CN108590650B - 一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，首先，自采空区向下打垂直炮孔，爆破回采护底矿层；其次，利用矿柱、护顶矿层和顶板及上覆地层的重力作用，所述矿柱、护顶矿层和顶板自动缓慢下沉，所述矿柱沉入软弱的底板岩层中，所述底板岩层向上鼓起向所述采空区运动；最后，所述矿柱和顶板缓慢下沉直至所述护顶矿层和底板充分接触以及充填密实所述采空区，完成封闭所述采空区，所述矿柱和回采后剩余的所述护底矿层形成长矿柱。本发明中处理采空区的方法在精简施工工序的同时将施工趋于简单化，从而易于操作，通过回采护底矿层的矿石，使部分矿石得以回收，增加了部分经济效益，降低了工作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种处理非煤矿床采空区的方法，具体涉及一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法。
背景技术
非煤矿山采空区很多，治理起来相对复杂且难度大，据统计，我国非煤矿山采空区的灾害是我国非煤矿山最严重的灾害之一，常规处理方法费用高、施工不安全，且影响施工的正常进行，采空区的危害及其处理难度已成为企业发展的一大制约因素，因此，寻求对采空区新的治理方法及技术，对降低采空区处理难度及成本、增加国家和企业经济效益具有重大的意义。
中国专利申请CN104863591A公开了一种采空区控制冒落与地表充填的治理方法，它是用VCR法从采空区地表打充填井，充填采空区，按保护地表不允许塌陷区域需要确定凿井充填的参数，有控制地诱导采空区冒透地表形成塌陷区，在塌陷区稳定后，用废石充填塌陷区并进行地表整形、覆土和复垦。该方法适用于大型采空区处理，可以有效地控制采空区冒落，避免了采空区突然冒落，但是不适用于采空区上覆岩层有含水层的采空区处理，且采空区处理过程复杂，费用高。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，使用该方法顶板缓慢下沉，不破坏上覆地层，采空区充填比较密实。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，包括如下步骤：
步骤一，自采空区向下打垂直炮孔，爆破回采护底矿层；
步骤二，利用矿柱、护顶矿层和顶板及上覆地层的重力作用，所述矿柱、护顶矿层和顶板自动缓慢下沉，所述矿柱沉入软弱的底板岩层中，所述底板岩层向上鼓起向所述采空区运动；
步骤三，所述矿柱和顶板缓慢下沉直至所述护顶矿层和所述底板岩层充分接触以及充填密实所述采空区，完成封闭所述采空区，所述矿柱和回采后剩余的所述护底矿层形成长矿柱。
可选的，所述步骤一中垂直炮孔的间排距为1m。
可选的，所述步骤一中，根据所述护底矿层的厚度判断是否需要分层开采，若所述护底矿层厚度大于4m，则需要分层开采所述护底矿层。
可选的，分层开采所述护底矿层，分层高度为2m。
可选的，所述步骤一中回采护底矿层的回采范围小于顶板的初次垮落步距，所述顶板的初次垮落步距通过如下计算公式计算：
式中：L为直接顶初次垮落步距；σt为岩层抗拉强度；k为岩层龟裂系数，k＝0.25～0.75；m为岩层厚度；b为工作面斜长；γ为岩层容重；α为工作面倾角。
可选的，计算所述长矿柱的安全系数，并判断所述安全系数是否小于1.6，若小于1.6，需要对所述长矿柱进行人工加固，所述长矿柱的安全系数计算公式如下：
式中：F——长矿柱安全系数；σP——长矿柱所受平均轴向应力，MPa；S——长矿柱强度，Mpa；
长矿柱所受平均轴向应力通过下式计算：
式中：σp——长矿柱所受平均轴向应力，MPa；Pzz——长矿柱所受载荷，MPa；r——面积回采率，其中
长矿柱强度通过下式计算：
式中：S——矿柱强度，MPa；wp——矿柱宽度，m；h——矿柱高度，m。
可选的，对所述长矿柱进行人工加固的方法为对所述长矿柱喷浆。
可选的，所述长矿柱抵抗承载力破坏的系数为：当k小于2.0时，所述长矿柱会沉入所述底板岩层中；其中，所述长矿柱所产生的承载力为：
式中：qb——矿柱所所产生的承载力，MPa；γ——容重，kN/m3；
a——矿柱长度，m；c——黏结力；Nγ——承载力因子，Sγ——形状因子，其中lp为矿柱高度；Sq——形状因子，其中lp为矿柱高度；Φ——底板摩擦角，°。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，可以有效控制顶板下沉的速度，使其缓慢下沉，从而不破坏上覆地层结构，并且保障采空区填充密实，安全性大大提高，本发明中处理采空区的方法在精简施工工序的同时将施工趋于简单化，从而易于操作，通过回采护底矿层的矿石，使部分矿石得以回收，增加了部分经济效益，降低了工作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明炮孔布置剖面示意图；
