采空区控制冒落与地表充填治理方法.pdf

本发明属金属矿床地下开采技术领域，特别是涉及一种采空区控制冒落与地表充填治理方法，它包括用VCR法从采空区地表打充填井，充填采空区，其特征在于按保护地表不允许塌陷区域需要确定凿井充填的参数，有控制地诱导采空区冒透地表形成塌陷区；将充填井布置在同一直立平面或曲面内；在诱导冒落时充填井所在截面切断顶板冒落区的延展，形成冒落边界；在塌陷区稳定之后，用废石充填塌陷区并进行地表整形、覆士与复垦。本发明既降低了采空区处理的难度和费用，同时又解决了施工的安全隐患，可使生产能正常顺利进行。

1.   采空区控制冒落与地表充填治理方法，包括用VCR法从采空区地表打充填井，充填采空区，其特征在于按保护地表不允许塌陷区域需要确定凿井充填的参数，有控制地诱导采空区冒透地表形成塌陷区；将充填井布置在同一直立平面或曲面内；在诱导冒落时充填井所在截面切断顶板冒落区的延展，形成冒落边界；在塌陷区稳定之后，用废石充填塌陷区并进行地表整形、覆士与复垦。

2.  如权利要求1所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：从采空区边缘向内部逐条钻凿充填井，逐条充填；在钻井与充填过渡中，对采空区顶板冒落状态进行监测。

3.  如权利要求2所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：通过预留临时矿柱将采空区隔开，临时矿柱之间采空区的跨度小于顶板围岩的持续冒落跨度，而临时矿柱两侧采空区跨度之和大于顶板围岩的持续冒落跨度；矿柱的宽度为12～18m。

4.    如权利要求3所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：在凿井充填维护住地表不允许塌陷范围之后，一次爆破所有临时矿柱内的诱导冒落区域，使采空区快速冒透地表。

5.  如权利要求4所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：在采空区冒透地表并形成塌陷区后，相隔1～2天，当塌陷区边壁处于稳定状态，塌陷坑底散体不再发生明显移动时，向塌陷区内充填废石，整形后进行客土覆盖。

6.  如权利要求5所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：分两层进行客土覆盖；第一层客土覆盖厚度为0.5-0.7m，平整后覆盖防渗布；接续在防渗布上再进行第二层客土覆盖，其厚度为0.5-0.7m，平整表层进行复垦。

7.  如权利要求6所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：所述充填井的间距为25～40m；充填井的数量大于或等于3，其孔径为3～4m。

