[发明专利]控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面，属于煤炭开采充填领域。

背景技术

随着我国煤炭开采强度的不断增加，因开采造成的地面下沉对环境的影响日益突出；而随着开采时间的延长，浅部(600米以上)可采储量越来越少，深部开采的生产成本和安全成本越来越高。如何有效解决因采煤塌陷造成的环境影响和有效利用因“三下”压煤目前尚无法开采的浅部资源，是当前煤炭行业面临的重要课题。

防止开采引起的地面沉降、塌陷，保护地面建筑物及附着物，已知的开采方法有三种：其一是房柱式开采，它是将被开采煤体开采成比较规则的房柱状，通过留设的矿房间柱、区段隔离煤柱等支撑上覆岩层重量，而达到控制顶板岩层破坏与垮落，减小采动对地面建(构)筑物影响的目的。房柱式开采的煤炭资源回收率低于40％，而且支护手段欠缺，易发生冒顶事故，我国目前应用的极少。其二是充填开采，它是用矸石、黄土、河沙等材料充填采空区，阻止顶板岩层冒落破坏的发展与扩大，最终达到减缓地表沉陷，保护地面建(构)筑物的目的。如专利公开号为CN1936271A的“煤矿矸石充填无煤柱开采工作面采空区的方法”，公开了一种将煤矿矸石通过运输机和皮带等机械充填到采空区的办法。这类方法受材料、设备、工艺的局限，充填物无法密实的充满采空区，而且该方法在采空区作业的设备和人员都无法在安全有效的支护条件下作业，所以在防止地表沉陷上仍有较大局限。其三是条带开采并附以矸石充填的方式，它是将被开采的煤层划分成规则的条带状，采一条，留一条，通过减小开采块段内煤层绝对开采面积，而达到减小地表移动和变形，保护地面建(构)筑物的目的。如专利公开号为CN1483921A的“洞穴填充采煤方法”、专利公开号为CN1952349A的“利用矸石置换村庄下压煤的开采方法”、专利公开号为CN1963149A的“建筑物下矸石置换条带煤柱的开采方法”等，公布的方法就属于此类。这类方法的煤炭回收率低，小于50％，虽然附以矸石回填的办法，对减缓地面沉降有一定的效果，但是从资源回收率极低和开采成本增加很多、安全性差等方面考虑就有些得不偿失了。还有如专利公开号为CN1410655A的“建筑物或构筑物下压煤大条带协调式全部开采方法”中，公布的是一种先进行跳采，再将跳采所留的煤层区段同时进行快速强采的方法，它也是条带开采的一种，虽然这种方法的回采率有了很大提高，但是地表沉陷的不均匀性仍然较大，而且关键的后期强采阶段在不同地区和煤层条件下的地表移动变形是很难得到保证的，因此，能否达到预期的沉降效果的影响因素较大，存在较大风险。

综上所述，目前国内、外尚没有一种煤层开采后有效控制上覆岩层移动变形，防止地表沉降、避免影响环境的顶板控制方法。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种能够利用上覆岩层岩性、通过高水膨胀材料条带式部分充填的方法有效控制煤层开采后上覆岩层的移动变形、解决“三下”压煤的开采回收率低及安全程度低等问题的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，尤其适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行：

(1)分析煤层顶板岩性特征，找出开采后对地表沉降变形起主要作用的岩层——关键层，通过理论计算和实际观测，确定关键层的极限跨度L和安全跨度M，根据充填材料的支撑强度，计算确定充填条带宽度N；

(2)布置充填条带：垂直或平行于采煤工作面间隔布置充填条带，使M+N≤L；

所述充填条带的充填材料选用高水膨胀材料，该高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1∶1.2～1.5，膨胀率为10～30％，各原料按以下配比组成：

粉煤灰  300～400kg/m³

膨胀剂  0.2～1kg/m³

延缓剂  0.6～0.8kg/m³

固化剂  30～100kg/m³

水      800～1000kg/m³

其中，所述的膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。

通过高水膨胀充填材料，可以满足及时充填、充分接顶、快速凝固的要求，充填条带和关键层会对上覆岩层进行有效的支撑，就像桥墩和桥梁一样，从而达到控制地表变形、保护地面建筑物和附着物的目的。