[发明专利]一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，属于充填开采领域。

背景技术

长期以来，我国普遍采用垮落法处理地下矿产资源的采空区，此方法机械化程度和开采效率较高，但也造成上覆岩层大范围变形与垮落，引发顶板裂隙透水与地下水系破坏、地表沉陷与建(构)筑物破坏、矸石地面堆积、采空区有害气体不规则积聚等环境与安全问题。同时，我国存在着大量的“三下”资源，在资源日益枯竭的现状下，这一部分资源亟待得到释放利用。地下矿产资源开采中控制地表沉陷的方法主要有部分开采和充填开采，或是两者的结合，传统的部分开采方法包括房式开采、条带开采、柱式开采等，都需要留设大量的矿柱，采出率低，造成地下矿产资源的大量浪费，难以有效解决“三下”资源的开采问题。近年来，在“绿色开采”的理念和采矿政策的推动下，充填开采作为控制环境破坏和解决“三下”资源开采的手段，在采矿工程中迅速发展起来，并在充填体布置方式、充填材料、充填工艺等方面取得了一定的进展。

对采空区进行充填的最佳方式是全采全充，即尽可能将充填材料充满整个采空区，用充填材料替换被开采出的矿产，控制上覆岩层的运移。全采全充可以达到良好的控制效果，但需要大量的充填材料，充填成本较高。同时，随着开采工艺的改进和充填开采快速的发展，可用的采矿固体废弃物不断减少，逐渐地不能满足全采全充的需求。如何解决采矿固体废弃物产出量与充填材料需求量之间的平衡，成为当前及今后充填开采的主要问题。因此，在全采全充的基础上，为减少充填材料使用量、降低充填成本，对采空区进行部分充填。部分充填常用的方式有条带式充填和墩柱式充填等，这些充填方式虽然节约了充填材料，但是由于缺乏合理的采充规划，充填形式单一，充填效果不太理想，顶板变形量难以控制。针对煤矿充填开采存在的问题，在采空区部分充填思想的基础上，提出了根据顶板垮落特征预测进行采空区部分充填开采的方法。

发明内容

本发明旨在提供一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，根据采空区顶板垮落特征，通过前期预测及采充规划，在采空区关键部位有针对性的布置高强充填结构体，形成“充填体-直接顶”结构控制体系，控制上覆岩层的变形和破坏。

本发明提供了一种根据顶板垮落特征进行采空区部分充填的方法，包括以下内容：

根据采空区直接顶初次垮落步距，在采空区关键位置布置高强度充填条带，高强度充填条带与开采方向垂直或平行，控制直接顶的垮落；根据空顶区直接顶的弯曲挠度，在充填条带间间隔布置数排不同形状的高强度充填单体，控制直接顶的变形；存在特殊地质构造，则在特殊地质构造位置进行大范围充填，控制应力集中点；高强度充填条带和充填单体控制直接顶的稳定，形成“高强充填体-直接顶”结构控制体系，一起支撑上覆岩层；布置窄充填条带沿空留巷，减少下一工作面的掘巷工作量，并封闭充填采空区。

所述采空区关键位置为直接顶破断处、直接顶变形控制点、顶板应力集中点、沿空留巷处。

所述不同形状的高强度充填单体包括十字形、T形、方形或棱柱体结构。

所述特殊地质构造位置指断层、陷落柱、褶皱、裂隙带或薄弱层涌水区。

所述高强充填体采用强度为6-10MPa的充填材料，并可根据需要在充填体外表和内部进行配筋或其他加固处理。

上述方法的具体操作步骤如下：

(1)根据矿区地质条件，计算直接顶所受均布荷载q，直接顶初次垮落步距L；

所述

当(q_n+1)₁<(q_n)₁时，q＝(q_n)₁；

其中：E₁、E₂、…E_n为各岩层的弹性模量，n为岩层数，h₁、h₂…h_n为各岩层的厚度，h₁为直接顶厚度，R_T为直接顶抗拉强度，q为作用在直接顶的上覆载荷，k₁为安全系数；V₁、V₂、V₃、......V_n为各岩层的容重；

2.根据直接顶垮落步距合理设计充填条带的间距L₁，根据条带间直接顶变形量W_max在充填条带间布置间距为L₂的充填单体；