8.  如权利要求3～7之任一所述采空区控制冒落与地表充填治理方法，其特征在于：所述顶板围岩的持续冒落跨度L满足下式：

其中，T_C为岩体极限抗压强度；h为空区高度；γ为上覆岩层容重；H为空区顶板埋深。

采空区控制冒落与地表充填治理方法
技术领域
本发明属金属矿床地下开采技术领域，特别是涉及一种采空区控制冒落与地表充填治理方法。
背景技术
在金属矿床地下开采中，顶板围岩滞后冒落形成的采空区，是矿山安全生产的重大隐患。空区突然冒落形成的冲击气浪，可对井下人员与设备造成严重伤害；同时采空区冒落引起的地表陷落，可能危害地表人员、设备、设施、建（构）筑物等。据统计，现今我国采空区灾害是金属矿山发生最频繁的重大灾害之一。导致这一灾害的主要原因是，采空区处理的难度大，常规处理方法（崩落或充填）费用高、施工不安全，且影响生产的正常进行。采空区危害及其治理的难度，已严重困扰许多矿山企业的经济发展。为此，寻求采空区治理新技术，降低治理难度，对金属矿床地下开采、特别深部高效开采意义重大。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中的缺失，而提供一种采空区控制冒落与地表充填治理方法，利用控制冒落与地表充填治理技术处理，即降低了采空区处理的难度和费用，同时又解决了施工的安全隐患，可使生产能正常顺利进行。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
采空区控制冒落与地表充填治理方法，包括用VCR法从采空区地表打充填井，充填采空区；按保护地表不允许塌陷区域需要确定凿井充填的参数，有控制地诱导采空区冒透地表形成塌陷区；将充填井布置在同一直立平面或曲面内；在诱导冒落时充填井所在截面切断顶板冒落区的延展，形成冒落边界；在塌陷区稳定之后，用废石充填塌陷区并进行地表整形、覆士与复垦。
作为一种优选方案，本发明从采空区边缘向内部逐条钻凿充填井，逐条充填；在钻井与充填过渡中，对采空区顶板冒落状态进行监测。
进一步地，本发明可通过预留临时矿柱将采空区隔开，临时矿柱之间采空区的跨度小于顶板围岩的持续冒落跨度，而临时矿柱两侧采空区跨度之和大于顶板围岩的持续冒落跨度；矿柱的宽度为12～18m。
   进一步地，本发明在凿井充填维护住地表不允许塌陷范围之后，一次爆破所有临时矿柱内的诱导冒落区域，使采空区快速冒透地表。
进一步地，本发明在采空区冒透地表并形成塌陷区后，相隔1～2天，当塌陷区边壁处于稳定状态，塌陷坑底散体不再发生明显移动时，向塌陷区内充填废石，整形后进行客土覆盖。
进一步地，本发明可分两层进行客土覆盖；第一层客土覆盖厚度为0.5～0.7m，平整后覆盖防渗布；接续在防渗布上再进行第二层客土覆盖，其厚度为0.5-0.7m，平整表层进行复垦。
进一步地，本发明所述充填井的间距为25～40m；充填井的数量大于或等于3，其孔径为3～4m。
进一步地，本发明所述顶板围岩的持续冒落跨度L满足下式：
L=2
其中，T_C为岩体极限抗压强度；h为空区高度；γ为上覆岩层容重；H为空区顶板埋深。
本发明通过保护地表不允许塌陷区域需要确定凿井充填的参数，可以有控制地诱导采空区冒透地表形成塌陷区；并且在塌陷坑边壁稳定后，用矿山固体废料从边缘向内部快速充填塌陷坑，在充满塌陷坑并经整形后，客土覆盖复垦，完成采空区治理。本发明既降低了采空区处理的难度和费用，同时又解决了施工的安全隐患，可使生产能正常顺利进行。
附图说明
    下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅限于下列内容的表述。
图1为本发明空区矿柱及充填范围确定方法图；
图2为本发明崩落走向矿柱诱导空区自然冒落方案图；
图3-1为本发明塌陷坑近照；
图3-2为本发明塌陷坑远照。
图中：1、上位采空区；2、下位采空区；3、矿柱；4、露天坑保护边坡；5、充填井；6、充填废石；7、诱导工程；8、诱导后冒落线。
具体实施方式
    采空区控制冒落与地表充填治理方法，按如下步骤实施：
在监控条件下从地表充填空区，包括钻井充填保护住地表不允许塌陷部分，其余部分诱导冒落后形成地表塌陷坑，在地表充填塌陷坑，并客土复垦，由此完成地下采空灾害区的安全高效绿色治理。
在地表不允许塌落的部位，按空区形态、充填散体接顶要求，以及空区顶板冒落范围控制要求，确定充填井的位置与数量，保障充填后地表不允许塌陷区得到有效保护，此外，将充填井布置在同一直立平面或曲面内，间距控制在25～40m，且布置3条或3条以上充填井，以便在诱导冒落时，充填井所在截面切断顶板冒落区的延展，形成冒落终止边界。
充填井用VCR法钻孔逐段爆破形成，孔径Φ3～4m，用卡车运输废石倒入充填井快速充填采空区。充填井的施工顺序为从空区边缘向内部逐条施工，钻凿一条充填一条，即在一条充填井凿成后，先将其所负担的采空区与井筒都充满，再开始钻凿下一条充填井并进行充填。
用RG孔壁成像等设备，对VCR钻孔进行探测，根据空区顶板厚度和所揭示的断裂线分布条件，评估空区顶板自然冒透地表的可能性，如果存在自然冒透地表的可能性，在最有可能冒透地表的部位，钻孔监测采空区冒落情况，并建立空区顶板冒落监测系统，保障空区顶板凿井与充填作业的施工安全。
在钻井充填维护住地表不允许塌陷范围之后，在井下崩落支撑空区的矿柱或岩柱，或崩落围岩扩展采空区跨度，诱导采空区冒透地表形成塌陷坑。诱导冒落工程一次性爆破崩落，以确保施工安全。为便于诱导冒落，在矿体开采时，最好预留临时矿柱（或岩柱），使临时矿柱之间采空区的跨度小于顶板围岩的持续冒落跨度，而矿柱两侧采空区跨度之和大于顶板持续冒落跨度。矿柱（或岩柱）的宽度取12～18m，在其内施工诱导工程，一次性崩落临时矿柱诱导采空区顶板自然冒落。临时矿柱的崩落矿石，在其下设置出矿工程快速放出。
在塌陷坑边壁稳定后，在地表按设计标高从塌陷坑边缘向塌陷坑内部充填废石。当整个塌陷范围经过一次或几次充填均达到设计标高、且地下临时矿柱崩落矿石的回收已经结束时，对充填体表面进行整形并客土覆盖。为使充填体沉实后地表土层的最小厚度满足复垦要求，分两层进行客土覆盖，第一层客土覆盖0.5-0.7m，平整后覆盖防渗布，随后在防渗布上按复垦要求的厚度再度客土覆盖，第二层覆土厚度为0.5-0.7m。最后平整覆土造田，实现复垦。
实施例
参见图1所示，某矿露天转地下应用有底柱空场法分上、下两区同时开采，由于顶板围岩滞后冒落，形成了规模较大的采空区，采空区上方的露天坑存放干排尾沙不允许塌落。两区之间留12m宽走向矿柱，矿柱两侧的采空区跨度（L₁=98m，L₂=140m）均小于持续冒落跨度（经研究计算矿山持续冒落跨度为150m），但两侧采空区的跨度之和（238m），远大于采空区围岩的持续冒落跨度。
针对露天坑+350m以下已经堆存干排尾沙不允许塌落，综合考虑地表不允许塌陷范围、空区位置与形状、尾沙排放速度、地表凿井与充填施工方便，以及尽可能降低空区处理费用等因素，选择在+407m台阶上施工充填井。
用VCR法施工充填井，充填井直径Φ4m，共钻凿3条充填井，充填井间距 26～40m。钻凿1条充填1条，用卡车将露天剥离的废石充入井下，每条井都充满至井口。充填散体下沉后随时补充充填，保持充填废石高度至井口水平。3条充填井共充填废石万37.2万m³，经评估已经能够保障407m以下边坡不塌落。此时，在走向矿柱内施工诱导工程，打中深孔一次崩落走向矿柱（见图2），在崩落后当日采空区冒透地表（见图3）。
在冒透地表的第三天，塌陷坑边壁达到稳定状态，此时利用德龙F3000型装载汽车运送矿山排岩场内废石，从地表对塌陷坑进行充填，共充填。在完成废石充填与表面整形后，进行了塌陷区地表客土覆盖工程。该工程分层进行，第一层客土覆盖0.5厚黄土，平整后覆盖防渗布，随后在防渗布上再客土覆盖0.5厚的黄土层。在覆土上种植了黄豆、玉米等作物，防止水土流失并取得经济效益。
可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。