矿层回采地表塌陷坑的治理方法与流程

本发明涉及矿层采空区治理，尤其涉及一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法。

背景技术：

1、矿层的回采是在矿井的生产工作面回收采动矿石，是在矿井建设等其它准备工作都结束后才进行的生产动作，范围集中在工作面。回采主要指从在远处布置的工作面开始进行机械化操作或人工放炮，往回开采的过程。在矿层回采过程中，经常会出现地面塌陷，形成塌陷坑。

2、煤层的分布厚度有大有小，对于一些特厚煤层，煤矿煤层厚度大，煤层厚度可达到20～30m，煤层顶板主要是砂岩与砂质泥岩，坚硬完整，厚度达到80～100m范围，对于特厚煤层，工作面开采厚度大，开采后对地表扰动强裂，特厚煤层工作面初采期间地表塌陷坑容易变形，形成巨型塌陷坑，危险巨大，主要表现为：

3、(1)特厚煤层开采扰动大：特厚煤层开采影响范围远大于一般煤层厚度工作面，上覆“三带(垮落带、裂隙带、弯曲下沉带)”分布特征与一般工作面呈现显著区别，超前支承压力及侧向支承压力影响范围均较大，巷道矿压显现强烈；

4、(2)顶板初次垮落步距大：部分工作面初次垮落步距达到70m，造成大面积悬顶，顶板一次性突然垮落时容易形成飓风和强烈冲击，初次来压时支架立柱下缩量在短时间内急剧增大甚至被压死，容易损坏工作面的支架等设备，且周期来压不稳定，严重影响矿井安全生产；

5、(3)综放工作面回采过程中顶板发生抽冒，工作面与地表直接贯通，地表异常塌陷，致使工作面通风系统紊乱，采空区瓦斯异常涌出，严重威胁了安全生产。

6、针对上述问题，单一的水力压裂、爆破等手段作用十分有限，无法解决工作面回采造成的上述严重问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，用以解决现有技术中特厚煤层坚硬顶板工作面初回采过程中地面塌陷坑容易变形形成巨型地面塌陷坑，影响安全生产的问题，实现工作面上部回采的空间能够进行回填补充，防治后期出现危险的巨型塌陷坑。

2、本发明提供一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，包括：

3、s1、通过探测找出导致产生地表塌陷坑的目标坚硬难跨岩层；

4、s2、对工作面初采阶段顶板岩层全方位进行围岩结构探测，确定步骤s1的所述目标坚硬难跨岩层的破坏范围、强度和节理裂隙分布情况；

5、s3、根据步骤s2的探测结果，设计深部区域压裂钻孔、浅部区域压裂钻孔、爆破钻孔和注浆充填回填的技术参数，对所述目标坚硬难跨岩层进行预裂，破坏所述目标坚硬难跨岩层的完整性和强度，使所述目标坚硬难跨岩层在工作面初采后能够有序逐级垮塌；

6、s4、采用注浆回填充填工艺，利用深部区域压裂钻孔和浅部区域压裂钻孔连接注浆回填的泵送系统，对工作面回采预计塌陷坑的位置，提前注浆充填；

7、s5、设置监测系统，监测所述目标坚硬难跨岩层的控制效果，防止塌陷坑变形形成巨型塌陷坑。

8、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，步骤s1中，所述通过探测找出导致产生地表塌陷坑的目标坚硬难跨岩层的方法为：

9、s11、在需要治理的工作面的进风巷和回风巷的巷道顶板锚杆上布置多个能量监测探头，同时在地表散布多个能量监测探头，通过多个所述能量监测探头的能量监测，确定工作面顶部的目标垮塌岩层的位置；

10、s12、利用全景窥视系统和强度测试系统测试工作面顶部的目标垮塌岩层的强度和厚度，继而确定出需要处理的目标坚硬难跨岩层的范围。

11、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，步骤s11中，进风巷的巷道顶板锚杆上布置的多个能量监测探头，以工作面切眼为基准沿着进风巷等距离分布；回风巷的巷道顶板锚杆上布置的多个能量监测探头，以工作面切眼为基准沿着回风巷等距分布；地表散布的多个能量监测探头散布于地表对应于工作面的中心区域处。

