一种控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法与流程

本发明涉及矿山开采沉降控制领域，尤其涉及一种控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法。

背景技术：

在多个缓倾斜薄矿体呈多层赋存时，经常采用上行方式开采。下部矿层开采形成的采空区常采用崩落、自然冒落等方法进行处置，这会使空区上覆围岩在较大范围内产生大的位移、变形或冒落，导致上部邻近矿层因断裂、错位等破坏而不能开采。此时，需要保护距离下部已开采矿层一定距离的未开采矿层的完整性，即该矿层需整体下沉、均匀沉降，但不产生大的不均匀沉降，不产生破断，这要求对覆岩的移动变形进行控制。如某缓倾斜铝土矿薄矿体平均厚度为2.0m～4.0m，倾角小于20°，层状、似层状产出；直接顶板为软弱破碎粘土岩；煤层与铝土矿层间距平均约41m。受资金投入、采矿成本和充填骨料来源的制约，常规的充填处理采空区的方法在技术经济上不可行；直接崩落采空区顶板，覆岩层(即上覆围岩层)会产生大范围不均匀位移，破坏了上部煤层，无法保证后续煤层的正常开采。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法，能有效控制覆岩冒落和不均匀移动的影响范围，避免上部未开采矿层不受下部已开采矿层的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法，包括：

根据直接顶板岩层稳固性，确定崩落顶板的高度h1；

利用所述崩落顶板的高度h1建立空区回采高度h与覆岩不均匀沉降高度h1的关系，确定诱导控顶的上向中深孔的炮孔深度h2；

通过崩落顶板和上向中深孔控制爆破改变覆岩中采空区的补偿空隙，控制覆岩不均匀沉降高度h1小于等于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法，其有益效果为：

通过崩落顶板、中深孔诱导控顶，控制覆岩不均匀沉降的范围，适当补充充填减小采场的等价采高，在处理采空区的同时，使距已开采矿层一定距离的覆岩均匀沉降，实现了可根据上向保护性开采的要求控制覆岩层的不均匀移动范围，该方法无前期建设投入、综合成本低，解决了部分矿山充填骨料不足的问题，实施后，对缓倾斜互层薄矿体而言可安全经济实现上行开采。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的覆岩不均匀沉降范围剖面示意图；

图中，1为下部矿层；2为覆岩不均匀沉降的范围；3为上部矿层；4为上向中深孔炮孔；5为崩落顶板炮孔；h1为崩落顶板的高度；h2为上向中深孔的炮孔深度；h1为覆岩不均匀沉降高度；h为下部矿层采高；l为沿走向回采长度；l1为覆岩垮落体的跨度；k为覆岩碎胀系数；α为崩落体成拱的夹角；ε0为崩落体内的空隙率；ε2为跨落体内的空隙率；h0为崩落体的高度(崩落体是指覆岩崩落体)；h2为垮落体的高度(垮落体所述指覆岩垮落体)。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明实施例提供一种控制崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的方法，能有效控制覆岩冒落和不均匀移动的影响范围，保证上部未矿层不受下部已开采矿层的影响，包括：

根据直接顶板岩层稳固性，确定崩落顶板的高度h1；

利用所述崩落顶板的高度h1建立空区回采高度h与覆岩不均匀沉降高度h1的关系，确定诱导控顶的上向中深孔的炮孔深度h2；

通过崩落顶板和上向中深孔控制爆破改变覆岩中采空区的补偿空隙，控制覆岩不均匀沉降高度h1小于等于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’。

上述方法中，若控制后的覆岩不均匀沉降高度h1仍大于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’，则对覆岩中采空区的补偿空隙进行补充充填减小等价采高，直至覆岩不均匀沉降高度h1小于等于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’。

上述方法中，对覆岩中采空区的补偿空隙进行补充充填减小等价采高的充填率β为(h-h')/h；其中，h为空区回采高度，h’为覆岩层与开采矿层的间距。

上述方法中，根据直接顶板岩层稳固性，确定崩落顶板的高度h1为：

对直接顶板岩层稳固的矿体，不留设护顶矿层，崩落顶板的高度h1等于2.5h，其中，h为空区回采高度；

对直接顶板岩层易碎的矿体，留设护顶矿层，若覆岩层碎胀系数为k，当易碎的直接顶板高度大于等于h/k时，崩落顶板的高度h1大于护顶矿层厚度；当易碎的直接顶板高度小于h/k时，崩落顶板的高度h1等于h/k。

上述方法中，对直接顶板易碎的矿体，崩落顶板的高度h1大于护顶矿层厚度时，崩落顶板的高度h1等于1.5～2.5m；当崩落顶板的高度h1等于h/k时，若薄矿体的厚度小于5m，则崩落顶板的高度h1小于4m。

