用于采空区处理具有效果好、见效快、充填密实等优点，可以保障地表不发生沉降、塌陷等釆动次生灾害，但存在施工难度大、成本高、作业安全性差等缺点；煤柱支撑法存在资源浪费量大、经济效益差等缺点；封闭隔离法在采空区防火方面效益显著，但不能从根本上解决地表下沉问题。此外，受具体开采条件、采煤工艺、工作面布置方式、采空区形态特征等具体不同限制，上述传统采空区处理方法往往不能满足地表建筑对地表沉降幅度的苛刻要求以及较高的工艺技术成本。因此，综合考虑采空区处理方法的各种因素，从根本上解决因采空区沉降、塌陷现象而造成地表建筑的损毁问题，在保证矿山安全生产的同时，最大化减少遗留采空区对地表建筑的影响，从技术、经济、安全性等方面全方位考虑采空区处理的总体效果，确保矿井生产利益最大化。

中国专利公开号CN104564137A公开了一种双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置，主要针对煤矿厚层坚硬顶板难以垮落的工程难题，采煤工作面采煤工序结束后，通过在采空区内充填基础垛体，基础垛体与顶板之间通过充填化学材料进行软接顶。该技术存在的缺陷是：实施时需要从地面注浆站铺设两道充填管路到采煤工作面轨道顺槽，工作量增大；工人在对顶板下采空区进行施工填垛时，危险系数极高，不利于安全生产；该专利未对采空区顶板所需支护强度进行计算，故所述的双介质充填垛是否能满足顶板的支护强度需要是未知的。

中国专利公开号CN107339122A公开了一种钢管柱处理采空区工法，通过采用将钢管柱下至采空区区域，在钢管柱内浇筑混凝土使其与周围岩体成为一个锚塞体，从而在采空区内形成承载短柱，达到阻止、降低采空区继续变形满足上部建筑物变形的目的。该技术存在的缺陷是：实施时需要通过将长的无缝钢管下至采空区区域的现场操作较为困难，向无缝钢管内注入细石混凝土形成的锚固体，其对周围岩石的作用范围未知，所以能起到的锚固作用也是未知的；钻孔布置密度较大，施工难度随之加大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服了传统采空区处理方法不能满足地表建筑物对地表沉降值的要求及工艺成本较高等方面的缺陷，提供一种能够从根本上解决矿井遗留采空区上覆地表层缓慢沉降和塌陷问题的采空区处理方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种墩式连拱式采空区处理方法，包括以下步骤：

步骤一：判定关键层

根据现场实际的水文地质勘探资料，综合利用理论分析、数值模拟及关键层判别软件三种方法对采空区上覆岩层进行判定，找到关键层位置；

步骤二：计算关键层上覆岩层载荷

采场覆岩层中存在多个岩层时，对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层的自重载荷称为关键层上覆岩层载荷，关键层上全部m层岩层的自重载荷为：

