基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法与流程

本发明涉及煤矿开采领域，尤其涉及一种基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法。

背景技术：

1、煤炭能源一直占据我国能源消费60％以上的比例，是我国各种产业的重要后盾，我国每年的采煤量占据世界总采煤量的一半，采用的开采方式主要包括井工开采和露天开采，其中井工开采占据90％左右的产量，井工开采通俗讲是自地面施工若干大直径的井筒直达煤层，然后布置长璧工作面，采用综合机械化采煤技术将煤层开采后通过井筒运输至地面。煤层开采后会导致其上覆的岩层产生破坏与沉陷，一般会产生距离煤层较近的垮落带、然后是裂隙带，最后是弯曲下沉带，当煤层埋深比较浅或者煤层采高较大时，一般仅产生垮落带与裂隙带。垮落带指采空区内顶板岩层垮落后岩块杂乱堆积的岩层带，岩块较破碎；裂隙带岩层基本保持原有的层状分布状态，但是存在纵向的裂隙，岩层发生了破断并且其中的关键层可以形成砌体梁结构，受砌体梁结构影响裂隙带内岩层具有一定的空隙，且由于岩层破断分界面以外的岩层不破断，不利于上覆岩层所有重力作用于垮落带与裂隙带，使得采空区残余下沉时间久；弯曲下沉带的岩层基本保持原有的层状分布状态且保持完整，仅是产生了挠曲下沉。

2、煤层开采产生的破坏直达地表，当地表下沉很大时多废弃成塌陷区，而当地表沉陷程度较小时仍可通过一些复垦手段进行修复而重复利用。现有的对煤矿采空区的治理方式主要包括两种方式，其一仅对地表进行回填而不考虑地下岩层的残余下沉传递至地表，这种情况适用于复垦成农田，且采空区存在较久，残余下沉量小。其二是通过注浆钻孔向采空区内注浆水泥等浆体加固与充填采空区，但是受注浆钻孔注浆扩散半径小的原因注浆钻孔施工量大，且注浆钻孔施工至裂隙带时容易出现卡钻、钻井液漏失问题，注浆钻孔很难施工至垮落带，导致注浆浆体不利于进入垮落带，而垮落带正是残余下沉产生的最大根源，这种对采空区注浆的方案一般用于地表进行建构筑物施工的情况。

3、可以看出现有的采空区治理方法并未考虑其治理时的稳定性情况，且治理方式单一，并未从其产生残余下沉的原因着手，导致不是所有的治理效果都能够达到预期。

技术实现思路

1、本发明针对现有的采空区治理方法并未考虑其治理时稳定性情况，首先通过对矿区地层勘探判断其稳定性情况，然后再根据覆岩三带/两带特征，以及采空区残余下沉机理采区针对性治理措施，达到采空区快速达稳的目的，具体的，本发明提供一种基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法，包括如下步骤：

2、a.确定采空区的平面范围以及矿区地层发育情况；

3、b.施工第一勘探钻孔获取矿区地层柱状，基于关键层理论获取关键层位置；

4、优选的，所述步骤b中，所述矿区地层柱状包含各岩层的位置、厚度与岩性特征，通过力学实验获取各岩层的力学参量。

5、c.在采空区上方施工第二勘探钻孔获取垮落带、裂隙带和弯曲下沉带范围，在弯曲下沉带内选定注浆关键层，将注浆该关键层与其下部岩层之间的接触面作为后续注浆层位；

6、优选的，步骤c中，注浆关键层与裂隙带之间留设一定厚度的隔离层。

7、d.根据矿区地层发育情况和矿区地层柱状，推算注浆关键层之下岩层的原始标高，通过第二勘探钻孔获取该注浆关键层之下岩层的实际标高，原始标高与实际标高的差值为第一差值；通过岩层移动观测手段观测该注浆关键层之下的岩层的下沉速度；

8、e.确定垮落带岩层的残余碎胀系数，计算垮落带的最终高度，采用垮落带原始岩层的高度减去垮落带的最终高度获取第二差值；若第一差值与第二差值的差值在设定阈值范围，同时所观测的岩层的下沉速度在设置阈值范围内，说明采空区稳定性好，否则执行后续步骤；

9、f.沿采空区走向在采空区倾向边界上方间隔施工若干切割钻孔至采空区，沿走向通过切割钻孔将垮落带与裂隙带内的岩层依次垂向切断；

10、优选的，步骤f中，每侧倾向边界可施工两排切割钻孔，两排切割钻孔交错布置。

11、g.沿采空区走向间隔施工注浆钻孔，所述注浆钻孔施工至注浆层位，滞后切割钻孔的切割工作通过注浆钻孔向离层内注浆以压覆下部垮落带和裂隙带内的岩块。

12、优选的，步骤g中，所述注浆钻孔成组布置，每组两个分别布置在采空区倾向中部两侧且皆位于岩层破断分界面范围以内。

13、优选的，注浆充填结束后，通过测试注浆关键层之下岩层的标高确定垮落带岩块是否达到残余碎胀系数。

14、优选的，对于两带发育矿区地层，步骤c为，在采空区上方施工第二勘探钻孔获取垮落带和裂隙带和弯曲下沉带范围；步骤d为，根据矿区地层发育情况和矿区地层柱状，推算裂隙带内某一关键层的原始标高，通过第二勘探钻孔获取该关键层的实际标高，原始标高与实际标高的差值为第一差值；通过岩层移动观测手段观测该关键层的下沉速度；步骤g为，采用夯实法和/或压实法在地面进行夯实施工。

