CN115030722A - 一种采空区滞后充填高效保水采煤方法 - Google Patents

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CN115030722A CN202210773560.5A CN202210773560A CN115030722A CN 115030722 A CN115030722 A CN 115030722A CN 202210773560 A CN202210773560 A CN 202210773560A CN 115030722 A CN115030722 A CN 115030722A
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Abstract

本发明公开了一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，属于煤矿地下开采技术领域。根据煤层开采后采空区顶板的自然垮落状态，利用工作面两侧巷道或上位巷道或者布置定向钻孔进行滞后充填；充填的滞后距离根据临界冒落跨度、垮落岩石形态及垮落岩块碎胀系数分布特征确定；充填的最大高度根据覆岩结构特征与垮落带高度以及直接顶充满采空区的厚度确定；充填浆液的流动特性根据浆液在垮落带中扩散特征模拟研究确定；充填注浆量根据垮落岩块孔隙率及碎胀系数确定。通过定向钻孔将垮落带矸石空隙在未被压实之前注浆，对垮落带进行固结形成承载体，与采煤平行作业的同时，达到控制岩层移动与保水开采地目的，实现了采充分离。

Description

一种采空区滞后充填高效保水采煤方法
技术领域
本发明涉及一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，属于煤矿地下开采技术领域。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，在经济发展中扮演重要角色，2021年我国煤炭消费量占能源消费总量的61.4％，煤炭作为我国主体能源的格局相当长时期内难以改变，煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展。煤炭为我国工业发展做出巨大贡献的同时，也带来一系列环境损害问题，对于地表生态及地下水环境产生显著影响。特别是针对中西部生态脆弱区而言，干旱少雨，水资源匮乏，生态环境脆弱，大规模开采煤炭资源与生态环境保护的矛盾十分突出。基于西北部主要煤炭产区煤田煤层厚、埋藏浅、水资源匮乏和生态脆弱等特征，针对大规模机械化开采方式下的生态损害问题，当前煤炭资源科学开发战略需要从“被动恢复”向“主动保护”、从“重开采”向“重协调”转变。
按照生态文明建设环境保护优先、自然恢复为主的总体要求，在煤矿开采时应尽量减少和控制采动对生态环境的损害，目前，防止煤矿上部地层塌陷导致地面生态系统破坏的方法主要以留煤柱和充填开采为主。
充填开采是一种把对水土资源和基础设施等影响，限制在生态环境对开采行为容忍度可控范围之内的有效方法。同时，因地制宜推广高效充填开采等先进工艺技术，降低采煤沉陷影响，“开展煤矿充填开采可行性研究”是采煤沉陷区综合治理部际联席会议确定的11项重点工作之一。采空区充填是目前煤炭资源保水开采最有效的途径之一，传统采空区充填，是在煤层采出后顶板未冒落之前，对所有采空区域进行及时充填，存在充填时间和空间不足的问题。另外，采煤与充填作业在同一空间内，由于受保护的作业空间有限，采煤与充填平行作业协调困难，充填作业影响开采进度。对于“三下”采煤环境，充填开采方案的具体实践方式为：利用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，满足“三下”采煤减沉的目的，然而，无论是采用煤矸石充填法、胶结充填法、粉煤灰部分代替水泥充填法、混凝土充填法等，其单位造价普遍偏高，相对较高的投入成本严重影响企业经济效益，客观上限制该方法的大面积推广应用。
