一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法
技术领域
本发明涉及残煤复采技术领域，更具体地说，涉及一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法。
背景技术
上世纪八、九十年代，限于技术和装备条件不足，我国地方小煤矿曾长期采用刀柱式、巷柱式(高落式)等落后的采煤方法，回采率不到20％，导致大量的优质煤炭资源遗留于采空区内，造成极大的浪费。实现旧采残煤的再次开采利用，即残煤复采，能充分利用宝贵的煤炭资源、创造巨大经济效益，对矿井可持续发展具有重要的现实意义。
受旧采开采影响残煤赋存状态已遭到不同程度的破坏，旧巷在长期矿山压力作用下，顶板岩层破坏，进而垮落形成冒落区，由于冒落区的存在造成复采残煤工作面应力集中显著、煤壁片帮或端面冒落难以控制，给复采工作面的安全高效开采带来了较大的隐患，因此在进行旧采残煤工作面过冒落区成为采用综合机械化复采规模开发面临的基本问题。
但目前工作面过冒落区问题，多数集中于掘进巷道或正常回采工作面通过局部小范围冒顶区的情况较多，没有涉及到残煤复采过程中工作面前方存在较大范围冒落区的情况。例如，公开号CN106121717A公开了“一种煤矿掘进工作面高冒区注浆处理方法”；公开号CN104500090A公开了一种“利用发泡材料充填体接顶处理煤矿巷道冒顶的方法”，通过在巷道支护较好段斜向上对冒顶区域施工注料孔，注入发泡型充填液，充填材料发泡形成整体固态充填物，并在此基础上采用架工字钢棚支护，通过冒顶区。公开号CN111075476A公开了“一种采煤机机载式冒顶处理机器人及其施工方法”，解决了冒顶处理过程中需要空顶和登高作业、施工难度大且极易发生二次冒顶、施工人员安全难以保障等问题；公开号CN109763861A公开了“一种切眼内断层破碎带冒顶处理方法”通过制造人工假顶，并向顶板冒落空洞区域注膨胀填充材料，对较为破碎的顶板区域进行补强支护，最后清理冒落区域，搭建施工平台，进行方木穿顶并成组安设液压支架。综合来看，上述公开方法大多是对局部的高冒区处理方法，并不适合在本身存在大量旧采残煤冒落区的复采。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法，包括：
结合地质调查评价及物探探测资料确定冒落区的位置信息和结构信息；
确定冒落区复采时的截割层及注浆承载层的厚度；其中，截割层的厚度通过实际工作面采煤工艺需求及用于冒落区复采的采煤机的截割高度能力确定；注浆承载层的厚度通过旧采冒落区的高度、采煤机截割滚筒范围空顶面积、支架控顶距、充填材料强度以及垮落煤岩冲击推导得到；
配制浆液，按照设定的截割层及计算得到的注浆承载层的厚度将浆液注入冒落区的碎裂煤岩体中，形成截割层和注浆承载层；
对旧采残煤冒落区处置完毕，复采工作面回采安全通过冒落区。
其中，在通过旧采冒落区的高度、采煤机截割滚筒范围空顶面积、支架控顶距、充填材料强度以及垮落煤岩冲击推导得到注浆承载层厚度的步骤中，
设定h1为注浆承载层厚度，Es为截割层动压缩模量，Em为注浆承载层动压缩模量，h0为截割层高度，m为冒矸质量，v为冒矸接触注浆承载层时的速度，p1表示冒矸冲击注浆承载层时注浆承载层受到的压力，p2表示冒矸冲击压力经注浆承载层扩散后作用于注浆承载层底面的压力，b1为冒矸宽度，b2为扩散压力，P2作用宽度，θ为冒矸冲击压力在注浆承载层中的扩散角，στ为注浆承载层抗剪强度，q为注浆承载层破坏的极限静载荷，
根据扩散角得到：b2＝b1+2h1 tanθ；
则p1、p2之间存在以下关系：
当冒矸冲击载荷作用于注浆承载层与截割层时，其压缩量s为：
设注浆承载层最大下沉量为s0，则冒矸冲击力做功为：
求得最大下沉量时冒矸的最大冲击作用力为：
令p1max＝στ即可求得注浆承载层受冲击载荷时的极限厚度h1：
利用JOHANSE屈服条件计算求出矩形简支板极限载荷的上限解q为
其中，注浆承载层的极限弯矩
在计算得到注浆承载层受冲击载荷时的极限厚度h1和注浆承载层受静载时的极限厚度h2后，取二者中的较大值作为注浆承载层厚度。
其中，在按照设定的截割层及计算得到的注浆承载层的厚度将浆液注入冒落区的碎裂煤岩体中的步骤中，通过钻孔窥视的方式对注浆效果进行检验，以检验注浆承载层及截割层的厚度是否与预先计算得到的结果相同。
区别于现有技术，本发明的旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法，针对旧采残煤复采工作面过冒落区，基于建立的注浆承载层模型及理论提出了一种非完全分层注浆工艺，即通过对复采工作面前方冒落区破碎围岩进行不同浆液分层注浆形成截割层、注浆承载层，注浆承载层上部垮落围岩不注浆，注浆截割层方便采煤机截割，经处置后实现复采工作面安全高效通过冒落区。本发明首次建立了注浆承载层理论模型，基于该模型提出非完全分层注浆工艺，降低了注浆成本，提高了煤矿企业的经济效益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法的实施结构示意图。
