CN117189228A - 一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，以控制采场覆岩的变形、破断与运动，减弱煤岩体的应力集中与能量积聚为目的，以采区的不同层位诱冲岩层作为防冲协作立体充填控制目标，采用区域不同位置防冲协作充填方法配合，高位充填调控大范围应力、中低位充填调整小范围结构，共同协调控制不同层位的岩层能量集聚及释放，形成多层位采动空间防冲协作立体充填方法。本发明方法适用于大型断层构造、巨厚上覆岩层、孤岛煤柱等引起的冲击地压，支护、卸压等人工措施难以有效防治冲击地压灾害等场景，通过本发明有效限制岩层的变形、破断与运动，减弱煤岩体的应力集中与能量积聚，降低岩层损伤，从而实现从源头治理冲击地压灾害的目标。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿充填开采技术领域，具体涉及一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，尤其适用于大型断层构造、巨厚上覆岩层、孤岛煤柱等引起的冲击地压，支护、卸压等人工措施难以有效防治冲击地压灾害等矿山场景使用。
背景技术
煤矿冲击地压灾害防治主要有三种途径：支护、卸压和充填。然而，对于大型断层构造、巨厚上覆岩层、孤岛煤柱等引起的冲击地压，支护、卸压等人工措施难以有效防治冲击地压灾害。且低位充填防冲方法，因工艺技术和地质条件等原因难以达到设计充实率，无法完全控制覆岩的能量的集聚和释放，另外单一中位充填防冲方法以及高位充填防冲方法，覆岩控制效果有限，难以达到煤矿冲击地压灾害防治目标。
综上，单一的低位充填防冲方法、中位充填防冲方法或高位充填防冲方法，仅能缓解或者减弱覆岩的冲击倾向性，其各有优缺点但尚未形成优势互补的组合，未能形成多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种可充分利用现有成熟充填技术和控制地表沉陷的有效充填空间、有效限制岩层的变形、破断与运动，减弱煤岩体的应力集中与能量积聚，降低岩层损伤，从而实现从源头治理冲击地压灾害的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法。
为了实现这一目的，本发明采用的技术方案是：
一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，以采区的不同层位诱冲岩层作为防冲协作立体充填控制目标，采用区域不同位置防冲协作充填方法配合，高位充填调控大范围应力、中低位充填调整小范围结构，共同协调控制诱冲关键层变形、破断、能量集聚及释放，形成多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法；
所述不同层位诱冲岩层，包括亚诱冲关键层和主诱冲关键层；在层位上，亚诱冲关键层位于关键层以下标高，主诱冲关键层位于关键层及其以上标高层位；
所述区域不同位置防冲协作充填方法包含低位充填防冲方法、中位充填防冲方法以及高位充填防冲方法，具体协作方法如下：
S1、基于诱冲指数对煤层上覆多层坚硬岩层进行诱冲性判定，判定亚诱冲关键层和主诱冲关键层及其层位；
S2、采区内工作面开采初期，以亚诱冲关键层为控制目标，以低位充填防冲方法、中位充填防冲方法为方法措施，将充填材料输送至煤炭开采形成的采空区及导水裂隙带的裂隙中，控制所述亚诱冲关键层的变形程度，减小亚诱冲关键层能量积聚；
S3、当亚诱冲关键层致灾能量的积聚呈现局部能量集聚时，采用低位充填防冲方法减小亚诱冲关键层能量积聚；
S4、若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递随工作面开采即直接传递至采场，则在低位充填防冲的同时采用中位充填防冲减缓其能量释放与传递；
若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递，随工作面开采滞后工作面位置一个工作面长的长度及以上传递至采场，则中位充填防冲滞后于低位充填防冲方法一个周期来压步距进行充填控制协同减缓亚诱冲关键层能量释放与传递；
S5、随着采区持续开采，以主诱冲关键层为控制目标，当强度准则判别指数F强、能量准则判别指数F能和冲击倾向性准则判别指数F冲三个指数均大于0.5时且不超过1时，采用高位充填防冲方法控制主诱冲关键层的应力集中与能量积聚；
S6、持续地进行现场监测分析诱冲层变形、应力分布及能量变化规律，对控顶充实率的控制指标和高位充填防冲时机进行反馈，从而完成多层位采动空间防冲协作立体充填开采。
步骤S3中，所述低位充填防冲方法包括采充一体的面充、巷注或域充，具体包括以下三种情况：
情况一、针对工作面附近能量集聚，采用面充方法弱化能量集聚；
情况二、针对巷道及护巷煤柱附近能量集聚，采用面充方法协同巷注方法弱化能量集聚；
情况三、针对局部地质构造采用域充弱化能量集聚。
步骤S4中的所述中位充填防冲包括采充分离的灌注式或孔注式。