目前而言，留设煤柱开采方法一方面造成资源浪费、减少矿井服务年限；另一方面，影响生产布局和煤炭的高效回采。而充填开采的成本投入太高，经济效益性差，不宜于煤矿企业大面积推广与实施。因此，探究一套适用于煤矿井下科学合理的综合减沉高效保水采煤技术方法，是现阶段绿色开采、高效采煤的重要现实需求。
发明内容
技术问题：本发明针对现有存在的技术问题，提出了一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，根据采煤作业后采空区顶板自然冒落形成近完全充填采空区的状况，利用垮落岩石的碎胀性，在靠近工作面一侧，确定一定的滞后距离，通过定向钻孔或工作面上位巷道，将垮落带矸石空隙在未被压实之前注浆，对垮落带进行固结，形成一定强度的承载体，充填量和充填范围仅是采出空间的一部分，充填材料加固冒落岩块后，一起支撑上覆岩层，与采煤平行作业的同时，达到控制岩层移动与保水开采地目的，实现了采充分离，避免了采充干扰问题。
技术方案：为了达到上述目的，本发明提供的采空区滞后充填高效保水采煤方法，根据煤层开采后采空区顶板的自然垮落形成近完全充填采空区的状况，利用垮落岩石的碎胀性，在靠近工作面一侧，确定滞后充填距离L，滞后充填距离L根据临界冒落跨度、垮落岩石形态及垮落岩块碎胀系数分布特征确定；充填的最大高度根据覆岩结构特征与垮落带高度以及直接顶充满采空区的厚度确定；充填浆液的流动特性根据浆液在垮落带中扩散特征模拟研究确定；充填注浆量根据垮落岩块孔隙率及碎胀系数确定；通过在工作面后方、在工作面上位巷道或者在工作面两侧巷道实施的定向钻孔对基本稳定的垮落区进行滞后注浆充填，在垮落带矸石空隙在未被压实之前注浆，对垮落带进行固结，定向钻孔先指向垮落区顶板上方钻进，之后在顶板中水平钻进，最后在指向待填充的垮落区定向实施多个出浆孔，定向钻孔在顶板水平钻进部分在注浆过程中同时封堵裂隙并加固顶板；在采空区垮落矸石碎胀系数最大时，向空隙内注浆，在垮落带矸石空隙未被压实之前停止注浆；充填浆液对垮落带进行固结形成对顶板的承压滞后充填体，与采煤平行作业的同时，达到控制岩层移动与保水开采地目的；
具体步骤如下：
步骤一、分析采煤区的地质探查钻孔柱状资料，得到开采区域顶板岩层赋存条件及各覆岩层的物理力学特性参数；通过钻探或物探的方式探测煤层采空区垮落顶板形态，分析采空区顶板岩层的垮落情况，反演得到顶板垮落形态，确定采区覆岩含水层与垮落带、裂隙带的相对位置关系，保证充填前顶板垮落和裂隙范围不波及到含水层；通过采高与垮落带、裂隙带的关系及实际煤矿的开采地质资料，对比顶板垮落形态探测反演，根据不同的覆岩结构类型确定不同位置垮落带的最大高度；由直接顶与老顶之间的空隙与直接顶垮落后的堆积高度确定冒落岩层充满采空区的厚度，并确定充填高度；
步骤二、通过采空区垮落岩块覆岩应力监测，结合理论分析与数学建模，得到实时应力与应力分区表达式的拟合相关参数，由覆岩垮落带和裂隙带结构特征，划分垮落岩块应力变化与碎胀系数分区，推导垮落岩块各分区应力变化规律；根据基岩层的下沉量，划分采空区垮落岩块应力区为：低应力区、应力升高区和应力平稳区，建立低应力区、应力升高区和应力平稳区采空区垮落岩块应力与到工作面开采煤壁距离的关系；根据采空区垮落岩块碎胀系数与覆岩轴向压力的数学关系，推导得到不同位置垮落岩块碎胀特性空间分布，分析各分区垮落岩块碎胀特性分布特征，建立滞后充填区垮落岩块碎胀系数分布模型；根据等价充填高度，确定临界充填碎胀系数；根据顶板临界冒落跨度与采空区垮落岩块碎胀特性分布特征确定采煤作业位置与充填作业位置之间的滞后充填距离L；根据垮落岩块碎胀系数在采空区的分布特征确定顶板临界冒落跨度；
所述采空区垮落岩块碎胀系数kp与工作面开采煤壁距离l关系为：
Figure BDA0003725430230000031
式中，α、β为与采空区覆岩应力有关的回归系数；c、d为覆岩应力测定协调参数；ΔE 为与覆岩结构类型有关的补偿参数；