式中：

q—关键层上覆全部层m层岩层的自重载荷，KN；

Ei—第i层岩层的弹性模量，MPa；

hi—第i层岩层的厚度，m；

γi—第i层岩层的体积力，KN/m³；

m—关键层上面的岩层数；

步骤三：计算关键层岩梁挠度

根据关键层上覆岩层载荷计算关键层产生的挠度，关键层弹性基础符合Winkler地基假设，则采空区上方关键层岩梁的挠度计算公式为：

式中：

y—采空区上方关键层岩梁挠度，m；

Ii—第i层岩层岩梁的惯性矩，m⁴，b代表指关键层岩梁的宽，即沿走向方向关键层的宽度；

l—采空区上方关键层岩梁长的一半，m；

α—关键层岩梁中部弯矩系数；

x—关键层岩梁上产生挠度的地方到采空区边界的距离，m；

其为k地基系数(k与关键层下垫层的厚度及力学性质有关，E0—地基的弹性模量；h0—垫层厚度，其中，关键层下方到采空区底板的煤岩层称为垫层)；

qi是关键层上第i层岩层的自重载荷，KN

步骤四：计算关键层岩梁的断裂长度

根据关键层挠度来计算关键层梁的断裂长度，也就是弯曲的关键层岩梁的长度L；

将用步骤三中计算出的最大挠度ymax代入下式中，计算出发生弯曲的实际关键层岩梁的断裂长度L；所述的最大挠度ymax是在关键层岩梁中间位置产生的

式中，

ymax—弯曲关键层岩梁的最大挠度，m；

L—弯曲的关键层岩梁的长度，m。

步骤五：计算支护顶板重量

根据计算出的弯曲关键层岩梁的长度，计算出支护顶板的自重。

式中，M—支护顶板自重，KN；a—弯曲的关键层岩梁宽(采空区的宽度)，m；γi—第i层岩梁的容重，KN/m³。

步骤六：计算墩柱支护强度

根据支护顶板的自重来计算墩柱的支护强度。

式中，

σ—墩柱的支护强度，MPa；

N—墩柱数量，单位面积内墩柱数量：2.22×10^-4～5.00×10^-4个；

g—重力加速度，m/s²；

N—墩柱数量；

S—墩柱的面积，m²；

步骤七：布置注浆孔

在采空区上的地表对所需注浆孔的具体位置进行布置，注浆孔直径20cm，具体是：沿煤层走向方向，在采空区边界处分别布置两个注浆孔，充填两个墩柱；沿煤层倾向方向，垂直布置布置两排注浆孔，每排布置N/2个注浆孔，共计N个墩柱，且墩柱布置在采空区边缘靠近煤体部分；

步骤八：钻孔施工

根据步骤七布置的注浆孔，从采空区上覆地表垂直开掘钻孔至采空区底部，形成用于向采空区输送注浆充填骨料的注浆孔；

步骤九：骨料配置

在位于采空区上方地表骨料配比池中将水泥、沙子、石子和水按比例进行配比混合，制作注浆充填骨料，上述水泥、沙子、石子和水的混合比例确保注浆充填骨料的强度满足墩柱支护强度要求；

步骤十：清孔

利用水槽中的高压水对钻孔进行清理，仔细检查孔深、孔位、孔形、孔径，要求在注浆充填前注浆孔内沉渣厚度不大于30cm；当注浆孔壁不易坍塌时，沉渣厚度不大于20cm；

步骤十一：注浆充填

利用位于地表的一级注浆泵和二级注浆泵将注浆充填骨料用注浆管沿注浆孔抽至采空区中进行充填；实际操作时，利用“提管法”进行间断式充填，即将注浆管伸入采空区底板，注浆一段时间后，待注浆充填骨料凝固后继续注浆一段时间，待第二次注浆充填骨料凝固后，进行第三次注浆充填，此过程循环往复，每个循环过程注浆时间在上一过程基础上缩短10分钟，每循环注浆完成后，等待注浆充填骨料凝固再进行下一次注浆，该循环过程直至墩柱与关键层接顶为止；

步骤十二：封填注浆孔。待注浆充填完毕，对遗留注浆孔进行封填。

本发明的优点是：

1、本发明利用注浆充填骨料凝固后形成的墩柱与采空区上覆垮落顶板之间的相互配合，形成“墩式连拱”结构，维护采空区顶板的稳定。

2、本发明可以大幅提高采空区的充填质量，保证地表在资源回采后不发生沉降、塌陷等次生破坏现象，使采空区上地表修建对地表沉降值要求较高的建筑物成为可能，具有较高的经济、环保及社会应用价值。

3、本发明根据核算的墩柱强度和数量布置注浆孔，在保证矿山安全生产的同时，最大化减少遗留采空区对地表建筑的影响，确保矿井生产利益最大化，大幅度降低工程量，。

4、本发明利用“提管法”进行间断式充填，用注浆充填骨料凝固后形成的墩柱与采空区上覆垮落顶板之间的相互配合，形成“墩式连拱”结构，对采空区进行治理。该法处理采空区，可确保采空区上地表不发生沉降、塌方次生破坏。

附图说明

图1是本发明的地表注浆孔布置图

图2是本发明施工前采空区顶板岩梁断裂图

图3是本发明施工工艺图

图中：1-骨料配比池，2-一级注浆泵，3-二级注浆泵，4-水槽，5-输送管道，6-井口充填装置，7-注浆孔，8-墩柱，9-地表，10-采空区顶板，11-控制岩层，12-关键层，13-采空区，14-采空区地表边界，15-煤层，16-注浆管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及步骤作进一步详细的说明。

一、判定关键层。根据现场实际的水文地质勘探资料，综合利用理论分析、数值模拟及关键层判别软件三种方法对采空区上的关键层12位置进行判定。

二、计算关键层12上载荷

采场覆岩层存在多个岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层为关键层12，关键层12上全部控制岩层11(图中仅示出一层控制岩层11)的自重载荷为：