步骤S5中，所述高位充填防冲方法包括地面下向垂直式和地面定向孔注式两种模式，以主诱冲关键层为控制目标，将充填材料输送至主诱冲关键层与下伏软岩之间产生的离层空间内，减小所述主诱冲关键层弯曲变形量，并减缓主诱冲关键层已积聚的能量向下伏煤系岩层释放强度，弱化工作面煤岩体超前支承应力集中程度降低坚硬覆岩诱发冲击地压灾害风险。
所述调控大范围应力是指以高位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的离层空间、裂隙空间，协调控制整个采区的基本顶和关键层应力集中与能量积聚减弱。
所述调整小范围结构是指以低位充填防冲方法和中位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的采空区、垮落带裂隙空间，形成采空区充填体、垮落带充填岩层混合体同围岩协同控顶的防冲结构。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比有以下优点：以充填材料多层位充填采动空间克服了传统单一煤矿冲击地压灾害防治措施防冲效果控制不佳，防冲控制范围从单一工作面扩大到了整个采场，有利的改善围岩特性，削弱冲击倾向性，增加围岩阻尼，实现了从源头治理冲击地压灾害的目标，本发明在防冲领域具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法示意图；
图2是本发明的一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法配合流程图；
图中：
1-底板岩层；2-顶板岩层；3-矸石仓；4-矸石；5-注浆管路；6-搅拌机；7-蓄水池；8-矸石粉仓；9-充填泵；10-主诱冲关键层；11-亚诱冲关键层；12-离层区；13-注浆充填工作面；14-注浆钻孔；15-隔离煤柱；16-采空区；17-固体充填工作面。
具体实施方式
下面对本发明专利的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明专利的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明专利的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，以采区的不同层位诱冲岩层作为防冲协作立体充填控制目标，采用区域不同位置防冲协作充填方法配合，高位充填调控大范围应力、中低位充填调整小范围结构，共同协调控制诱冲关键层变形、破断、能量集聚及释放，形成多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法；
所述不同层位诱冲岩层，包括亚诱冲关键层和主诱冲关键层；在直接顶上方，对整个采区煤体冲击危险性起控制作用，诱发采区冲击地压灾害的坚硬岩层被称为主诱冲关键层，在直接顶上方，对工作面煤体冲击危险性起控制作用，诱发采场冲击地压灾害的坚硬岩层被称为亚诱冲关键层；在层位上，亚诱冲关键层位于关键层以下标高，主诱冲关键层位于关键层及其以上标高层位。
所述区域不同位置防冲协作充填方法包含低位充填防冲方法、中位充填防冲方法以及高位充填防冲方法，具体协作方法如下：
S1、基于诱冲指数对煤层上覆多层坚硬岩层进行诱冲性判定，判定亚诱冲关键层和主诱冲关键层及其层位；
S2、采区内工作面开采初期，以亚诱冲关键层为控制目标，以低位充填防冲方法、中位充填防冲方法为方法措施，将充填材料输送至煤炭开采形成的采空区及导水裂隙带的裂隙中，控制所述亚诱冲关键层的变形程度，减小亚诱冲关键层能量积聚；
S3、当亚诱冲关键层致灾能量的积聚呈现局部能量集聚时，采用低位充填防冲方法减小亚诱冲关键层能量积聚；
S4、若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递随工作面开采即直接传递至采场，则在低位充填防冲的同时采用中位充填防冲减缓其能量释放与传递；
若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递，随工作面开采滞后工作面位置一个工作面长的长度及以上传递至采场，则中位充填防冲滞后于低位充填防冲方法一个周期来压步距进行充填控制协同减缓亚诱冲关键层能量释放与传递；
S5、随着采区持续开采，以主诱冲关键层为控制目标，当强度准则判别指数F强、能量准则判别指数F能和冲击倾向性准则判别指数F冲三个指数均大于0.5时且不超过1时，采用高位充填防冲方法控制主诱冲关键层的应力集中与能量积聚；
强度准则:
能量准则:
冲击倾向性准则:
具体公式定义可见，牟宗龙，窦林名，李位民.顶板岩层诱发冲击矿压的机理[M].徐州:中国矿业大学出版社,2013。
S6、持续地进行现场监测分析诱冲层变形、应力分布及能量变化规律，对控顶充实率的控制指标和高位充填防冲时机进行反馈，从而完成多层位采动空间防冲协作立体充填开采。
优选的，步骤S3中，所述低位充填防冲方法包括采充一体的面充、巷注或域充，具体包括以下三种情况：
情况一、针对工作面附近能量集聚，采用面充方法弱化能量集聚；
情况二、针对巷道及护巷煤柱附近能量集聚，采用面充方法协同巷注方法弱化能量集聚；
情况三、针对局部地质构造采用域充弱化能量集聚。
优选的，步骤S4中的所述中位充填防冲包括采充分离的灌注式或孔注式。