步骤三、若采煤工作面附近存在可施工注浆充填的巷道，则选择在该巷道上向或斜向上定向钻孔至裂隙带，继而水平钻进直至垮落区顶板，然后再施工向垮落区注浆的钻孔，对垮落区进行注浆，钻孔钻进高度需要至少大于采空区高度的3倍，通过裂隙带指向垮落区的裂隙或者实施指向垮落区的定向钻孔，在碎胀系数最大或者垮落区基本稳定时，向下进行目标位置的注浆；若采煤工作面附近不存在可施工钻孔巷道，则选择在巷道内斜向上施工注浆钻孔至裂隙带，水平钻进至垮落区顶板，然后再施工向垮落区注浆的钻孔，对垮落区进行注浆，钻孔钻进高度至少大于采空区高度的3倍，在碎胀系数最大或者垮落区基本稳定时，自裂隙带向下或者实施指钻孔进行目标位置注浆形成承压滞后充填体；
第四步、根据垮落区破碎岩块的块度不同，浆液带压注充情况下最多只能充填碎胀体积的50～95％，即注充量与碎胀岩块体积的比值的充填度γ＜1.0，利用下式确定施工一次滞后充填的注浆量V注为：
V注＝(V采+V顶)-kpV顶+γ(kp-1)V顶＝V采-V顶(kp-1)(1-γ)
式中V注为充填浆液的注充量；V采为煤层开采体积；V顶为煤层开采时冒落的顶板原始体积；kp为岩块碎胀系数；
按定义充填度γ＝V注/(kp V顶)，得到：
V注＝V采·kp/(kp－1)－kp V顶；
步骤五、根据三轴压缩渗透实验，分析开采过程煤层上覆不同岩性岩石及充填后形成的承压滞后充填体的全应力-应变-渗透性规律，得到顶板采动裂隙岩体渗透系数与应力应变三维耦合模型，分析充填后的承压滞后充填体的变形规律，确定承压滞后充填体最大压缩变形量；
步骤六、结合采煤工作面生产状况，注浆作业采用定向钻孔或工作面上位巷道至垮落破碎岩块上部的方式；根据保护含水层、岩层控制以及地表沉陷控制需要，确定充填浆液配比、注浆位置与间距及注浆工艺；根据注浆过程中采空区向工作面的流水情况、支架后方垮落岩体对支架的水平推力与注浆时注浆管的极限抗压强度，确定注浆压力；待充填范围达到预定要求时停止注浆。
进一步，步骤一中，通过钻探、物探反演结果，分析采空区垮落顶板形态典型特征，通过材料力学分析与矿压理论分析，确定采空区垮落顶板形态形成机理和动态演化，得到采空区上覆岩层垮落带和裂隙带结构特征，为确定垮落带最大高度提供依据。
进一步，步骤一中，所述采煤作业位置与充填作业位置之间的滞后充填距离
Figure BDA0003725430230000041
式中，L为滞后充填距离；Q为老顶岩层梁所承受的载荷；RT为该处岩层的抗拉强度极限；H为老顶岩层厚度；k为保险系数，k＝0.5～0.8。
进一步，步骤一中，所述直接顶与老顶之间的空隙Δ＝M-Σh(kp-1)，式中M为开采煤层的厚度，Σh为岩层垮落厚度；Δ接近于零时，冒落岩层将充满采空区，此时，老顶的弯曲下沉量可忽略不计，所述岩层垮落厚度即为充填高度为
Figure BDA0003725430230000042
式中h’为冒落安全系数，h'＝1～1.5。
进一步，步骤二中，顶板岩层在上覆岩层的作用下，因采动影响而产生矿山压力，通过实时监测得到顶板的破断规律，实时监测顶板和巷道的变形情况以及充填体的受力情况，及时掌握充填开采工作面矿山压力显现分布规律，为确定临界充填碎胀系数提供依据。
进一步，步骤二中，结合悬臂梁及弹性地基梁理论，分析采空区垮落岩块应力变化规律，根据基岩层的下沉量，划分采空区垮落岩块应力区为：低应力区、应力升高区和应力平稳区，确立各分区垮落岩块应力变化数学模型为：
低应力区垮落岩块应力σI与工作面开采煤壁位置l关系满足：
Figure BDA0003725430230000043
式中：σI为低应力区垮落岩块应力，MPa；l为距煤壁的距离，m；ΔC为补偿参数；a、b为协调参数，由垮落岩块应力测定实验确定；
应力升高区垮落岩块应力σII与工作面开采煤壁位置l关系式为：
Figure BDA0003725430230000051
