一种适用于无损采矿的采空区充填方法及系统与流程

本发明涉及了充填开采，具体涉及了一种适用于无损采矿的采空区充填方法及系统。

背景技术：

1、在矿区开采过程中，开采后形成采空区，而采空区的形成会使周边一定范围的岩体应力重新分布，导致岩石变形、破坏和移动，给日常生产埋下安全隐患。随着开采强度和工作面推进速度提升，矿区工作面出现突发性动力失稳现象的频率显著提高，尤其是会发生矿井工作面大面积顶板的来压灾害。煤岩动力失稳灾害现象主要包括采场大面积顶板来压、冲击地压、切顶以及冒顶片帮等现象，这些灾害现象均具有强劲的动力失稳特征，严重是会导致采场乃至整个矿区发生矿震事故。而来压灾害是指当采煤工作面继续推进，基本顶露的跨度达到一定长度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下发生破裂和折断，并随工作面的推进逐渐垮落的现象。来压灾害发生时，工作面顶板下沉量和下沉速度激增，同时顶板破碎，导致裂隙加大，采空区局部冒顶，煤壁严重片帮。如果在来压灾害发生前不采取及时有效的保护措施，来压的发生将会对工作面上的人员和设备造成不可估量的伤害和损失。

2、为了避免采空区出现塌落、区域内部地表面积大面积下沉出现来压灾害，当前采用多种方式处理采空区。煤矿井下充填作为采空区的一项处理措施，该方法主要利用废石或矿尾砂作为主要充填骨料，通过充填技术将充填料自流或加压充填值井下采空区，用充填料支撑围岩减缓或组织围岩的变形。充填法处理采空区一直以来都发挥着控制地表移动变形、防止地表沉陷超过规定限值的作用，然而这种传统的充填开采技术仅仅是使充填体发挥被动抗体的作用，防止近场岩体在低应力条件下发生空间上的渐进破坏，无法缺乏对工作面顶板动力失稳灾害区域进行主动治理的能力。

技术实现思路

1、本发明提供了一种适用于无损采矿的采空区充填方法及系统，目的在于解决了当前的充填采空区方式缺乏对工作面顶板动力失稳灾害区域进行主动治理的能力的问题。

2、本发明的目的是由以下技术方案实现的：

3、一种适用于无损采矿的采空区充填方法，包括：

4、对工作面岩梁顶板的动力失稳区域进行来压步距预测，确定初次来压、周期来压的发生位置和终止位置，并确定初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距；

5、根据预测的初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距的结果，选取对应的充填体在岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距对应的区域内进行充填作业，直至工作面的充填作业全部完成。

6、作为本发明的进一步改进，所述来压预测的方式为：根据顶板初次来压覆岩破断的形式，结合同一岩梁下初次来压步距与周期来压步距之间的关系，计算出该岩梁顶板的初次来压步距与周期来压步距，并确定初次来压、周期来压的发生位置与终止位置。

7、作为本发明的进一步改进，来压预测方法还包括：通过已获得的初次来压步距与周期来压步距与岩梁运动基本参数之间的关系，分别确定出初次来压和周期来压情况下的岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距。

8、作为本发明的进一步改进，选取充填体的方式为：当工作面的推进距离达到预测的岩梁相对稳定步距时，对处于岩梁运动过程中的显著运动区域内的采空区采用强化充填体进行充填作业，强化充填的距离为初次来压或周期来压情况对应的岩梁显著运动步距；

9、当工作面的推进距离达到预测的岩梁显著运动步距时，对处于相对稳定区域内的采空区采用常规充填体进行充填作业，所述强化充填体的强度大于常规充填体的强度、强化充填体的接顶率大于常规充填体的接顶率。

10、作为本发明的进一步改进，在岩梁初次运动阶段，岩梁顶板的初次来压步距的计算公式为：

11、d1＝a0+b0

12、式中，d1为初次来压步距，a0为初次来压岩梁显著运动步距，b0为初次来压岩梁相对稳定步距。

13、作为本发明的进一步改进，初次来压岩梁相对稳定步距指的是岩梁端部开裂的极限跨度，所述岩梁端部开裂的极限跨度的计算公式为：

14、

15、式中，l0为岩梁端部开裂的极限跨度，m1为基本顶岩层厚度，[σt]为基本顶岩层的允许拉应力,m2为基本顶上层的岩层厚度，γ为直接顶及基本顶的平均重力密度。

16、作为本发明的进一步改进，岩梁顶板的周期来压步距的计算方式为：根据岩梁的支撑条件和受力情况，通过周期来压步距与初次来压步距的比值范围得到，所述周期来压步距与初次来压步距的比值范围是1/4～1/3。

17、作为本发明的进一步改进，岩梁顶板的周期来压步距、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距之间的关系为：

