CN114575848B - 一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法，创造性的提出对采空区垮落带进行部分充填来减小实际采高以使覆岩由两带发育结构转为三带发育结构，搭配地面离层充填，实现地表损伤控制，解决了全部充填成本高效率低工作量大的问题，又能保证高强度集约化开采。进一步给出了一种采空区垮落带部分充分方法，在液压支架后面的煤层底板上铺设一层II或III形预制块，采用预制块且包含充填腔体保证施工效率且施工轻便，而充填腔体充填后还能够保证强度。更进一步提出离层注入膏体充填材料的构思，可以大大减小水的用量且避免水泌入采空区影响煤层开采，而井上与井下充填材料相同，进一步实现设备的节约化。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采地表损伤控制领域，具体为一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法。
背景技术
高强度开采是集约化开采的重要方式，但带来的地表沉降快和变形大，进而损伤生态问题亟待解决。我国煤炭赋存与生态环境容量分布不均衡，神东矿区为代表的西部晋陕蒙宁甘煤炭产量占全国的3/4，但该区域生态脆弱、水资源匮乏，高强度开采加剧了矿区及周边的沙漠化、荒漠化。矿区地表生态损伤源于煤炭开采引起的覆岩变形、破断、运动造成的下位岩层采动损伤和由此造成的上位岩层和地表层传递损伤。因此，矿区生态修复的根本在于从开采源头最大限度的减少对地表生态的损伤，关键在于充分利用开采对覆岩和地表的损伤规律，实现人为对损伤传导进行控制，进而实现地表生态高效修复与高强度开采相协调。
现有技术有提出基于覆岩损伤传导特征，利用垮落带及离层裂隙带注浆手段控制地表关键层及地表移动状态，从而实现煤炭高强度开采与地表生态保护相协调。但是注浆过程中会消耗大量的水资源，这与西部矿区水资源匮乏相矛盾；且在垮落带注浆无法实现带压注浆，注浆只能充填垮落带岩石间空隙，无法控制垮落带的初始高度，即只能通过控制垮落带的压缩量来一定程度的控制裂隙带的后期发育高度，应用局限性很大，若是初始碎涨量达不到控制两带高度发育至主关键层则无法使用。此外，现有技术中从源头控制地表损伤的井下矸石充填开采、高水充填开采、膏体充填开采由于充填量大，充填成本高、工序复杂等无法适应高强度开采的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法，包括如下步骤：
a、根据煤层采高M、覆岩钻孔柱状图及各岩层力学参数计算出垮落带高度和裂隙带高度Hd，其中煤层埋深为H；
b、当Hd≥H时，覆岩为“两带”发育结构，需要进行垮落带充填，执行步骤d-h；
c、当Hd<H时，覆岩为“三带”发育结构，无需进行垮落带充填，执行步骤g-h；
d、确定垮落带充填高度为Mc，则煤层的等效采高为M-Mc，按照步骤a重新确定裂隙带高度，使得在该等效采高下覆岩由“两带”发育结构转为“三带”发育结构；
e、工作面自切眼向前采煤推进，与此同时，在液压支架后面的煤层底板上铺设一层厚度为Mc的预制块；所述预制块为“II”或“III”形，且整体呈长方体结构，包括顶板、底板以及连接两者的竖向支撑板；同一块预制块的竖向支撑板之间、相邻的两块预制块的相邻竖向支撑板之间形成充填腔体；充填腔体沿着预制块的长度方向延伸，同一列的预制块的充填腔体连通；
优选的，预制块沿着工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向垂直于工作面推进方向，将每列预制块的充填腔体开口设置于运输巷道或者回风巷道内，即充填施工空间位于运输巷道或者回风巷道。
优选的，预制块垂直于工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向平行于工作面推进方向，将每列预制块的充填腔体开口设置于液压支架后方，即充填施工空间位于液压支架后方。
优选的，相邻的预制块采用榫接方式固定，在顶板、底板侧部设置凹槽或凸块。
f、间隔一段距离对预制块进行一次充填，具体为在每次的周期来压之前向充填腔体内注满膏体充填材料；
优选的，在周期来压之前膏体充填材料达到凝结。
g、沿工作面推进方向，间隔施工若干组离层充填孔7，并随着工作面的推进向离层内注入膏体充填材料；
优选的，每组离层充填孔的连线垂直于工作面推进方向。
h、如此往复直至采完本工作面。
优选的，所述膏体充填材料主要采用的原料为煤矸石、粉煤灰、洗选尾矿、风积沙中的一种或多种。
有益效果：本发明涉及一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法，创造性的提出对采空区垮落带进行部分充填来减小实际采高以使覆岩由“两带”发育结构转为“三带”发育结构，搭配地面离层充填，实现地表损伤控制，解决了全部充填成本高效率低工作量大的问题，又能保证高强度集约化开采。进一步的，本发明创造性的给出了一种采空区垮落带部分充分方法，在液压支架后面的煤层底板上铺设一层II或III形预制块，采用预制块且包含充填腔体(空心)保证施工效率且施工轻便，而充填腔体充填后还能够保证强度，解决垮落带直接注浆浆体四散的问题，这种施工方式在充填施工空间位于运输巷道或者回风巷道时充填效率会更高。此外给出了充填时机，即在周期来压之前膏体充填材料达到凝结，避免顶板垮落压坏空心的预制块。更进一步的，本发明针对浅埋煤层特征，创造性的提出离层注入膏体充填材料的构思，不是传统的注入粉煤灰浆体，可以大大减小水的用量且避免水泌入采空区影响煤层开采，而井上与井下充填材料相同，进一步实现设备的节约化。
附图说明