图3是本发明提供的一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法的注浆承载层受冲击载荷作用力学模型示意图。
图4是本发明提供的一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法的注浆承载层受极限静载荷作用力学模型示意图。
图5是本发明提供的一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法注浆完成后的效果示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1和图2，本发明提供了一种旧采残煤综放复采工作面过冒落区的方法，包括：
结合地质调查评价及物探探测资料确定冒落区的位置信息和结构信息；
确定冒落区复采时的截割层及注浆承载层的厚度；其中，截割层的厚度通过实际工作面采煤工艺需求及用于冒落区复采的采煤机的截割高度能力确定；注浆承载层的厚度通过旧采冒落区的高度、采煤机截割滚筒范围空顶面积、支架控顶距、充填材料强度以及垮落煤岩冲击推导得到；
配制浆液，按照设定的截割层及计算得到的注浆承载层的厚度将浆液注入冒落区的碎裂煤岩体中，形成截割层和注浆承载层；
对旧采残煤冒落区处置完毕，复采工作面回采安全通过冒落区。
其中，在通过旧采冒落区的高度、采煤机截割滚筒范围空顶面积、支架控顶距、充填材料强度以及垮落煤岩冲击推导得到注浆承载层厚度的步骤中，
设定h1为注浆承载层厚度，Es为截割层动压缩模量，Em为注浆承载层动压缩模量，h0为截割层高度，m为冒矸质量，v为冒矸接触注浆承载层时的速度，p1表示冒矸冲击注浆承载层时注浆承载层受到的压力，p2表示冒矸冲击压力经注浆承载层扩散后作用于注浆承载层底面的压力，b1为冒矸宽度，b2为扩散压力，P2作用宽度，θ为冒矸冲击压力在注浆承载层中的扩散角，στ为注浆承载层抗剪强度，q为注浆承载层破坏的极限静载荷，
根据扩散角得到：b2＝b1+2h1 tanθ；
则p1、p2之间存在以下关系：
当冒矸冲击载荷作用于注浆承载层与截割层时，其压缩量s为：
设注浆承载层最大下沉量为s0，则冒矸冲击力做功为：
求得最大下沉量时冒矸的最大冲击作用力为：
如图3所示，令p1max＝στ即可求得注浆承载层受冲击载荷时的极限厚度h1：
利用JOHANSE屈服条件计算求出矩形简支板极限载荷的上限解q为
如图4所示，注浆承载层的极限弯矩
在计算得到注浆承载层受冲击载荷时的极限厚度h1和注浆承载层受静载时的极限厚度h2后，取二者中的较大值作为注浆承载层厚度。
其中，在按照设定的截割层及计算得到的注浆承载层的厚度将浆液注入冒落区的碎裂煤岩体中的步骤中，通过钻孔窥视的方式对注浆效果进行检验，以检验注浆承载层及截割层的厚度是否与预先计算得到的结果相同。其中，注浆承载层和截割层的浆液根据现场实际的施工要求进行配制。
下面结合圣华煤业1301复采工作面过冒落区为例进一步说明实施例。
晋煤集团泽州天安圣华煤业批准开采煤层3号煤平均厚度6.60m，为无烟煤，1301复采工作面区域过去开采时主要采用掏帮、扩帮等方式，资源回收率不足30％，遗留了大量的煤炭资源，同时形成大量的空区空巷冒落区，给复采工作带来危害。
以1301复采工作面前方第一个空巷冒落区为例，冒落区宽度为空巷宽度6m，冒落区高度为15m；复采工作面综合机械化放顶煤开采，采高2m则截割层高度为2m。
用公式(1)计算承载层厚度：矸石冒落时的速度v近似为10m/s，试验工作面顶矸容重为2500kg/m3，选用超高水材料进行注浆，由超高水材料性能试验可知注浆后岩体静压缩模量为1.5GPa，一般动压缩模量为静压缩模量的10倍，所以超高水充填材料的动压缩模量Es＝Em＝15GPa，承载层抗剪切强度为1.2MPa，假设冒矸的尺寸为1m×1m×1m，扩散角为45°，考虑1.1的安全系数代入相关参数计算得承载层厚度为3.5m。
用公式(2)计算承载层厚度：充填承载层空顶矩形板的长a为4.5m，宽b为0.9m，超高水材料的屈服应力σs为1.8MPa，考虑1.1得安全系数代入相关数据计算得承载层厚度为1.8m
综上确定承载层厚度为3.5m，分别施工截割层注浆钻孔和承载层注浆钻孔进行分层注浆，截割层对旧采区冒落煤岩体起到固结作用，强度达到煤岩体自立强度即可，确定截割层浆液配比为7:1；承载层对顶板冒落矸石起到缓冲作用，防止冒矸对工作面形成威胁，承载层浆液配比确定为5:1。注浆完成后的效果示意图如图5所示。
注浆加固后进行钻孔窥视确定注浆效果，注浆承载层形成后1301复采工作面安全通过空巷冒落区。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