18、d2＝a+b

19、式中，d2为岩梁顶板的周期来压步距，a为周期来压情况下岩梁显著运动步距，b为周期来压情况下岩梁相对稳定步距。

20、作为本发明的进一步改进，周期来压岩梁相对稳定步距根据周期来压前采煤工作面顶板下沉量计算得到，计算公式为：

21、

22、`

23、l＝la+b≈d2+b

24、式中，δh'i为周期来压前采煤工作面顶板下沉量，lk为控顶距，h为开采高度，mz为直接顶厚度，ka为已垮落岩层的碎胀系数，l'为周期来压前夕岩梁的极限跨度，la为支架对岩梁运动不进行限制来压结束时岩梁的最小跨度，b为周期来压岩梁相对稳定步距。

25、本发明的有益效果在于：本发明的适用于无损采矿的采空区充填方法，通过对工作面岩梁顶板的动力失稳区域进行来压步距预测，得到初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距，根据预测结果，在工作面的推进距离达到预测的岩梁相对稳定步距时，对显著运动区域进行强化填充工作，在工作面的推进距离达到预测的岩梁显著运动步距时，采用常规充填体进行充填作业，强化充填在原有充填体基础上进一步加大充填体的强度与接顶率，进而改变了采场围岩的应力状态，增强了围岩的支撑能力。通过本发明的方法，随着强化充填的进行，充填体整体强度提高，充填体吸收和转移应力的能力增强，围岩变形得到进一步控制，围岩能量耗散速度得到了减缓，矿山结构和围岩的破坏发展得到了控制，从而大大改善了采场覆岩的稳定性。

26、本发明的一种适用于无损采矿的采空区充填系统，包括预测模型和充填模块，所述预测模型用于对工作面岩梁顶板的动力失稳区域进行来压步距预测，确定初次来压、周期来压的发生位置和终止位置，并确定初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距，所述充填模块用于根据预测的初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距的结果，选取对应的充填体在岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距对应的区域内进行充填作业，直至工作面的充填作业全部完成。

技术特征：

1.一种适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，所述来压预测的方式为：根据顶板初次来压覆岩破断的形式，结合同一岩梁下初次来压步距与周期来压步距之间的关系，计算出该岩梁顶板的初次来压步距与周期来压步距，并确定初次来压、周期来压的发生位置与终止位置。

3.根据权利要求2所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，来压预测方法还包括：通过已获得的初次来压步距与周期来压步距与岩梁运动基本参数之间的关系，分别确定出初次来压和周期来压情况下的岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距。

4.根据权利要求1所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，选取充填体的方式为：当工作面的推进距离达到预测的岩梁相对稳定步距时，对处于岩梁运动过程中的显著运动区域内的采空区采用强化充填体进行充填作业，强化充填的距离为初次来压或周期来压情况对应的岩梁显著运动步距；

5.根据权利要求2所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，岩梁顶板的初次来压步距的计算公式为：

6.根据权利要求2或3所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，初次来压岩梁相对稳定步距等于岩梁端部开裂的极限跨度，所述岩梁端部开裂的极限跨度的计算公式为：

7.根据权利要求2或3所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，岩梁顶板的周期来压步距的计算方式为：根据当前岩梁的支撑条件和受力情况，通过周期来压步距与初次来压步距的比值范围得到，所述周期来压步距与初次来压步距的比值范围是1/4～1/3。

8.根据权利要求2或3所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，岩梁顶板的周期来压步距、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距之间的关系为：

9.根据权利要求8所述的适用于无损采矿的采空区充填方法，其特征在于，周期来压岩梁相对稳定步距根据周期来压前采煤工作面顶板下沉量计算得到，计算公式为：

10.一种适用于无损采矿的采空区充填系统，其特征在于，包括预测模型和充填模块，所述预测模型用于对工作面岩梁顶板的动力失稳区域进行来压步距预测，确定初次来压、周期来压的发生位置和终止位置，并确定初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距，所述充填模块用于根据预测的初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距的结果，选取对应的充填体在岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距对应的区域内进行充填作业，直至工作面的充填作业全部完成。

技术总结
本发明涉及了充填开采技术领域，具体涉及了一种适用于无损采矿的采空区充填方法及系统。方法包括对工作面岩梁顶板的动力失稳区域进行来压步距预测，确定初次来压、周期来压的发生位置和终止位置，并确定初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距，根据预测的初次来压、周期来压情况下岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距的结果，选取对应的充填体在岩梁显著运动步距和岩梁相对稳定步距对应的区域内进行充填作业，直至工作面的充填作业全部完成。本方法能够对工作面顶板岩梁显著运动区域进行主动治理，改善了采场覆岩的稳定性。

技术研发人员：胡昕,陈新泽,杨生彬,饶虎,张宏斌,刘志伟,耿方方,卫立甲
受保护的技术使用者：中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18