优选的，步骤S5中，所述高位充填防冲方法包括地面下向垂直式和地面定向孔注式两种模式，以主诱冲关键层为控制目标，将充填材料输送至主诱冲关键层与下伏软岩之间产生的离层空间内，减小所述主诱冲关键层弯曲变形量，并减缓主诱冲关键层已积聚的能量向下伏煤系岩层释放强度，弱化工作面煤岩体超前支承应力集中程度降低坚硬覆岩诱发冲击地压灾害风险。
优选的，所述调控大范围应力是指以高位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的离层空间、裂隙空间，协调控制整个采区的基本顶和关键层应力集中与能量积聚减弱。
优选的，所述调整小范围结构是指以低位充填防冲方法和中位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的采空区、垮落带裂隙空间，形成采空区充填体、垮落带充填岩层混合体同围岩协同控顶的防冲结构。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，以采区的不同层位诱冲岩层作为防冲协作立体充填控制目标，采用区域不同位置防冲协作充填方法配合，高位充填调控大范围应力、中低位充填调整小范围结构，共同协调控制诱冲关键层变形、破断、能量集聚及释放，形成多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法；
所述不同层位诱冲岩层，包括亚诱冲关键层和主诱冲关键层；在层位上，亚诱冲关键层位于关键层以下标高，主诱冲关键层位于关键层及其以上标高层位；
所述区域不同位置防冲协作充填方法包含低位充填防冲方法、中位充填防冲方法以及高位充填防冲方法，具体协作方法如下：
S1、基于诱冲指数对煤层上覆多层坚硬岩层进行诱冲性判定，判定亚诱冲关键层和主诱冲关键层及其层位；
S2、采区内工作面开采初期，以亚诱冲关键层为控制目标，以低位充填防冲方法、中位充填防冲方法为方法措施，将充填材料输送至煤炭开采形成的采空区及导水裂隙带的裂隙中，控制所述亚诱冲关键层的变形程度，减小亚诱冲关键层能量积聚；
S3、当亚诱冲关键层致灾能量的积聚呈现局部能量集聚时，采用低位充填防冲方法减小亚诱冲关键层能量积聚；
S4、若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递随工作面开采即直接传递至采场，则在低位充填防冲的同时采用中位充填防冲减缓其能量释放与传递；
若亚诱冲关键层致灾能量释放与传递，随工作面开采滞后工作面位置一个工作面长的长度及以上传递至采场，则中位充填防冲滞后于低位充填防冲方法一个周期来压步距进行充填控制协同减缓亚诱冲关键层能量释放与传递；
S5、随着采区持续开采，以主诱冲关键层为控制目标，当强度准则判别指数F强、能量准则判别指数F能和冲击倾向性准则判别指数F冲三个指数均大于0.5时且不超过1时，采用高位充填防冲方法控制主诱冲关键层的应力集中与能量积聚；
S6、持续地进行现场监测分析诱冲层变形、应力分布及能量变化规律，对控顶充实率的控制指标和高位充填防冲时机进行反馈，从而完成多层位采动空间防冲协作立体充填开采。
2.根据权利要求1所述的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，步骤S3中，所述低位充填防冲方法包括采充一体的面充、巷注或域充，具体包括以下三种情况：
情况一、针对工作面附近能量集聚，采用面充方法弱化能量集聚；
情况二、针对巷道及护巷煤柱附近能量集聚，采用面充方法协同巷注方法弱化能量集聚；
情况三、针对局部地质构造采用域充弱化能量集聚。
3.根据权利要求1所述的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，步骤S4中的所述中位充填防冲包括采充分离的灌注式或孔注式。
4.根据权利要求1所述的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，步骤S5中，所述高位充填防冲方法包括地面下向垂直式和地面定向孔注式两种模式，以主诱冲关键层为控制目标，将充填材料输送至主诱冲关键层与下伏软岩之间产生的离层空间内，减小所述主诱冲关键层弯曲变形量，并减缓主诱冲关键层已积聚的能量向下伏煤系岩层释放强度，弱化工作面煤岩体超前支承应力集中程度降低坚硬覆岩诱发冲击地压灾害风险。
5.根据权利要求1所述的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，所述调控大范围应力是指以高位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的离层空间、裂隙空间，协调控制整个采区的基本顶和关键层应力集中与能量积聚减弱。
6.根据权利要求1所述的多层位采动空间防冲协作立体充填开采方法，其特征在于，所述调整小范围结构是指以低位充填防冲方法和中位充填防冲方法为措施，以充填体替代采动形成的采空区、垮落带裂隙空间，形成采空区充填体、垮落带充填岩层混合体同围岩协同控顶的防冲结构。
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