式中：kg为垮落岩块系数、kc为煤层地基系数，单位为GN/m3；E为基岩梁弹性模量，单位为GPa；I为基岩梁惯性矩，单位为m4；Q为覆岩载荷，单位为MPa；ld为低应力区长度，单位为m，
应力平稳区垮落岩块应力σIII为：
σIII＝Q＝γh
式中：γ为上覆岩层平均体积力，单位为kN/m3；h为煤层埋藏深度，单位为m。
进一步，利用浆液在垮落带破碎岩块中的扩散半径来推算垮落带充填浆液的扩散，根据浆液在垮落带破碎岩块空隙中扩散数值模拟，得到充填浆液在4～6个大气压出口压力作用下的扩散半径，在水平方向上为15～20m，而在竖直方向上则较小，为8～12m。
进一步，步骤六中，结合顶板临界冒落跨度与垮落岩块碎胀系数在采空区内的分布特征，采煤工作面与充填工作面之间的滞后充填距离控制在0.5～0.8倍顶板临界冒落跨度范围内。
进一步，步骤六中，上位注浆巷道沿走向布置，随着工作面的推进，呈倒推式逐渐缩短至停采线；在倾向方向上，注浆巷道根据煤层倾角向上山方向移动，巷道端头距离开切眼距离3～15m，停采线上方注浆巷道距离停采线中心3～5m，防止超前压力破坏注浆巷道。
进一步，步骤六中，定向钻孔先由顶部斜向上钻孔至裂隙带，然后，自裂隙带沿斜下方向进行定向钻进至目标注浆位置；
将定向钻孔作为注浆孔，在煤层走向方向上第一个注浆孔位置到开切眼距离定为0.5～1.8倍滞后充填距离，最后一个注浆孔位置到停采线距离定为0.5～1.8倍滞后充填距离，注浆孔的间隔距离定为0.6～2.2倍滞后充填距离；在煤层倾斜方向上，第一个注浆孔位置到运输巷道0.6～2.5倍滞后充填距离，其余的注浆孔依次在垂直于走向的平面上布置，间距为1.5～3.2倍滞后充填距离，最后一个注浆孔位置距运输巷道为0.8～3.2倍滞后充填距离。
进一步，步骤六中，一个注浆钻孔停止注浆的判别标准为，同时满足充填量已达到滞后充填最大注充量，且与顶板接触面积达到70％以上，根据保护含水层的需要，井下涌水量无显著增加，证明充填效果较好时，完成注浆作业。
有益效果
1)本发明提供的采空区滞后充填高效保水采煤方法，采用采空区垮落岩块碎胀充填与滞后注浆充填减沉方法，利用采空区垮落碎石作为支撑结构的支撑材料，滞后充填胶结采空区垮落岩块的充填方式，成本较低，且骨料取材方便、快捷、减少山区骨料运输成本，充填浆液便于在巷道内运输，施工便利，减少由于运输煤矸石和大量砌筑材料而造成开采时间的浪费，减少占用坑道内矿车降低煤炭输送效率，实现了采煤作业与充填作业互不干扰，提高了煤炭采收率。
2)本发明提供的采空区滞后充填高效保水采煤方法，可有效控制覆岩不均匀沉降，有效减少覆岩失稳所带来的潜在风险，使开采区作业时上覆岩层处于稳定状态，指导确定充填配比和开采工艺参数，并避免地面塌陷、巷道坍塌等地质灾害的发生；对于厚煤层放顶煤开采，能够在保证矿山压力条件下正常放煤。
附图说明
图1为本发明的采空区定向钻孔滞后注浆充填走向剖面图；
图2为本发明的工作面两侧巷道或上位巷道滞后注浆充填倾向剖面图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1和图2所述，在本实施例中，针对采空区顶板自然垮落后破碎体填充采空区情况，提出一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，
根据煤层开采后采空区顶板的自然垮落形成近完全充填采空区的状况，利用垮落岩石的碎胀性，在靠近工作面一侧，确定滞后充填距离L，滞后充填距离L根据临界冒落跨度、垮落岩石形态及垮落岩块碎胀系数分布特征确定；充填的最大高度根据覆岩结构特征与垮落带高度以及直接顶充满采空区的厚度确定；充填浆液的流动特性根据浆液在垮落带中扩散特征模拟研究确定；充填注浆量根据垮落岩块孔隙率及碎胀系数确定；通过在工作面后方、在工作面上位巷道或者在工作面两侧巷道实施的定向钻孔对基本稳定的垮落区进行滞后注浆充填，在垮落带矸石空隙在未被压实之前注浆，对垮落带进行固结，定向钻孔先指向垮落区顶板上方钻进，之后在顶板中水平钻进，最后在指向待填充的垮落区定向实施多个出浆孔，定向钻孔在顶板水平钻进部分在注浆过程中同时封堵裂隙并加固顶板；在采空区垮落矸石碎胀系数最大时，向空隙内注浆，在垮落带矸石空隙未被压实之前停止注浆；充填浆液对垮落带进行固结形成对顶板的承压滞后充填体，与采煤平行作业的同时，达到控制岩层移动与保水开采地目的；