上述方法中，利用所述崩落顶板的高度h1建立的空区回采高度与覆岩不均匀沉降高度h1的关系为：

h1＝f(h,ε0,ε2,h1)＝f(h,k,ε2,h1)；

其中，h1为覆岩不均匀沉降高度，h为空区回采高度，ε0为崩落体内的空隙率；ε2为跨落体内的空隙率；h1为崩落顶板的高度；k为覆岩碎胀系数。各符号解释中的覆岩均指上覆围岩。

上述方法中，利用所述崩落顶板的高度h1建立的空区回采高度h与覆岩不均匀沉降高度h1的关系中，通过以下各公式联解计算出覆岩不均匀沉降高度h1，包括：

h0＝h1·k；

其中，h为空区回采高度，l为沿走向回采长度，l1为覆岩垮落体的跨度，k为覆岩碎胀系数，ε0为崩落体内的空隙率；ε2为垮落体内的空隙率；h1崩落顶板的高度；α为崩落体成拱的夹角；h1为崩落体的高度；h0为跨落体的高度。各符号解释中的覆岩均指上覆围岩。

上述方法中，利用所述崩落顶板的高度h1建立的空区回采高度与覆岩不均匀沉降高度h1的关系中，碎胀系数k通过试验或经验取值；垮落体内的空隙率ε2通过顶板位移监测获取。

上述方法中，确定的诱导控顶的上向中深孔的炮孔深度h2为：

诱导控顶上向中深孔的炮孔深度h2大于等于覆岩不均匀沉降高度h1；

间隔2～3个矿房采场的跨度进行上向中深孔的诱导控顶。

本发明的方法，在覆岩移动的不均匀沉降范围内，下部崩落顶板形成松散崩落体，上部中深孔诱导控顶(非自然下沉)，根据情况选择补充充填改变等价采高，控制覆岩移动规律和不均匀沉降的范围，该方法应用于某缓倾斜铝土矿薄矿体开采(该铝土矿薄矿体平均厚度为2.0m～4.0m，倾角小于20°，层状、似层状产出；直接顶板为易碎(即软弱破碎)的粘土岩；煤层与铝土矿层间距平均约41m)，使覆岩层不均匀沉降的范围小于41m，不会破坏煤层与铝土矿层间距，对下部铝土矿的开采不影响上部煤层的完整性，实现了多层缓倾斜薄矿体上行保护性开采的目标。

下面结合具体实施例对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

1)确定崩落顶板的高度：

对直接顶板岩体稳固的矿体、不留设护顶矿层时，实施切顶崩落后，顶板极限跨度大于回采条带宽度，不足以使覆岩失稳冒落，崩落顶板的高度h1＝2.5h，h为下部的空区回采高度；

对直接顶板岩体易碎(即软弱破碎)的矿体，如矿层直接顶板为粘土岩，要留设护顶矿层，如覆岩层碎胀系数为k，当粘土层厚度≥h/k时，崩落顶板的高度h1大于护顶矿厚度，为便于装药和保证护顶矿被充分爆破崩落，h1＝1.5～2.5m；当易碎的直接顶板高度(即粘土层厚度)＜h/k时，崩落顶板的高度h1等于h/k，薄矿体厚度一般＜5m，则崩落顶板的高度h1一般＜4m。

2)上向中深孔的诱导控顶：

上向中深孔的炮孔深度h2≥h1(h1为覆岩不均匀沉降范围的高度，h1的确定过程如公式1～公式6)。

先建立h1与崩落体内的空隙率ε0之间的关系(各参数见图1及说明，公式1)：

崩落顶板的岩体发生碎胀，根据覆岩碎胀系数为k，可知崩落顶板范围覆岩的崩落体内的空隙率ε0(公式2)，此时下部的崩落体成拱的夹角为α(公式3)，覆岩垮落体的跨度l1(公式4)；

求得覆岩垮落体的跨度l1为：

崩落体的形成受崩落顶板的工艺决定，崩落体高度h0与崩落顶板的高度h1和覆岩碎胀系数k的关系见公式5。

h0＝h1·k(公式5)；

综上，建立了覆岩不均匀沉降高度h1与空区回采高度h、空隙率ε2、覆岩碎胀系数k、崩落顶板高度h1的关系如下：

h1＝f(h,ε0,ε2,h1)＝f(h,k,ε2,h1)(公式6)；

其中，碎胀系数k可通过试验或经验取值，崩落顶板的高度h1为崩落顶板方案设计主要参数之一，覆岩的垮落体内的空隙率ε2则通过顶板位移监测获取。由此，就可求出采高与崩落拱高度之间的关系。