式中，q—关键层上覆全部(m层)岩层的自重载荷，KN；Ei—第i层岩层的弹性模量，MPa；hi—第i层岩层的厚度，m；γi—第i层岩层的体积力，KN/m³。

三、计算关键层挠度

根据关键层12上覆岩层载荷计算关键层产生的挠度，关键层12弹性基础符合Winkler地基假设，则采空区上方关键层12的挠度计算公式为：

式中：

y—采空区上方关键层挠度，m；

Ii—第i层岩层的惯性矩，m⁴，b代表指关键层的宽，即沿走向方向关键层的宽度；

l—采空区上方关键层岩梁长的一半，m；

α—关键层岩梁中部弯矩系数；

x—关键层岩梁上产生挠度的地方到采空区边界的距离，m；

这其中的k指地基系数；

qi是关键层上第i层岩层的自重载荷，KN。

四、计算发生弯曲的关键层岩梁的长度

根据关键层12挠度来计算所述关键层12梁的长度，将用步骤二中计算出的最大挠度ymax代入下式中，计算出发生弯曲的实际关键层12岩梁的长度

式中，ymax—弯曲关键层岩梁的最大挠度，m；L—弯曲的关键层岩梁的长度，m。

五、计算支护顶板10重量

根据计算出的弯曲关键层12的长度，计算出支护顶板10的自重。

式中，M—支护顶板10自重，KN；a—弯曲的关键层梁宽(采空区的宽度)，m；γi—第i层岩梁的容重，KN/m³。

六、计算墩柱支护强度

根据支护顶板10的自重来计算墩柱8的支护强度。

式中，σ—墩柱的支护强度，MPa；N—墩柱数量，个；g—重力加速度，m/s²；N—墩柱数量；S—墩柱的面积，m²。

七、布置注浆孔

在采空区13上的地表9布置所需注浆孔7，注浆孔7为直径20cm的圆形孔。沿煤层走向方向，在采空区边界处分别布置两个注浆孔7，充填两个墩柱8；沿煤层15倾向方向，垂直布置两排注浆孔7，每排N/2个注浆孔7，充填N/2个墩柱8，两排共计N个墩柱8，且墩柱8布置在采空区13边缘靠近煤体部分。

八、钻孔施工

从采空区13上覆地表9垂直开掘钻孔至采空区13底部，形成用于向采空区13输送注浆充填骨料的注浆孔7。

九、骨料配置；

在位于采空区13上方地表9骨料配比池1中将水、水泥、砂子和石子按0.38：1：1.11：2.72的比例进行配比混合，制作注浆充填骨料，确保注浆充填骨料的强度满足墩柱8的支护强度要求。

十、清孔

利用水槽4中的高压水通过输送管道5和井口充填装置6对注浆孔7进行清理，仔细检查孔深、孔位、孔形、孔径，要求在注浆充填前注浆孔7内沉渣厚度不大于30cm；当注浆孔壁不易坍塌时，沉渣厚度不大于20cm。

十一、注浆充填

利用位于地表9的一级注浆泵2和二级注浆泵3将注浆充填骨料用注浆管16沿注浆孔7抽至采空区中进行充填。实际操作时，利用“提管法”进行间断式充填，即将注浆管伸入采空区底板，注浆一段时间后，待注浆充填骨料凝固后继续注浆一段时间，待第二次注浆充填骨料凝固后，进行第三次注浆充填，此过程循环往复，每个循环过程注浆时间在上一过程基础上缩短10分钟，每循环注浆完成后，等待注浆充填骨料凝固进行下一次的注浆，该循环过程直至墩柱8与关键层12接顶为止。比如第一次注浆4小时后，待第一次注浆充填骨料凝固后将注浆管提升进行第二次注浆，第二次继续注浆3小时50分钟，待第二次注浆充填骨料凝固后，进行第三次注浆充填3小时40分钟，以此类推。本发明利用注浆充填骨料凝固后形成的墩柱8与采空区13上覆垮落顶板之间的相互配合，形成“墩式连拱”结构，对采空区13进行治理。该法处理采空区13，可确保采空区13上地表9不发生沉降、塌方次生破坏。

十二、封填注浆孔。待注浆充填完毕后，对遗留注浆孔7进行封填。