具体包括以下步骤：
步骤一、分析采煤区的地质探查钻孔柱状资料，得到开采区域顶板岩层赋存条件及各覆岩层的物理力学特性参数，确定采区覆岩含水层与垮落带、裂隙带的相对关系，保证充填前顶板垮落和裂隙范围不波及到含水层；
步骤二、由于现场煤矿地质开采的复杂性，采用钻探或物探方式对煤层采空区进行探测，将探测数据进行零点标定、去噪、滤波、增益等处理，得到采空区顶板探测图像，清晰地反映顶板岩层的垮落情况，反演得到顶板垮落形态，分析采空区上覆岩层结构特征；
第三步、运用数值模拟获得采空区垮落顶板的形态特征，验证采空区垮落顶板形态的存在性与合理性；结合工程背景及采空区上覆岩层结构特征，根据垮落带和裂隙带高度计算，得到垮落带高度为12.8～15.6m；综合分析数值模拟得出的垮落带最大高度，确定垮落带最大高度为15.6m；考虑垮落带与采高关系及矿山地质资料，对比顶板垮落形态反演得到的垮落带高度，现场观测并计算充满采空区所需冒落岩层的厚度为14.8m，取冒落安全系数为1.2，确定注浆充填高度为18m；
第四步、通过采空区垮落岩块覆岩应力监测，得到实时应力监测数据与应力分区表达式拟合相关参数值，建立滞后充填区垮落岩块应力-到工作面煤壁距离分布模型，根据岩石碎胀系数与轴向压力关系，得到滞后充填区垮落岩块碎胀系数分布模型；根据等价充填高度，确定临界充填碎胀系数为1.35，根据顶板临界冒落跨度与采空区垮落岩块碎胀特性分布特征确定采煤工作面与充填工作面之间的滞后充填距离为10.5m；
步骤五、参考煤矿井下注浆材料性能测试国家标准，开展室内试验及采空区垮落岩块运移相似材料模型实验，分析浆液注浆量与垮落破碎矸石孔隙率的关系、浆液注浆量与破碎矸石碎胀系数的关系、浆液注浆量与矸石体轴向压应力的关系，获得形成滞后充填体所需的充填浆液注浆量；
依据室内实验与数值模型计算，确定浆液扩散半径、扩散速度与充填浆液配比，根据工程需要，充填浆液的扩散半径由浆液在垮落带破碎岩块中的扩散半径决定，由数值模拟得到充填浆液在4个大气压出口压力作用下的扩散半径，在水平方向上为15～20m，在竖直方向上为10m左右，必要的时候在浆液中添加石灰，增加充填体的强度，降低泌水率。
按先稀后浓再稀的原则注浆充填，根据注充过程中采空区向工作面的流水情况、支架后方垮落岩块对支架的水平推力以及注浆时注浆管的极限抗压强度确定注充压力，最高注充压力为6MPa；充填度为68～80％，泌水后的垮落带充填度保证在50％以上。
步骤六、通过电液伺服三轴岩石力学实验系统对顶板岩块试样及充填形成的滞后充填体试样进行全应力应变过程渗透实验，明晰不同岩性顶板全应力应变渗透性规律，确定开采过程覆岩块三向应力状态渗透系数与应力应变的相关关系，建立应力应变-渗透系数三维耦合模型；分析承压滞后充填体的变形规律，建立其力学本构方程，由已知的工作面参数、顶板参数及求得的材料响应函数计算得到梁的最大挠度，确定承压滞后充填体最大压缩变形量，即覆岩压力作用下注充全采后的顶板下沉量为602.97mm，同时作为调整充填浆液配比的参考。
第七步、根据孔隙率与碎胀系数的关系和覆岩下沉规律，建立采空区冒落带与裂隙带带岩块孔隙率和渗透性分布计算模型，评价采空区顶板岩块孔隙率及渗透性分布，分析采空区冒裂带裂隙带岩块渗透性水平分区和垂直分带，进行矿山现场采空区积水的探放水试验，获取采空区垮落岩块孔隙率的经验值，为采空区垮落带与裂隙带岩块孔隙率-渗透性评价提供工程数据支撑。
第八步、根据开采工作面生产状况，注浆作业采用定向钻孔或工作面上位巷道至垮落破碎岩块上部的方式，密切监测注浆管路上布设的注浆流量计，待浆液已完全充填注浆区岩块间的空隙，且与顶板接触面积达到设计要求，根据保护含水层的需要，井下涌水量无显著增加，证明充填效果较好时，停止注浆。为了防止意外堵管并便于利用清水冲洗，在注浆管的坡度交变部位设置放水阀。