12、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，步骤s2中，所述对工作面初采阶段顶板岩层全方位进行围岩结构探测，通过超声波探测仪、强度仪和窥视仪完成。

13、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，步骤s3中，所述设计深部区域压裂钻孔、浅部区域压裂钻孔、爆破钻孔和注浆充填回填的技术参数的方法为：

14、s31、由步骤s2的探测结果，根据现场岩层柱状图，建立工作面塌陷坑塌陷力学模型；

15、s32、由步骤s2的探测结果，得出回采工作面开采矿层的厚度、回采工作面的宽度、压裂处理的高度与回采预计塌陷坑位置的关系；

16、s33、将步骤s32应用于步骤s1的工作面塌陷坑塌陷力学模型，计算出深部区域压裂钻孔、浅部区域压裂钻孔、爆破钻孔和注浆充填回填的技术参数；

17、s34、对步骤s31建立的力学模型中的深部区域压裂钻孔、浅部区域压裂钻孔、爆破钻孔和注浆充填回填的技术参数进行数值模拟赋值，然后与现场实际监测结果进行反演，修正数值模拟参数，确定深部区域压裂钻孔、浅部区域压裂钻孔、爆破钻孔和注浆充填回填的技术参数。

18、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，所述浅部区域压裂钻孔包括：

19、在工作面切眼内施工的多个第一水力压裂钻孔、第二水力压裂钻孔和第三水力压裂钻孔，所述第一水力压裂钻孔和所述第二水力压裂钻孔间隔布置，且分布覆盖宽度为全部工作面切眼巷道；所述第三水力压裂钻孔分布于工作面中部区域，且处于所述第一水力压裂钻孔和所述第二水力压裂钻孔之间；

20、在工作面进风巷施工的多个第四水力压裂钻孔，多个所述第四水力压裂钻孔等距离分布，且分布覆盖宽度与工作面第一宽度保持一致；

21、在工作面回风巷施工的多个第五水力压裂钻孔，多个所述第五水力压裂钻孔等距离分布，且分布覆盖宽度与工作面第一宽度保持一致；

22、在工作面措施巷施工的多个第六水力压裂钻孔和第七水力压裂钻孔，所述第六水力压裂钻孔和所述第七水力压裂钻孔间隔分布，且分布覆盖宽度与工作面第一宽度保持一致。

23、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，所述深部区域压裂钻孔包括在措施巷施工的多个第八水力压裂钻孔，多个所述第八水力压裂钻孔等距离分布，且分布覆盖宽度与工作面第二宽度保持一致。

24、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，所述浅部区域压裂钻孔的孔径为56～75mm，注水压力为60mpa，注水流量为160l/min，深入目标岩层的高度为30～50m；所述深部区域压裂钻孔的孔径为120～200mm，注水压力为70mpa，注水流量为0.63～1.5m3/min，深入目标岩层的高度为80～100m。

25、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，所述深部区域压裂钻孔的技术参数和所述浅部区域压裂钻孔的技术参数包括钻孔间距、注水时间和注水压力；所述爆破钻孔的技术参数包括炸药能量、炸药重量和炸药装药间距；所述注浆充填回填的技术参数包括充填孔位置、间距、充填时机、充填压力和充填体积。

26、根据本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，步骤s5中的所述监测系统包括在进风巷、回风巷以及地表设置的能量监测探头，还包括在工作面中心位置对应的地表布置的gps地表位移监测探头以及空中的无人机。

27、本发明提供的一种矿层回采地表塌陷坑的治理方法，通过深部区域压裂钻孔和浅部水力压裂结合的办法，对工作面上部目标岩层进行大范围预裂和破坏，同时利用高压气体爆破的方法进一步破坏目标岩层的完整性，使坚硬难跨的目标岩层能够及时逐级垮塌，再利用水力压裂钻孔及时对特厚矿层开采造成的井下空间进行注浆回填，使工作面上部回采的空间能够进行回填补充，防止后期出现危险的巨型塌陷坑，最后，采用综合监测方法，综合评估特厚矿层和坚硬顶板影响下塌陷坑变形控制效果，有效控制在特厚矿层和坚硬顶板双重影响下，工作面回采地表塌陷坑变形形成巨型塌陷坑的趋势。