图1为高强度开采覆岩两带结构发育示意图；
图2是高强度开采覆岩三带结构发育示意图；
图3是高强度开采覆岩两带结构转为三带结构示意图；
图4是II型预制块垂直于长度方向的剖面；
图中，1-地表；2-垮落带；3-裂隙带；4-切眼；5-液压支架；6-预制块；61-顶板、62-底板；63-竖向支撑板；64-凹槽与凸块式榫接；65-充填腔体；7-离层充填孔；8-煤层；9-弯曲下沉带。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
如图1-4所示，一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法，包括如下步骤：
a、根据煤层8采高M、覆岩钻孔柱状图(确定各岩层的岩性及厚度/埋深)及各岩层力学参数分别计算出垮落带2高度和裂隙带3高度Hd，其中煤层8埋深为H；
b、当Hd≥H时，覆岩为“两带”发育结构(图1)，需要进行垮落带2充填，执行步骤d-h；
c、当Hd<H时，覆岩为“三带”发育结构(图3)，无需进行垮落带2充填，执行步骤g-h；
“两带”自下而上为垮落带2和裂隙带3；“三带”自下而上为垮落带2、裂隙带3和弯曲下沉带9。
d、确定垮落带充填高度为Mc，则煤层的等效采高为M-Mc，按照步骤a重新确定裂隙带3高度，使得在该等效采高下覆岩由“两带”发育结构(图1)转为“三带”发育结构(图3)；
e、工作面自切眼4向前采煤推进，与此同时在液压支架5后面的煤层底板上铺设一层厚度为Mc的预制块6；所述预制块6为“II”或“III”形，且整体呈长方体结构，包括顶板61、底板62以及连接两者的竖向支撑板63；同一块预制块的竖向支撑板63之间、相邻的两块预制块的相邻竖向支撑板63之间形成充填腔体65；充填腔体65沿着预制块的长度方向延伸，同一列的预制块的充填腔体连通；
优选的，预制块沿着工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向垂直于工作面推进方向，将每列预制块6的充填腔体65开口设置于运输巷道或者回风巷道内，即充填施工空间位于运输巷道或者回风巷道。
优选的，预制块垂直于工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向平行于工作面推进方向，将每列预制块6的充填腔体65开口设置于液压支架后方，即充填施工空间位于液压支架后方。
优选的，相邻的预制块6采用榫接方式固定(包括列与列之间以及同一列相邻的预制块之间)，具体的在顶板61、底板62侧部设置凹槽或凸块64。
f、间隔一段距离对预制块进行一次充填，具体为在每次的周期来压之前向充填腔体65内注满膏体充填材料；
优选的，在周期来压之前膏体充填材料达到凝结。
g、沿工作面推进方向，在地面1间隔施工若干组离层充填孔7，并随着工作面的推进向离层内注入膏体充填材料；
优选的，每组离层充填孔7的连线垂直于工作面推进方向。
h、如此往复直至采完本工作面。
优选的，所述膏体充填材料主要采用的原料为煤矸石、粉煤灰、洗选尾矿、风积沙等。
Claims (6)
1.一种浅埋煤层高强度开采下地表损伤控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、根据煤层采高M、覆岩钻孔柱状图及各岩层力学参数计算出垮落带高度和裂隙带高度Hd，其中煤层埋深为H；
b、当Hd≥H时，覆岩为“两带”发育结构，需要进行垮落带充填，执行步骤d-h；
c、当Hd<H时，覆岩为“三带”发育结构，无需进行垮落带充填，执行步骤g-h；
d、确定垮落带充填高度为Mc，则煤层的等效采高为M-Mc，按照步骤a重新确定裂隙带高度，使得在该等效采高下覆岩由“两带”发育结构转为“三带”发育结构；
e、工作面自切眼向前采煤推进，与此同时，在液压支架后面的煤层底板上铺设一层厚度为Mc的预制块；所述预制块为“II”或“III”形，且整体呈长方体结构，包括顶板、底板以及连接两者的竖向支撑板；同一块预制块的竖向支撑板之间、相邻的两块预制块的相邻竖向支撑板之间形成充填腔体；充填腔体沿着预制块的长度方向延伸，同一列的预制块的充填腔体连通；
f、间隔一段距离对预制块进行一次充填，具体为在每次的周期来压之前向充填腔体内注入膏体充填材料；
g、沿工作面推进方向，间隔施工若干组离层充填孔，并随着工作面的推进向离层内注满膏体充填材料；
h、如此往复直至采完本工作面。
2.根据权利要求1所述的地表损伤控制方法，其特征在于，步骤e中，预制块的充填腔体开口位于运输巷道或者回风巷道内，即充填腔体的长度方向成排，充填施工空间位于运输巷道或者回风巷道。
3.根据权利要求1所述的地表损伤控制方法，其特征在于，步骤e中，预制块沿着工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向垂直于工作面推进方向，将每列预制块的充填腔体开口设置于运输巷道或者回风巷道内，即充填施工空间位于运输巷道或者回风巷道。
4.根据权利要求1所述的地表损伤控制方法，其特征在于，步骤e中，预制块垂直于工作面推进方向成多列依次布置，即预制块的长度方向平行于工作面推进方向，将每列预制块的充填腔体开口设置于液压支架后方，即充填施工空间位于液压支架后方。
5.根据权利要求1所述的地表损伤控制方法，其特征在于，步骤f中，在周期来压之前膏体充填材料达到凝结。
6.根据权利要求1所述的地表损伤控制方法，其特征在于，步骤f和步骤g中，所述膏体充填材料采用的原料为煤矸石、粉煤灰、洗选尾矿、风积沙中的一种或多种。
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