一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法技术

本发明专利技术公开了一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法。该方法根据地表下沉等值线图，设计充填体的位置：在中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心；在全部充填范围外布置若干圈充填条带，控制沉陷较大区域；在充填条带外部布置数排充填单体，控制沉陷边缘区域；在采空区有针对性的布置不同形状的充填体，控制顶板的变形破坏与地表沉陷，使之形成“充填体‑顶板”结构控制体系，控制上覆岩层变形破坏与地表沉陷；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。本发明专利技术能够有效控制顶板变形破坏与地表沉陷，提高“三下”采煤采出率，保护环境；节约充填材料，降低充填成本；对充填后形成的大量地下空间再利用。

Method for partial filling of mined out area based on surface subsidence characteristics

The invention discloses a method for partial filling of mined out area according to the characteristics of surface subsidence. According to the method of surface subsidence isoline filling body design position: all the filling in the center region within the scope of control of subsidence center; ring arranged a number of strip filling in all filling range, a large area of subsidence control; in stowing external layout rows of filling monomer, the edge region to control subsidence; the arrangement of different shapes of the body filling in goaf, deformation and surface subsidence control of the roof, so that the formation of \filling roof structure control system, control the strata deformation and surface subsidence; arrangement of narrow strip filling gob, reduce the next working face roadway driving workload. And closed goaf filling. The invention can effectively control the roof deformation and surface subsidence, improve the \three under\ mining coal mining rate, protect the environment; save filling material, reduce the cost of filling; reuse of a large number of underground space filling form.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，属于充填开采领域。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，根据开采地表沉陷特征，通过前期预测及采充规划，在采空区有针对性的布置不同形状的充填体，控制顶板的变形破坏与地表沉陷，使之形成“充填体-顶板”结构控制体系，控制上覆岩层变形破坏与地表沉陷。本专利技术提供了一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，包括以下内容：根据采矿开采地表沉陷预计方法绘出地表下沉等值线，在中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心；在全部充填的范围外布置若干圈充填条带，控制沉陷较大区域；在充填条带外部布置数排不同形状的充填单体，控制沉陷边缘区域；在特殊地质构造位置进行全部充填，控制应力集中点；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。充填条带和充填单体控制顶板的稳定，形成“充填体-顶板”结构控制体系，控制上覆岩层的变形破坏与地表沉陷。所述开采地表沉陷预计方法包括：典型曲线法、剖面函数法、连续介质力学法、数值计算法、概率积分法、相似材料模拟方法或人工神经网络预测法中的任一种。所述充填条带为矩形框架结构。所述不同形状的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为断层、陷落柱、褶皱、裂隙带或薄弱层涌水区。所述充填条带和充填单体采用强度较高的充填材料，材料强度为6-10MPa，在充填条带和充填单体外表和内部进行配筋或其他加固处理。所述的根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，具体包括以下步骤：1.根据矿区地质条件，结合地表沉陷预测方法进行地表下沉量预测，计算出最大下沉量H，并画出沉降地表下沉等值线；2.根据地表下沉等值线图，设计充填体的位置；具体方法为：在中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心；在全充范围外布置数层充填条带，控制沉陷较大区域；在条带充填外部布置数排充填柱体，控制沉陷边缘区域；若存在特殊地质构造，则在特殊地质构造位置进行全部充填，控制应力集中点；所述全部充填区域是指沉陷量等于最大沉陷量0.9H-H的区域；所述充填条带区域是指沉陷量等于0.5H-0.9H的区域；所述充填单体区域是指沉陷小于0.5H的区域；其中H是指地表最大沉陷量。3.选择充填材料，采用强度较高的充填材料，并可在充填体外表和内部进行配筋或其他加固处理；4.根据充填材料的强度fcu和直接顶所受均布荷载q设计充填条带的宽度a；充填单体的横截面积A根据自身稳定性和直接顶所受均布荷载q设计，等效高宽比一般不大于2；所述等效高宽比是指充填单体的高度h与其宽度的比值，所述宽度为将不同形状的高强度充填单体等效成与其具有相同横截面积A的正四棱柱时的宽度充填条带及充填单体的间距小于顶板垮落步距L；所述其中：fcu为充填体抗压强度，k、k1、k2为安全系数，L1为充填条带控制长度，L2为充填单体控制长度，h为充填单体的高度，h1为直接顶厚度；5.设计沿空留巷充填条带宽度b；所述沿空留巷为满足支护要求，b≥2.5m；6.随着工作面的推进，当开采到设计充填位置时搭设模板进行材料充填；充填条带采用滑模进行充填。所述强度较高的充填材料为矸石-粉煤灰膏体充填材料，其强度为8-10MPa，具体配比为：水泥∶粉煤灰∶水∶矸石＝1∶2∶2∶5，其中0-5mm细矸石占总矸石的30％，5-10mm中矸石、10-15mm粗矸石用量均为占总矸石的35％，充填材料的质量分数为80％，根据工程需要添加0.3-1％的添加剂。所述强度较高的充填材料也可为矸石-废弃混凝土膏体充填材料，强度能达到6-10MPa，具体的质量配比为：水泥∶粉煤灰∶水∶矸石∶废弃混凝土＝1∶2∶2∶3.5∶1.5，其中：其中0-5mm细矸石和10-15mm粗矸石均占总矸石的25％，5-10mm中矸石占总矸石的50％；0-5mm细废弃混凝土占总废弃混凝土的40％，5-10mm中废弃混凝土和10-15mm粗废弃混凝土用量分别占总废弃混凝土的30％；充填材料的质量分数为80％；根据工程需要添加0.3-1％的添加剂。本专利技术的有益效果：(1)与全部垮落法相比：有效控制顶板变形破坏与地表沉陷，提高“三下”采煤采出率，保护环境；(2)与全采全充相比：根据构造要求进行部分充填，可以节约充填材料，降低充填成本；(3)与条带式充填和墩柱式充填相比：有针对性的在关键部位布置充填体，对顶板控制效果好，防止部分充填体破坏引起全区的连锁反应；(4)可以对充填后形成的大量地下空间再利用。附图说明图1为采空区上方地表沉陷预测等高线示意图。图2为采空区充填方法示意图。图3为某矿走向地表沉陷量预测图。图4为某矿倾向地表沉陷量预测图。图中：1.上采区沿空留巷；2.未开采矿体；3.地表沉陷等值线；4.全充区域；5.充填条带；6.十字充填单体；7.T型充填单体；8.方形充填单体；9.本采区沿空留巷，A为开采方向。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例1：某煤矿开采丁组5～6煤层，厚度为2～2.2m，平均采深570m，煤层倾角15°，松散层厚度约300m，基岩厚度270m，岩性中硬偏软，所采工作面走向长820m，倾向长140m；1.根据煤矿地质条件，使用弹性板理论预计地表下沉量，如图3、4，计算出最大下沉量H＝660mm，并画出沉降地表下沉等值线；2.根据地表下沉等值线图，设计充填体的位置；具体方法：在沉陷量等于600-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)根据矿区地质条件，结合地表沉陷预测方法进行地表下沉量预测，计算出最大下沉量H，并画出沉降地表下沉等值线；(2)根据地表下沉等值线图，设计充填体的位置；具体方法为：在中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心；在全部充填范围外布置若干圈充填条带，控制沉陷较大区域；在充填条带外部布置数排充填单体，控制沉陷边缘区域；若存在特殊地质构造，则在特殊地质构造位置进行全部充填，控制应力集中点；(3)选择充填材料，采用强度较高的充填材料进行充填；(4)根据充填材料的强度fcu和直接顶所受均布荷载q设计充填条带的宽度a；充填单体的横截面积A根据自身稳定性和直接顶所受均布荷载q设计，等效高宽比一般不大于2；充填条带及充填单体的间距小于顶板垮落步距L；所述其中：fcu为充填体抗压强度，k、k1、k2为安全系数，L1为充填条带控制长度，L2为充填单体控制长度，h为充填单体的高度，h1为直接顶厚度；所述等效高宽比是指充填单体的高度h与其宽度的比值，所述宽度为将不同形状的高强度充填单体等效成与其具有相同横截面积A的正四棱柱时的宽度(5)设计沿空留巷充填条带宽度b；所述沿空留巷为满足支护要求，b≥2.5m；(6)随着工作面的推进，当开采到设计充填位置时搭设模板进行材料充填；充填条带采用滑模进行充填。...

