本發(fā)明涉及煤炭充填開采，尤其涉及一種綜采工作面三位一體鉆孔流態(tài)化充填綠色開采方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，煤炭作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的主體能源，開采規(guī)模巨大，導(dǎo)致部分礦井提前進(jìn)入衰退期，而剩余的煤炭多為常規(guī)方式無(wú)法開采的“三下”資源，嚴(yán)重影響著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。為解決開采所導(dǎo)致的問題，我國(guó)開始引進(jìn)并使用減沉開采方法，但是普通的減沉開采方法并不能有效解決保護(hù)地面建筑物的問題。例如，傳統(tǒng)的條帶開采方法，會(huì)導(dǎo)致大量的煤柱被留在井下，造成資源的大量浪費(fèi)，這種開采方法早已經(jīng)被我國(guó)的煤礦淘汰；部分充填開采方法，如離層注漿充填開采和冒落區(qū)注漿充填開采，其減沉效果有限，難以滿足地表建筑物不遷移的開采需求。因此，單一的減沉開采方法已經(jīng)不能滿足最大地表下沉量的要求。

2、中國(guó)發(fā)明專利：公布號(hào)為“cn117868973a”，名稱為“一種采空區(qū)分布式充填方法”，公開了一種采空區(qū)分布式充填方法，包括在綜采工作面內(nèi)沿回采方向完成第一采支段的煤層回采作業(yè)和井下支撐體構(gòu)建作業(yè)；完成與第一采支段相連的第一回采段的煤層回采作業(yè)；完成與第一采空空間相連的第二采支段的煤層回采作業(yè)和井下支撐體構(gòu)建作業(yè)；完成與第二采支段相連的第二回采段的煤層回采作業(yè)；以此類推,直至完成綜采工作面內(nèi)所有采支段的井下支撐體構(gòu)建作業(yè)和所有回采段的煤層回采作業(yè),得到多個(gè)井下支撐體和采空空間；通過(guò)注漿鉆孔對(duì)采空空間實(shí)施地面注漿充填作業(yè)。該技術(shù)方案結(jié)合了井下構(gòu)筑支撐體充填和地面注漿充填,實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的分步式充填,有效避免了井下一次性整體充填帶來(lái)的充填時(shí)間長(zhǎng)、煤炭開采效率低的問題。但是該技術(shù)方案并未考慮充填開采方法對(duì)地面沉降的影響，無(wú)法滿足減沉的要求。

3、中國(guó)發(fā)明專利：公布號(hào)為“cn116575917a”，名稱為“一種回采-充填-儲(chǔ)碳一體化的聯(lián)合工藝”，公開了一種回采-充填-儲(chǔ)碳一體化的聯(lián)合工藝，通過(guò)綜采工作面礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定工作面循環(huán)步距,當(dāng)綜采工作面回采間距達(dá)到充填步距后,在液壓支架后方設(shè)置充填篷布,充填管路沿著支護(hù)梁泵送充填膏體至充填區(qū)域；當(dāng)膏體充滿填充區(qū)域后,向充填膏體內(nèi)注入超臨界二氧化碳；待超臨界二氧化碳與充填膏體充分反應(yīng)凝固。該技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了工作面充填開采和二氧化碳封存的同步進(jìn)行,充分利用了煤炭開采后的廢棄空間,實(shí)現(xiàn)了廢棄采空區(qū)最大限度的利用,形成了一種新的聯(lián)合開采工藝,符合綠色開采的目標(biāo),具有重要的實(shí)際意義。但是該技術(shù)方案并未考慮充填開采方法對(duì)地面沉降的影響，無(wú)法滿足減沉的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中單一的減沉開采方法不能滿足最大地表下沉量要求的問題。本發(fā)明提出了一種綜采工作面三位一體鉆孔流態(tài)化充填綠色開采方法，利用流態(tài)化充填材料對(duì)采空區(qū)、裂隙帶和冒落帶(三位一體)進(jìn)行充填，通過(guò)該充填方式可以極大地減少地面沉降，保護(hù)地面建筑物不被破壞。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：包括如下步驟：

3、s1、根據(jù)主煤層的上覆巖層情況判斷是否存在關(guān)鍵層；

4、s2、對(duì)主煤層的上覆巖層在開采過(guò)程中的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，得到注漿充填層位、注漿充填鉆孔的布置、離層區(qū)注漿量以及裂隙帶和冒落帶的注漿量；

5、s3、分別選擇對(duì)離層區(qū)、裂隙帶和冒落帶進(jìn)行充填的充填材料；

6、s4、對(duì)充填工作面的開拓巷道和準(zhǔn)備巷道進(jìn)行掘進(jìn)，首先掘進(jìn)回風(fēng)上山、軌道上山、運(yùn)輸上山，隨后掘進(jìn)充填工作面軌道平巷、下一工作面軌道平巷以及充填工作面運(yùn)輸平巷，使充填工作面軌道平巷和下一工作面軌道平巷分別與軌道上山相連，使充填工作面運(yùn)輸平巷與運(yùn)輸上山相連，下一工作面軌道平巷與充填工作面運(yùn)輸平巷之間設(shè)立聯(lián)絡(luò)巷，最后鋪設(shè)充填管路；

7、s5、在運(yùn)輸上山中靠近充填工作面運(yùn)輸平巷的位置建立充填硐室；

8、s6、在地面上處于充填工作面走向和傾向中間位置設(shè)置離層區(qū)充填泵站，在工業(yè)廣場(chǎng)副井附件設(shè)置井下充填泵站；

9、s7、根據(jù)鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔；

10、s8、充填工作面按照常規(guī)工序進(jìn)行回采；離層區(qū)充填泵站通過(guò)離層區(qū)充填管路將充填材料輸送至離層區(qū)充填區(qū)域，在充填工作面推進(jìn)至預(yù)定位置時(shí)開始充填離層區(qū)；充填硐室通過(guò)裂隙帶充填管路和冒落帶充填管路分別向裂隙帶充填區(qū)域和冒落帶充填區(qū)域輸送超高水材料進(jìn)行充填；

