一种根据地表沉陷特征进行采空区部分充填的方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

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。

本发明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f_cu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：f_cu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。

本发明的有益效果：

(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发明，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600-660mm的中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心,其中走向150m，倾向10m；在下沉量为330-600mm的范围内布置数层条带充填体，控制沉陷较大区域,其中走向两侧各150m，倾向两侧各20m；在小于330mm的范围内布置数排充填柱体，控制沉陷边缘区域，其中走向两侧各175m，倾向两侧各15m；

3.选择充填材料，为矸石-粉煤灰膏体充填材料，具体配比为：细(0-5mm)矸石用量为285kg/m³，中(5-10mm)、粗(10-15mm)矸石用量均为332.5kg/m³，水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m³和380kg/m³，水用量为380kg/m³，质量分数为80％，可添加0.3％的聚羧酸高效减水剂，其强度可达到8.43MPa；

4.根据充填材料的强度f_cu和直接顶所受均布荷载q设计充填条带的宽度a，充填条带间距小于顶板垮落步距L；根据计算在走向两侧各布置10排5m宽条带，间距为10m；在倾向两侧各布置2排5m宽条带，间距为5m；在条带外布置大小不同形状不一的充填单体；充填单柱的面积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，充填单体的间距小于顶板垮落步距L；

5.根据下采区工作需要设计沿空留巷充填条带宽度b＝3m；

6.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填，条带充填体采用滑模进行充填。

实施例2：

某铁矿矿体埋深为136～679m，矿体形态在平面上为向南突出的“新月形”，地质储量为7.90971×10⁷t，采用无底柱分段崩落采矿方法进行开采，设计年产量1.8×10⁶t，服务年限为35a。由于覆层岩石整体性差，且有近百米的砾石层，地表仅1a多即出现强烈的采动影响。开采沉陷引起岩层与地表的剧烈移动，严重影响了安全生产。因此采用MSDAS-GIS对此铁矿地表开采沉陷进行预测，并对其进行部分充填开采。

1.根据铁矿地质条件，使用基于GIS和概率积分法的MSDAS-GIS预测系统预计地表下沉量，得到地表稳态时最大下沉位移出现在采场中心，最大下沉值达到8043mm。最大水平位移为2413mm，出现在采场边界正上方略靠近采空区一侧，同时倾斜也达到最大值75mm/m。最终形成一个810m×565m(长×宽)的沉陷盆地，沉陷面积达3.5×10⁵m²。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7239-8043mm的中心区域范围内进行全部充填，控制沉陷中心，其中走向200m，倾向100m；在下沉量为4022-7239mm的范围内布置数层条带充填体，控制沉陷较大区域，其中走向两侧各150m，倾向两侧各100m；在小于4022mm的范围内布置数排充填柱体，控制沉陷边缘区域，其中走向两侧各155m，倾向两侧各132.5m；

3.选择的充填材料为矸石-废弃混凝土膏体充填材料，用废弃混凝土代替部分矸石骨料，其配比为：0-5mm细矸石和10-15mm粗矸石用量均166.25kg/m³，5-10mm中矸石用量为332.5kg/m³；0-5m细废弃混凝土用量为114kg/m³，5-10mm中废弃混凝土和10-15mm粗废弃混凝土用量均为85.5kg/m³；水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m³和380kg/m³，水用量为380kg/m³，质量分数为80％，其强度可达到6.8MPa；

4.根据充填材料的强度f_cu和直接顶所受均布荷载q设计充填条带的宽度a，充填条带间距小于顶板垮落步距L；根据计算在走向两侧各布置10排5m宽条带，间距为10m；在倾向两侧各布置10排5m宽条带，间距为5m；在条带外布置大小不同形状不一的充填单体；充填单柱的面积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，充填单体的间距小于顶板垮落步距L；

5.随着工作面的推进，在开采到设计充填位置时搭设模板进行充填，条带充填体采用滑模进行充填。