一种控制采场岩层移动及地表沉降的方法

本发明涉及煤矿开采，尤其涉及一种控制采场岩层移动及地表沉降的方法。

背景技术：

1、目前我国普遍存在矿区固废利用率较低、燃煤发电厂产生的粉煤灰产量大和煤化工产业基地气化渣产出高等问题，煤矸石、粉煤灰、气化渣等占用大量土地资源、污染环境。

2、我国煤炭资源传统的开采方式主要采用长壁综合机械化采煤，垮落法管理顶板，且对遗留的边角煤不予回采。这种开采方式下需留设大量的煤柱，不仅造成大量煤炭资源的积压，而且造成矿井不能合理进行开采，留设煤柱在开采后期成为安全隐患，煤柱的稳定性决定了灾害发生的可能性。同时，存在顶板岩层易发生大范围垮落、地表沉降破坏等问题，对煤矿安全开采产生了严重威胁。

3、煤炭行业目前也在积极推广绿色充填技术，但传统的充填开采技术主要针对区段煤柱等大区域且规则煤炭资源进行回收，同时存在充填工序之间相互干扰、充填采煤效率等问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种控制采场岩层移动及地表沉降的方法，能够解决煤基固废排放困难、工作面回采效率低、生产作业安全受制约及地表环境被破坏等难题。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

3、一种控制采场岩层移动及地表沉降的方法包括：

4、预设系统化的短壁巷式充填开采方案；

5、预设煤基固废胶结充填材料优化配比方案；

6、建立短壁巷式充填开采覆岩关键层稳定结构力学模型；

7、根据力学模型和设计矿井地质条件，得到充填体与覆岩结构的承载特征；

8、选取最优煤基固废胶结充填材料配比；

9、利用数值模拟分析揭示短壁巷式充填开采覆岩运移规律，确定工作面上包括采掘和充填在内的工作参数以控制采场围岩稳定性及地表沉降。

10、可选地，在所述预设系统化的短壁巷式充填开采方案中，短壁巷式充填开采方案用煤基固废做为主要充填物料，制成料浆充填煤炭采空区，包括：

11、布置短壁巷式充填工作面，包括采煤支巷划分、通风回路设计和采煤线路设计；

12、设计采煤和料浆充填方案；

13、运煤、采煤和料浆充填装置的准备。

14、可选地，在所述预设煤基固废胶结充填材料优化配比方案之后，还包括：

15、根据煤基固废胶结充填材料优化配比进行分组；

16、对各组配比充填材料进行坍落度测试及力学性能测试；

17、获取各组配比充填材料相应的流动及力学参数。

18、可选地，在所述对各组配比充填材料进行坍落度测试及力学性能测试中，各组配比充填材料制成相应料浆，利用坍落筒进行坍落度测试；

19、制作各组配比立方体充填体试样，养护预定时间后进行单轴压缩试验得到单轴抗压强度。

20、可选地，所述建立短壁巷式充填开采覆岩关键层稳定结构力学模型包括：依据温克尔地基假设建立短壁巷式充填采场弹性地基叠合梁力学模型。

21、可选地，短壁巷式充填采场覆岩与地基构成包括：

22、充填体，所述充填体用煤基固废做为主要充填物料，制成料浆充填煤炭采空区；

23、煤体，所述煤体在所述充填体的左右两侧，所述媒体紧密连接所述充填体；

24、覆岩岩层，包括直接顶、基本顶和顶层覆岩，所述直接顶位于所述充填体的上方，所述直接顶覆盖在所述充填体上，所述基本顶覆盖所述直接顶，所述顶层覆岩覆盖所述基本顶。

25、可选地，所述依据温克尔地基假设，建立短壁巷式充填采场弹性地基叠合梁力学模型包括：

26、将所述充填体上方的所述基本顶作为研究对象，分析计算所述覆岩载荷对所述基本顶层的作用，下部承载等效为弹性地基；

27、根据所述充填体的预设尺寸、所述煤体和所述充填体的结合位置，获取采场帮部所述充填体与所述煤体交界处的上方存在的支承压力，以及所述充填体上方存在的支承压力；

28、选取位置参照点，根据所述基本顶岩层的挠度，以位移函数为未知量，建立力学模型。

29、可选地，所述根据力学模型和设计矿井地质条件，得到所述充填体与覆岩结构的承载特征，包括：

30、根据煤岩层及所述充填体厚度之间关系，获得弹性地基系数；

31、根据任意岩梁截面转角、弯矩、剪力与挠度之间的关系、所述基本顶所简化岩梁在所述煤体与所述充填体交界对应处的挠度弯矩、转角和剪力的连续条件，以及所述基本顶简化岩梁的边界条件，结合第一强度理论，得到判断所述基本顶破断的条件。

32、可选地，所述选取最优煤基固废胶结充填材料配比，包括：

33、根据所述基本顶岩梁各段挠度，采用maple计算软件求得所述力学模型中的待定参数；

34、反演计算得到所述基本顶发生破断的临界弯矩绝对值；

35、根据各组充填材料配比的相关力学参数，得到其对应的弯矩值；

36、综合考虑对应材料成本，选取符合所述弯矩值的充填材料配比。

37、可选地，所述利用数值模拟分析揭示短壁巷式充填开采覆岩运移规律，确定工作面上包括采掘和充填在内的工作参数，包括：

38、采用flac3d模拟建模，模型参数包括：模型尺寸、充填开采支巷宽、开采范围的长度和宽度、支巷数目、采充作业阶段时序数目、各个阶段依次开采支巷的数目、以及采充高度；

39、通过布置监测线，获取采充作业后的所述充填体垂直应力数据，从而获得各种采充高度下，所述充填体的应力迁移规律；

40、根据各组采充高度下完全采充后，地表各节点的位移数据，通过倾斜、曲率及水平变形的计算公式，计算得到相应移动变形值，并将移动变形值的最大值与临界阈值进行比较，移动变形值小于临界阈值，则选取相对应的采充高度作为实际采充的工作面参数。

41、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

42、上述方案，利用煤基固废胶结充填材料置换煤炭资源，形成了“掘巷采煤，即采即充，采充并举”的循环作业系统，切实从源头削减大宗固废，有效避免了地表发生移动变形破坏并且充分保障了工作面作业安全，工作面安全高效生产，对矿区生态环境保护、充填开采技术发展、岩层岩层移动及地表沉降控制具有重要意义。

43、上述方案中，煤基固废胶结充填材料是煤炭采出后，用来控制上覆岩层稳定的有效方法，设计胶凝材料(水泥、粉煤灰等)、拌和水、矸石混合体配比正交实验方案，通过坍落度测试、力学测试等研究手段掌握充填材料综合承载性能，与采空区常规充填材料相比，降低了矸石粒径的破碎及胶凝材料成本，同时也能很好地满足承载需求。

44、上述方案，基于短壁巷式充填开采采煤技术，以基本顶破断弯矩值为核准依据，建立覆岩关键层稳定结构力学模型，掌握充填体和覆岩结构的承载特征及影响覆岩运移变形的主控因素，保障了覆岩关键层的稳定性，为工程现场选取充填材料配比提供依据，同时也为后续工作面参数的获取奠定基础。

45、上述方案，以设计工作面地质条件为原型，采用flac3d模拟研究主控因素影响下短壁巷式胶结充填采煤采场围岩应力迁移规律及地表移动变形特征，分析结果为获取短壁巷式充填工作面的关键参数提供一定理论依据，为实现岩层移动与地表沉降提供有力支撑。