【技术特征摘要】
1.一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)根据矿区地质条件，结合地表沉陷预测方法进行地表下沉量预测，计算出最大下沉量H，并画出沉降地表下沉等值线；(2)根据地表下沉等值线图，设计充填体的位置；具体方法为：在中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心；在全部充填范围外布置若干圈充填条带，控制沉陷较大区域；在充填条带外部布置数排充填单体，控制沉陷边缘区域；若存在特殊地质构造，则在特殊地质构造位置进行全部充填，控制应力集中点；(3)选择充填材料，采用强度较高的充填材料进行充填；(4)根据充填材料的强度fcu和直接顶所受均布荷载q设计充填条带的宽度a；充填单体的横截面积A根据自身稳定性和直接顶所受均布荷载q设计，等效高宽比一般不大于2；充填条带及充填单体的间距小于顶板垮落步距L；所述其中：fcu为充填体抗压强度，k、k1、k2为安全系数，L1为充填条带控制长度，L2为充填单体控制长度，h为充填单体的高度，h1为直接顶厚度；所述等效高宽比是指充填单体的高度h与其宽度的比值，所述宽度为将不同形状的高强度充填单体等效成与其具有相同横截面积A的正四棱柱时的宽度(5)设计沿空留巷充填条带宽度b；所述沿空留巷为满足支护要求，b≥2.5m；(6)随着工作面的推进，当开采到设计充填位置时搭设模板进行材料充填；充填条带采用滑模进行充填。2.根据权利要求1所述的根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，其特征在于：所述开采地表沉陷预计方法包括：典型曲线法、剖面函数法、连续介质力学法、数值计算法、概率积分法、相似材料模拟方法或人工神经网络预测法中的任一种。3.根据权利要求1所述的根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法，其特征在于：步骤(2)中全部充填区域为沉陷量为0.9H-H的区域，充填条带区域为下沉量为0.5H-H的区域，充填...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，杜献杰，郭军，戚庭野，郭育霞，李振，张玉江，栗继组，牛利凯，康立勋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14