图2为本发明矿柱、顶板和底板运动结果示意图；。
附图标记说明：1、大巷；2、顶板；3、护顶矿层；4、采空区；5、护底矿层；6、底板岩层；7、垂直炮孔；8、矿柱；9、长矿柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，包括如下步骤：
首先，如图1所示，从大巷1至回采巷道进入采空区4，采用浅孔落矿的采矿方法，自采空区4向下打垂直炮孔7，按照正常的顺序采用爆破方法依次回采护底矿层5；
于本实施例中，如图1所示，垂直炮孔7的间排距为1m；
进一步的，回采的范围要进行相应的控制，于本实施例中，回采护底矿层5的回采范围小于顶板2的初次垮落步距，顶板2的初次垮落步距可通过如下计算公式计算：
式中：L为直接顶初次垮落步距；σt为岩层抗拉强度；k为岩层龟裂系数，k＝0.25～0.75，根据岩层的节理裂隙发育程度来选取，发育程度大的取大值，反之取小值；m为岩层厚度；b为工作面斜长；γ为岩层容重；α为工作面倾角。
为了对保证护底矿层5的开采效果，根据护底矿层5的厚度判断是否需要分层开采护底矿层5，于本实施例中，若护底矿层5的厚度大于4m，则需要进行分层开采；进一步地，分层开采的高度一般在2m左右。
其次，利用矿柱8、护顶矿层3和顶板2及上覆地层的重力作用，矿柱8、护顶矿层3和顶板2自动缓慢下沉，矿柱8沉入软弱的底板岩层6中，底板岩层6向上鼓起向采空区4运动；
最后，如图2所示，矿柱8和顶板2缓慢下沉直至护顶矿层3和底板岩层6充分接触以及充填密实采空区4，完成封闭采空区4，矿柱8和回采后剩余的护底矿层5形成长矿柱9。
矿柱8及顶板2缓慢下沉运动完成之后，要确认下沉量是否足够大，下沉的护顶矿层5与鼓起的底板岩层6是否充分接触到一起，是否达到采空区4充填效果比较密实的目标，于本实施例中，根据底板鼓起量和顶板下沉量的大小，来判断是否充接触及密实。否则，还需要人工充填等充填方式对采空区4进行二次充填以达到采空区4充填效果比较密实的目标，该方法处理采空区4的预期效果如图2所示。
为了保证长矿柱9的稳固性，于本实施例中，计算长矿柱9的安全系数，并通过所述安全系数判断长矿柱9是否需要加固，于本实施例中，长矿柱9的安全系数计算公式如下：
式中：F——长矿柱安全系数；σP——长矿柱所受平均轴向应力，MPa；S——长矿柱强度，Mpa；
长矿柱9所受平均轴向应力通过下式计算：
式中：σp——长矿柱所受平均轴向应力，MPa；Pzz——长矿柱所受载荷，MPa；r——面积回采率，其中
长矿柱9的强度通过下式计算：
式中：S——矿柱强度，MPa；wp——矿柱宽度，m；h——矿柱高度，m。
如果长矿柱9的安全系数F小于1.6，则需要对长矿柱9进行加固，于本实施例中，选用喷浆的方式加固长矿柱9。
通过计算系数k从而判断长矿柱9是否能够沉入底板岩层6中，于本实施例中，长矿柱9抵抗承载力破坏的系数为：当k小于2.0时，长矿柱9会沉入底板岩层6中；其中，长矿柱9所产生的承载力为：
式中：qb——矿柱所所产生的承载力，MPa；γ——容重，kN/m3；
a——矿柱长度，m；c——黏结力；Nγ——承载力因子，Sγ——形状因子，其中lp为矿柱高度；Sq——形状因子，其中lp为矿柱高度；Φ——底板摩擦角，°。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，自采空区向下打垂直炮孔，爆破回采护底矿层；
步骤二，利用矿柱、护顶矿层和顶板及上覆地层的重力作用，所述矿柱、护顶矿层和顶板自动缓慢下沉，所述矿柱沉入软弱的底板岩层中，所述底板岩层向上鼓起向所述采空区运动；
步骤三，所述矿柱和顶板缓慢下沉直至所述护顶矿层和所述底板岩层充分接触以及充填密实所述采空区，完成封闭所述采空区，所述矿柱和回采后剩余的所述护底矿层形成长矿柱。
2.根据权利要求1所述的矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，其特征在于，所述步骤一中垂直炮孔的间排距为1m。
3.根据权利要求1所述的矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，其特征在于，所述步骤一中，根据所述护底矿层的厚度判断是否需要分层开采，若所述护底矿层厚度大于4m，则需要分层开采所述护底矿层。
4.根据权利要求3所述的矿柱及顶板缓慢下沉处理采空区的方法，其特征在于，分层开采所述护底矿层，分层高度为2m。
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