由浆液在垮落带破碎矸石中的水平扩散半径及老顶破断距确定注浆孔走向位置与间距，老顶破断距(即周期断距)为12～16m；注浆孔位置，在煤层走向方向上，第一个注浆孔位置到开切眼距离定为10m，最后一个注浆孔位置到停采线距离定为10m，注浆孔的间隔距离定为15m；在煤层倾斜方向上，第一个注浆孔位置到进风巷15m，其余的注浆孔依次在垂直于走向的平面上布置，间距为20～25m，最后一个注浆孔位置距运输巷道20m。
上位注浆巷道沿走向布置，随着工作面的推进，呈倒推式逐渐缩短至停采线；在倾向方向上，由于煤层倾角为12.3°，注浆巷道向上山方向移动适当距离，偏移走向中心线的距离约为10m；上位注浆巷总长度179m，端头距离开切眼距离8m，停采线上方注浆巷道距离停采线中心3m，防止超前压力破坏注浆巷道；工作面停采线以内每隔30m掘一躲避硐，作为探水和避灾使用。
注浆巷道断面宽度3.8m，高度2.7m，顶梁采用圆钢制成的梯子梁，顶锚杆为高强度左螺旋螺纹钢锚杆，排距为1.5×1.5m，巷帮采用普通钢筋锚杆支护，排距为1.5×1.5m，在煤层厚度变化处必要时加金属菱形网辅助支护。
第九步、密切关注该采空区处置方式的保水效果，通过打检查孔进行放水试验检验充填效果，检查孔位置设置在距离注浆孔较远的位置，获得薄弱区域的注浆效果；若发现保水效果不佳，可以利用检查孔注入浆液(即补孔注浆)，最终需要封堵好检查孔，避免地下水从未密封好的检查孔突水；依据所述滞后充填距离，开展下一阶段开采及注浆作业，实现煤炭开采与采空区充填互不干扰预期目标。

Claims (11)

1.一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：根据煤层开采后采空区顶板的自然垮落形成近完全充填采空区的状况，利用垮落岩石的碎胀性，在靠近工作面一侧，确定滞后充填距离L，滞后充填距离L根据临界冒落跨度、垮落岩石形态及垮落岩块碎胀系数分布特征确定；充填的最大高度根据覆岩结构特征与垮落带高度以及直接顶充满采空区的厚度确定；充填浆液的流动特性根据浆液在垮落带中扩散特征模拟研究确定；充填注浆量根据垮落岩块孔隙率及碎胀系数确定；通过在工作面后方、在工作面上位巷道或者在工作面两侧巷道实施的定向钻孔对基本稳定的垮落区进行滞后注浆充填，在垮落带矸石空隙在未被压实之前注浆，对垮落带进行固结，定向钻孔先指向垮落区顶板上方钻进，之后在顶板中水平钻进，最后在指向待填充的垮落区定向实施多个出浆孔，定向钻孔在顶板水平钻进部分在注浆过程中同时封堵裂隙并加固顶板；在采空区垮落矸石碎胀系数最大时，向空隙内注浆，在垮落带矸石空隙未被压实之前停止注浆；充填浆液对垮落带进行固结形成对顶板的承压滞后充填体，与采煤平行作业的同时，达到控制岩层移动与保水开采地目的；
具体步骤如下：
步骤一、分析采煤区的地质探查钻孔柱状资料，得到开采区域顶板岩层赋存条件及各覆岩层的物理力学特性参数；通过钻探或物探的方式探测煤层采空区垮落顶板形态，分析采空区顶板岩层的垮落情况，反演得到顶板垮落形态，确定采区覆岩含水层与垮落带、裂隙带的相对位置关系，保证充填前顶板垮落和裂隙范围不波及到含水层；通过采高与垮落带、裂隙带的关系及实际煤矿的开采地质资料，对比顶板垮落形态探测反演，根据不同的覆岩结构类型确定不同位置垮落带的最大高度；由直接顶与老顶之间的空隙与直接顶垮落后的堆积高度确定冒落岩层充满采空区的厚度，并确定充填高度；