3)补充充填：

通过崩落顶板和上向中深孔诱导影响覆岩中采空区补偿空隙率，确定的覆岩不均匀沉降高度h1依然大于需要保护的覆岩(即需要保护的上覆岩层)与开采矿层的间距h’时，需要进行补充充填，充填率β为：

本发明的方法能控制覆岩移动变形，至少具有以下优点：

(1)可根据上向保护性开采的要求控制覆岩层的不均匀移动范围。

(2)通过崩落顶板、中深孔诱导控顶，控制覆岩不均匀沉降的范围，适当补充充填减小采场的等价采高，在处理采空区的同时，使距已开采矿层一定距离的覆岩均匀沉降。

(3)无前期建设投入、综合成本低，解决了部分矿山充填骨料不足的问题。

(4)实施后，缓倾斜互层薄矿体可安全经济实现上行开采。

实施例一

本实施例提供一种崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的控制方法，该方法步骤如下：

直接顶板稳固、不留设护顶矿层时，如部分磷矿山，崩落顶板的高度h1＝2.5h(h为下部的空区回采高度)；上向中深孔的炮孔深度h2≥h1，且h1＝f(h,ε0,ε2,h1)＝f(h,k,ε2,h1)。

覆岩不均匀沉降高度h1小于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’时，不需要补充充填。

利用本发明的方法，直接顶板岩体质量较好时，进行崩落顶板和上向中深孔控顶，可有效控制覆岩冒落和不均匀沉降的范围，保证上部未矿层不受下部已开采矿层的影响。

实施例二

本实施例提供一种崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的控制方法，该方法步骤如下：

直接顶板稳固、不留设护顶矿层时，如部分磷矿山，崩落顶板的高度h1＝2.5h(h为下部的空区回采高度)；上向中深孔控顶炮孔深度h2≥h1，且h1＝f(h,ε0,ε2,h1)＝f(h,k,ε2,h1)。

覆岩不均匀沉降高度h1大于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’时，需要补充充填，采空区的充填率β为：

利用本发明的方法，直接顶板岩体质量较好时，进行崩落顶板、上向中深孔诱导控顶和补充充填，可安全经济地控制覆岩冒落和不均匀沉降的范围，保证上部未采矿层不受下部已开采矿层的影响。

实施例三

本实施例提供一种崩落采空区上覆围岩不均匀沉降的控制方法，该方法步骤如下：

直接顶板易碎，如矿层直接顶板为粘土岩，要留设护顶矿层，覆岩碎胀系数k，当粘土层厚度≥h/k时，崩落顶板的高度大于护顶矿厚度，为便于装药和保证护顶矿被充分崩落，h1＝1.5～2.5m；当粘土层厚度(即崩落顶板的高度)＜h/k时，崩落顶板的高度等于h/k，薄矿体厚度一般＜5m，则h1一般＜4m。

上向中深孔的炮孔深度h2≥h1，且h1＝f(h,ε0,ε2,h1)＝f(h,k,ε2,h1)。

覆岩不均匀沉降高度h1大于需要保护的覆岩层与开采矿层的间距h’时，需要补充充填，采空区的充填率β为：

应用本发明的方法，某铝土矿薄矿体，厚度＜5m，直接顶板为粘土岩，平均厚度4.07m，需要留设0.3m护顶矿，且护顶矿破坏后粘土岩随即垮落；上覆煤层距离矿层平均41.84m，需要保护煤层不受铝土矿层采动影响；矿区覆岩层碎胀系数为1.4。开展相似模拟试验，模拟了覆岩层随矿层回采失稳垮落后的移动变形规律，并分析得出空隙率ε2为10％时可作为垮落移动范围向整体下沉范围发展的过渡带，即空隙率ε2为10％时垮落移动影响范围不在扩大、基本稳定，所以可认为垮落体最终形态时的空隙率ε2为10％。则覆岩不均匀沉降高度h1与空区回采高度h的关系(公式6)可知：

由此，该铝土矿崩落顶板的高度1.5m；上向中深孔的炮孔深度为h1(回采高度h已知，公式8求解)，间隔2～3个采场的跨度；当回采高度h＞3.28m时，覆岩不均匀沉降高度＞41.84m，影响到煤层需要补充充填，根据公式8可以求得。例如，当采高4m时，则采空区的充填率β为18％。

直接顶板岩体软弱破碎，如某煤层覆盖下铝土矿为粘土岩时，进行崩落顶板、上向中深孔控顶和补充充填，可安全经济地控制覆岩冒落和不均匀沉降的影响范围，保证上部未开采矿层不受下部已开采矿层的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。