一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法.pdf

本发明公开了一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，涉及充填开采技术领域；包括：（1）利用物探及钻探技术分析确定充填采煤工作面上方充填敏感层的位置及岩性，确定充填敏感层的岩石力学参数，建立充填敏感层的本构关系；（2）建立充填采煤数值分析模型、相似材料模拟分析模型，预测充填敏感层变化与地表保护对象及充填体充实率之间的关系，确定在满足地表保护对象所要求的充填效果时充填敏感层的最大下沉量；（3）利用微震技术实时观测充填开采过程中充填敏感层的变化，根据充填敏感层的变化及时指导充填开采，确保填充物的充实率能够满足充填敏感层下沉量在计算确定的最大值之内。本发明能以最小的充填率有效控制岩层运动。

1.  一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，其特征在于包括如下步骤：
（1） 利用物探及钻探技术分析确定充填采煤工作面上方充填敏感层的位置及岩性，确定充填敏感层的岩石力学参数，建立充填敏感层的本构关系；
（2）根据充填敏感层的非线性弹性变形本构关系，建立充填采煤数值分析模型、相似材料模拟分析模型，根据充填采煤数值分析模型和相似材料模拟分析模型预测充填敏感层变化与地表保护对象及充填体充实率之间的关系，确定在满足地表保护对象所要求的充填效果时充填敏感层的最大下沉量；
（3）利用微震技术实时观测充填开采过程中充填敏感层的变化，根据充填敏感层的变化及时指导充填开采，确保填充物的充实率能够满足充填敏感层下沉量在计算确定的最大值之内。

2.  根据权利要求1所述的一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，其特征在于所述步骤（1）中岩石力学参数包括容重、体积模量、切边模量、内聚力、内摩擦角、以及敏感层岩石饱和单轴抗拉、抗压强度参数。

3.  根据权利要求1所述的一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，其特征在于所述步骤（3）中利用微震技术实时观测充填敏感层变化，具体为将微震监测设备按照滚动式布置方式均匀布置于充填敏感层之内或附近，且保证位于充填工作面和充填区正上方，实时监测充填敏感层的变化，确保填充物的充实率能够满足充填敏感层下沉量在计算确定的最大值之内。

一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法
技术领域
本发明涉及充填采煤技术领域。
背景技术
我国长期以来大规模的煤炭开发致使简单易采资源急剧减少，煤炭开采条件日趋复杂，“三下”压煤开采和安全开采问题尤为突出，我国当前生态环境保护意识的增强也要求通过科技创新合理地开发利用煤炭资源。由于充填采煤可以减轻岩层移动变形程度、有效控制地表沉降、消除采空区安全隐患，从而成为矿山岩层控制领域研究的重点。
经过多年的实践与探索，煤矿充填开采技术发展日臻成熟，具备了充填关键装备制造、充填材料介质选择和配比、充填系统和工艺设计等能力，达到了产业化水平，并得到了广泛的推广应用。但是，煤矿充填开采仍存在一些问题，最主要的问题就是充填开采存在盲目性。充填开采的目的是为了控制岩层移动变形从而实现对控制对象的保护，而不同的保护对象，其保护等级不同，所需的充填效果不同，相应的填充物的充填率也就不同，现今煤矿充填开采只是充填而不考虑上覆岩层的岩性及保护对象，造成了一些不必要的浪费。在煤矿形势如此严峻的今天，如何判断充填质量和效果是否达到预期目标，做到以最小的充填率有效控制岩层运动，最大化地降低充填成本，提高煤矿经济效益已成为煤矿充填开采必须面对的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，能够预测充填敏感层变化与地表保护对象及充填体充实度之间的关系，有效指导充填开采，以最小的充填率有效控制岩层运动，最大化地降低充填成本，提高煤矿经济效益。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法，包括如下步骤：
（1） 利用物探及钻探技术分析确定充填采煤工作面上方充填敏感层的位置及岩性，确定充填敏感层的岩石力学参数，建立充填敏感层的本构关系；
（2）根据充填敏感层的非线性弹性变形本构关系，建立充填采煤数值分析模型、相似材料模拟分析模型，根据充填采煤数值分析模型和相似材料模拟分析模型预测充填敏感层变化与地表保护对象及充填体充实率之间的关系，确定在满足地表保护对象所要求的充填效果时充填敏感层的最大下沉量；
（3）利用微震技术实时观测充填开采过程中充填敏感层的变化，根据充填敏感层的变化及时指导充填开采，确保填充物的充实率能够满足充填敏感层下沉量在计算确定的最大值之内。
进一步的技术方案，所述步骤（1）中岩石力学参数包括容重、体积模量、切边模量、内聚力、内摩擦角、以及敏感层岩石饱和单轴抗拉、抗压强度参数。
进一步的技术方案，所述步骤（3）中利用微震技术实时观测充填敏感层变化，具体为将微震监测设备按照滚动式布置方式均匀布置于充填敏感层之内或附近，且保证位于充填工作面和充填区正上方，实时监测充填敏感层的变化，确保填充物的充实率能够满足充填敏感层下沉量在计算确定的最大值之内。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明能够预测充填敏感层变化与地表保护对象及充填体充实率之间的关系，有效指导充填开采，以最小的充填率有效控制岩层运动，最大化地降低充填成本，提高煤矿经济效益；引入了充填敏感层的概念和微震监测系统，通过微震技术来监测充填敏感层变化来实现对充填效果的控制，将充填采煤推向了精细化、科学化，以最小的经济代价满足生态环境和保护对象的充填需求，实现充填采煤技术经济一体化。
附图说明
图1是本发明的技术路线图；
图2是本发明实施例的示意图，其中1、2、3、4、5和6为布置于充填敏感层之内的微震检测设备（检波器）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种通过观测充填敏感层变化指导充填开采的工艺方法的具体实施步骤：
（1）利用钻探和物探手段对某一煤矿地质构造主要是充填敏感层进行精细勘察，确定充填敏感层的位置，通过钻探对充填敏感层进行岩芯取样，在实验室通过对样品进行试验进而确定充填敏感层的力学参数，具体包括容重、体积模量、切边模量、内聚力、内摩擦角、以及敏感层岩石饱和单轴抗拉、抗压强度参数，建立充填敏感层的本构关系，为下一步数值模拟及相似材料模拟提供基础的地质数据；充填敏感层即能够及时反应充填质量和效果的岩层，其具有厚度薄、岩性脆、强度低、变形快的特点；
（2）根据步骤（1）中所得参数建立充填采煤数值分析模型、相似材料模拟分析模型，通过计算机数值模拟及实验室相似材料模拟手段分析确定煤层充填开采时充填敏感层的下沉量，确定该矿井充填保护对象在不被破坏的情况下，充填敏感层的最大下沉量；
（3）如图2所示，通过打钻将微震监测设备（检波器）按照滚动式布置方式均匀布置于充填敏感层之内或附近，且保证其位于充填工作面和充填区正上方，随着工作面的推进，充填敏感层会受采动影响而发生变化，产生微小震动，检波器收集这些震动波，进而传输给采集站，计算机根据这些震动波分析反演确定充填敏感层的变化，在充填敏感层下沉量超过上述理论值时及时提高充填体的充实率、加大支架后部推压装置给充填体的压实力，从而保证充填效果。