15、进一步的，夯实施工结束后，通过测量前述所观测关键层的标高确定垮落带岩块是否达到残余碎胀系数。

16、发明点与有益效果：1.本发明通过施工切割钻孔将采空区内的岩层与采空区边界以外的岩层断开，使得裂隙带同一岩层内各岩块之间的砌体梁结构失稳落下，同一岩层内的各岩块均匀下沉，消除裂隙带内岩层的空隙/裂隙；砌体梁失稳后使得裂隙带所有的重力都能作用于垮落带，加快对垮落带岩块的压缩。

17、2.在上述发明点1的基础上，对于采后两带发育地层，结合传统的夯实施工尽快对采空区内破碎岩块进行压缩使其尽快达到残余碎胀系数，尽快达稳。对于采后三带发育地层，砌体梁失稳后产生的空间会传递至注浆关键层下部，产生注浆关键层及其之下岩层的不同步下沉，通过注浆钻孔注浆捕捉这一时机，实现离层注浆，进而利于注浆压力尽快对采空区内破碎岩块进行压缩使其尽快达到残余碎胀系数，尽快达稳。

18、3.本发明还提出一种矿区地层稳定性勘察方法，通过施工第一勘探钻孔和第二勘探钻孔对地下岩层进行勘探，结合地层发育情况确定采空区的沉陷，解决采后无法通过地表沉陷观测确定实际下沉量的问题(地表受外界环境影响大)。

19、附图说明

20、当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

21、图1—本发明实施例一勘探钻孔布置剖面示意图；

22、图2—本发明实施例一采空区快速达稳方法剖面示意图；

23、图3—本发明实施例二勘探钻孔布置剖面示意图；

24、图4—本发明实施例二采空区快速达稳方法剖面示意图；

技术特征：

1.基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：步骤c中，注浆关键层与裂隙带之间留设一定厚度的隔离层。

3.根据权利要求1所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：步骤g中，所述注浆钻孔成组布置，每组两个分别布置在采空区倾向中部两侧且皆位于岩层破断分界面范围以内。

4.根据权利要求1所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：注浆充填结束后，通过测试注浆关键层之下岩层的标高确定垮落带岩块是否达到残余碎胀系数。

5.根据权利要求1所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：对于两带发育矿区地层，步骤c为，在采空区上方施工第二勘探钻孔获取垮落带和裂隙带和弯曲下沉带范围；步骤d为，根据矿区地层发育情况和矿区地层柱状，推算裂隙带内某一关键层的原始标高，通过第二勘探钻孔获取该关键层的实际标高，原始标高与实际标高的差值为第一差值；通过岩层移动观测手段观测该关键层的下沉速度；步骤g为，采用夯实法和/或压实法在地面进行夯实施工。

6.根据权利要求1所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：夯实施工结束后，通过测量前述所观测关键层的标高确定垮落带岩块是否达到残余碎胀系数。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：所述步骤b中，所述矿区地层柱状包含各岩层的位置、厚度与岩性特征，通过力学实验获取各岩层的力学参量。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的采空区快速达稳方法，其特征在于：所述步骤f中，每侧倾向边界施工两排切割钻孔，两排切割钻孔交错布置。

技术总结
本发明涉及煤矿开采领域，尤其涉及一种基于矿区地层稳定性勘察的采空区快速达稳方法。通过施工切割钻孔将采空区内的岩层与采空区边界以外的岩层断开，使裂隙带同一岩层内各岩块之间的砌体梁结构失稳，消除裂隙带内岩层的空隙；砌体梁失稳后使得裂隙带所有重力都能作用于垮落带，加快对垮落带岩块的压缩。在此基础上，对于采后两带发育地层，结合传统夯实施工尽快达稳。对于采后三带发育地层，通过离层注浆捕捉注浆关键层及其之下岩层的不同步下沉时机，进而利于注浆压力尽快对采空区内破碎岩块进行压缩使其尽快达稳。本发明从采空区产生残余下沉的机理出发提供治理手段，使采空区迅速达到稳定性要求，几乎没有后续残余下沉。

技术研发人员：孙晓卫,陶二永,徐玉,王鑫,董云奇,刘晓祺,杨磊
受保护的技术使用者：山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队（山东省第五地质矿产勘查院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12