11、s9、重復(fù)步驟s8直至完成整個(gè)采區(qū)的煤層回采。

12、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s1包含如下步驟：

13、s11、從開采煤層直接定為第一層巖層，從深部向淺部依次確定上覆巖層中堅(jiān)硬巖層的層位，根據(jù)組合梁原理可推導(dǎo)出判斷關(guān)鍵層層位的公式：

14、

15、其中：hi、γi、ei分別為第i層巖層的厚度、容重和彈性模量，從煤層上方第1層巖層開始計(jì)算，當(dāng)滿足上述不等式時(shí)，第m+1層巖層為堅(jiān)硬巖層；

16、s12，根據(jù)公式k＝1,2,…,n得到各個(gè)堅(jiān)硬巖層的破斷距l(xiāng)k，

17、其中：hk為第k層硬巖的厚度，m；σk為第k層硬巖的抗拉強(qiáng)度，mpa；qk為第k層硬巖所承受的載荷，mpa，qk的計(jì)算公式如下：

18、

19、其中mk為堅(jiān)硬巖層所控制的軟巖層數(shù)；hk,j、γk,j、ek,j分別為第k層硬巖所控制的軟巖層組中第j層巖層的厚度、容重、彈性模量，單位分別為m，mn/m3，gpa；

20、s13，判斷是否存在關(guān)鍵層；

21、從埋深最大的一層堅(jiān)硬巖層開始計(jì)算各個(gè)堅(jiān)硬巖層的破斷距l(xiāng)k<lk+1是否成立，如果出現(xiàn)lk>lk+1，則將第k+1層硬巖層承受的載荷加到第k層硬巖層上，重新計(jì)算第k層硬巖層的破斷距，若重新計(jì)算的第k層硬巖層的破斷距小于第k+1層硬巖層的破斷距，則取lk＝lk+1，繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比，若第k層堅(jiān)硬巖層的破斷距小于其上部所有的堅(jiān)硬層的破斷距，則第k層堅(jiān)硬巖層為關(guān)鍵層，可以進(jìn)行離層注漿充填；否則不存在關(guān)鍵層，無(wú)法進(jìn)行離層注漿充填。

22、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s2包含如下步驟：

23、s21、根據(jù)離層出現(xiàn)的時(shí)機(jī)、離層空間、離層發(fā)育情況得到離層注漿的層位、離層鉆孔的布置、離層注漿量，

24、離層注漿的層位在開采煤層導(dǎo)水裂隙帶高度+隔離層厚度以上的(亞)關(guān)鍵層下方離層，埋深不小于0.3倍采深；

25、離層區(qū)充填鉆孔的間距l(xiāng)：通過(guò)數(shù)值模擬軟件或者相似模擬試驗(yàn)等方法對(duì)所開采工作面進(jìn)行模擬，隨著煤層的推進(jìn)，觀察關(guān)鍵層的狀態(tài)；關(guān)鍵層斷裂時(shí)，充填工作面推進(jìn)的距離，即為地面離層注漿鉆孔的間距l(xiāng)；

26、步驟22、根據(jù)公式得到冒落帶高度hk，其中m為煤層厚度，根據(jù)冒落帶高度hk得到裂隙帶、冒落帶充填量。

27、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s3中離層區(qū)的充填材料為以粉煤灰、砂子、矸石粉作為主要固體材料，按水灰比為2：1制成的漿液，裂隙帶和冒落帶的充填材料為超高水材料。

28、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述超高水材料由超高水a(chǎn)料和超高水b料混合而成。

29、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s7包含如下步驟：

30、根據(jù)離層發(fā)育情況，在充填區(qū)域中的離層區(qū)充填區(qū)域設(shè)置離層區(qū)充填鉆孔，離層區(qū)充填鉆孔的間距l(xiāng)由步驟s21得到；裂隙帶的鉆孔由下一工作面軌道平巷打入充填區(qū)域的上部，鉆孔深度根據(jù)步驟s22中冒落帶高度hk得到；冒落帶的鉆孔由下一工作面軌道平巷底部打入冒落帶，鉆孔仰角水平，位于裂隙帶鉆孔下方。

31、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述裂隙帶的鉆孔的仰角為3°～5°，間距為300～500mm。

32、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述冒落帶的鉆孔的間距小于兩倍的超高水材料的有效擴(kuò)散半徑。

33、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s8中裂隙帶和冒落帶的充填方式為隨采隨充；離層區(qū)的充填方式為定時(shí)定點(diǎn)充填。

34、作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟s8中先對(duì)裂隙帶和冒落帶進(jìn)行充填，再對(duì)離層區(qū)進(jìn)行充填。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

36、1.本發(fā)明結(jié)合了充填開采的思路，對(duì)礦井開采過(guò)程中產(chǎn)生的離層區(qū)、裂隙帶、冒落帶和采空區(qū)進(jìn)行充填，可以最大程度地減少地面沉降，從而減少地表沉陷和建筑物損毀，降低次生災(zāi)害的發(fā)生，保護(hù)地表水土和建筑設(shè)施。

37、2.本發(fā)明可規(guī)模化處置粉煤灰等煤基固廢，減少其在地表的堆存和填埋，減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

38、3.本發(fā)明設(shè)計(jì)的三位一體充填可以對(duì)覆巖進(jìn)行支撐，保護(hù)了井下工人的安全，又保護(hù)了地面建筑不被破壞。