步骤二、通过采空区垮落岩块覆岩应力监测，结合理论分析与数学建模，得到实时应力与应力分区表达式的拟合相关参数，由覆岩垮落带和裂隙带结构特征，划分垮落岩块应力变化与碎胀系数分区，推导垮落岩块各分区应力变化规律；根据基岩层的下沉量，划分采空区垮落岩块应力区为：低应力区、应力升高区和应力平稳区，建立低应力区、应力升高区和应力平稳区采空区垮落岩块应力与到工作面开采煤壁距离的关系；根据采空区垮落岩块碎胀系数与覆岩轴向压力的数学关系，推导得到不同位置垮落岩块碎胀特性空间分布，分析各分区垮落岩块碎胀特性分布特征，建立滞后充填区垮落岩块碎胀系数分布模型；根据等价充填高度，确定临界充填碎胀系数；根据顶板临界冒落跨度与采空区垮落岩块碎胀特性分布特征确定采煤作业位置与充填作业位置之间的滞后充填距离L；根据垮落岩块碎胀系数在采空区的分布特征确定顶板临界冒落跨度；
所述采空区垮落岩块碎胀系数kp与工作面开采煤壁距离l关系为：
Figure FDA0003725430220000021
式中，α、β为与采空区覆岩应力有关的回归系数；c、d为覆岩应力测定协调参数；ΔE为与覆岩结构类型有关的补偿参数；
步骤三、若采煤工作面附近存在可施工注浆充填的巷道，则选择在该巷道上向或斜向上定向钻孔至裂隙带，继而水平钻进直至垮落区顶板，然后再施工向垮落区注浆的钻孔，对垮落区进行注浆，钻孔钻进高度需要至少大于采空区高度的3倍，通过裂隙带指向垮落区的裂隙或者实施指向垮落区的定向钻孔，在碎胀系数最大或者垮落区基本稳定时，向下进行目标位置的注浆；若采煤工作面附近不存在可施工钻孔巷道，则选择在巷道内斜向上施工注浆钻孔至裂隙带，水平钻进至垮落区顶板，然后再施工向垮落区注浆的钻孔，对垮落区进行注浆，钻孔钻进高度至少大于采空区高度的3倍，在碎胀系数最大或者垮落区基本稳定时，自裂隙带向下或者实施指钻孔进行目标位置注浆形成承压滞后充填体；
第四步、根据垮落区破碎岩块的块度不同，浆液带压注充情况下最多只能充填碎胀体积的50～95％，即注充量与碎胀岩块体积的比值的充填度γ＜1.0，利用下式确定施工一次滞后充填的注浆量V注为：
V注＝(V采+V顶)-kpV顶+γ(kp-1)V顶＝V采-V顶(kp-1)(1-γ)
式中V注为充填浆液的注充量；V采为煤层开采体积；V顶为煤层开采时冒落的顶板原始体积；kp为岩块碎胀系数；
按定义充填度γ＝V注/(kp V顶)，得到：
V注＝V采·kp/(kp－1)－kp V顶；
步骤五、根据三轴压缩渗透实验，分析开采过程煤层上覆不同岩性岩石及充填后形成的承压滞后充填体的全应力-应变-渗透性规律，得到顶板采动裂隙岩体渗透系数与应力应变三维耦合模型，分析充填后的承压滞后充填体的变形规律，确定承压滞后充填体最大压缩变形量；
步骤六、结合采煤工作面生产状况，注浆作业采用定向钻孔或工作面上位巷道至垮落破碎岩块上部的方式；根据保护含水层、岩层控制以及地表沉陷控制需要，确定充填浆液配比、注浆位置与间距及注浆工艺；根据注浆过程中采空区向工作面的流水情况、支架后方垮落岩体对支架的水平推力与注浆时注浆管的极限抗压强度，确定注浆压力；待充填范围达到预定要求时停止注浆。
2.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤一中，通过钻探、物探反演结果，分析采空区垮落顶板形态典型特征，通过材料力学分析与矿压理论分析，确定采空区垮落顶板形态形成机理和动态演化，得到采空区上覆岩层垮落带和裂隙带结构特征，为确定垮落带最大高度提供依据。
3.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤一中，所述采煤作业位置与充填作业位置之间的滞后充填距离
Figure FDA0003725430220000031
式中，L为滞后充填距离；Q为老顶岩层梁所承受的载荷；RT为该处岩层的抗拉强度极限；H为老顶岩层厚度；k为保险系数，k＝0.5～0.8。
4.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤一中，所述直接顶与老顶之间的空隙Δ＝M-Σh(kp-1)，式中M为开采煤层的厚度，Σh为岩层垮落厚度；Δ接近于零时，冒落岩层将充满采空区，此时，老顶的弯曲下沉量可忽略不计，所述岩层垮落厚度即为充填高度为
Figure FDA0003725430220000032
式中h’为冒落安全系数，h'＝1～1.5。
5.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤二中，顶板岩层在上覆岩层的作用下，因采动影响而产生矿山压力，通过实时监测得到顶板的破断规律，实时监测顶板和巷道的变形情况以及充填体的受力情况，及时掌握充填开采工作面矿山压力显现分布规律，为确定临界充填碎胀系数提供依据。
6.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤二中，结合悬臂梁及弹性地基梁理论，分析采空区垮落岩块应力变化规律，根据基岩层的下沉量，划分采空区垮落岩块应力区为：低应力区、应力升高区和应力平稳区，确立各分区垮落岩块应力变化数学模型为：
低应力区垮落岩块应力σI与工作面开采煤壁位置l关系满足：
Figure FDA0003725430220000033
式中：σI为低应力区垮落岩块应力，MPa；l为距煤壁的距离，m；ΔC为补偿参数；a、b为协调参数，由垮落岩块应力测定实验确定；
应力升高区垮落岩块应力σII与工作面开采煤壁位置l关系式为：
Figure FDA0003725430220000041
式中：kg为垮落岩块系数、kc为煤层地基系数，单位为GN/m3；E为基岩梁弹性模量，单位为GPa；I为基岩梁惯性矩，单位为m4；Q为覆岩载荷，单位为MPa；ld为低应力区长度，单位为m，
应力平稳区垮落岩块应力σIII为：
σIII＝Q＝γh
式中：γ为上覆岩层平均体积力，单位为kN/m3；h为煤层埋藏深度，单位为m。
7.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：利用浆液在垮落带破碎岩块中的扩散半径来推算垮落带充填浆液的扩散，根据浆液在垮落带破碎岩块空隙中扩散数值模拟，得到充填浆液在4～6个大气压出口压力作用下的扩散半径，在水平方向上为15～20m，而在竖直方向上则较小，为8～12m。
8.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤六中，结合顶板临界冒落跨度与垮落岩块碎胀系数在采空区内的分布特征，采煤工作面与充填工作面之间的滞后充填距离控制在0.5～0.8倍顶板临界冒落跨度范围内。
9.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤六中，上位注浆巷道沿走向布置，随着工作面的推进，呈倒推式逐渐缩短至停采线；在倾向方向上，注浆巷道根据煤层倾角向上山方向移动，巷道端头距离开切眼距离3～15m，停采线上方注浆巷道距离停采线中心3～5m，防止超前压力破坏注浆巷道。
10.根据权利要求1所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤六中，定向钻孔先由顶部斜向上钻孔至裂隙带，然后，自裂隙带沿斜下方向进行定向钻进至目标注浆位置；
将定向钻孔作为注浆孔，在煤层走向方向上第一个注浆孔位置到开切眼距离定为0.5～1.8倍滞后充填距离，最后一个注浆孔位置到停采线距离定为0.5～1.8倍滞后充填距离，注浆孔的间隔距离定为0.6～2.2倍滞后充填距离；在煤层倾斜方向上，第一个注浆孔位置到运输巷道0.6～2.5倍滞后充填距离，其余的注浆孔依次在垂直于走向的平面上布置，间距为1.5～3.2倍滞后充填距离，最后一个注浆孔位置距运输巷道为0.8～3.2倍滞后充填距离。
11.根据权利要求10所述的一种采空区滞后充填高效保水采煤方法，其特征在于：步骤六中，一个注浆钻孔停止注浆的判别标准为，同时满足充填量已达到滞后充填最大注充量，且与顶板接触面积达到70％以上，根据保护含水层的需要，井下涌水量无显著增加，证明充填效果较好时，完成注浆作业。
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