本發明專利技術公開了一種控制路基沉降的采空區處理方案選擇方法，其特征在于，為避免開采對其上地表處路基沉降影響，提出直接頂板爆破、充填開采、充填開采+頂板爆破的采空區處理方案；其包括如下步驟：巖體模型的建立、爆炸模型的建立、三種方案模型的建立；本發明專利技術可用于控制既有路基沉降小于要求時的采空區處理方案選擇。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及礦業工程，特別是涉及控制既有路基沉降小于要求時的采空區處理方 案選擇。
技術介紹
井工開采是煤礦的主要生產方式之一，而隨著回采工作的進行，采空區也逐漸形 成。根據采空區上覆巖層的特點，可使用相應的方法對其進行處理，可采用水砂或廢石對充 分采動后，工作面頂板自然垮落形成的空間(采空區）進行充填，使上覆巖層變形減小；或由 于上覆巖層堅硬、厚度較大等原因無法在理想情況下自行垮落，為了避免由于難以控制的 上覆巖層瞬間斷裂所導致礦難的發生，往往對這樣的上覆巖層進行爆破強制垮落，當然也 有其他方法。 對于采空區處理方式和上覆巖層運移研究，目前已有了一定進展。提出論文所處 理的問題：擬開采區域上覆巖層復雜，且其上方地表存在既有公路，如何選擇有效的采空區 處理方案，保證開采及廢棄后地表沉降小于〇. 3m。 為解決上述問題，根據作者的研究，采用PFC3D作為模擬平臺，對復雜巖層進行建 模。在模型中構建采空區，通過直接爆破放頂、充填開采和充填開采+頂板爆破三個方案分 別對處理后采空區和上覆巖層的運移和應力進行模擬。并對比了三種方案的上覆巖層運 移、應力和地面路基沉降。
技術實現思路
1. -種控制路基沉降的采空區處理方案選擇方法，其特征在于，為避免開采對其 上地表處路基沉降影響，提出直接頂板爆破、充填開采、充填開采+頂板爆破的采空區處理 方案；其包括如下步驟：巖體模型的建立、爆炸模型的建立、三種方案模型的建立；本專利技術 可用于控制既有路基沉降小于要求時的采空區處理方案選擇。 2.根據權利要求1所述的既有路基沉降小于要求，其特征在于，開采穩定后引起 路基范圍內地面沉降量不超過〇. 3m，路基地面寬26. 5m。 3.根據權利要求1所述的巖體模型的建立，其特征在于，考慮到巖土體形成過程 是由于風化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積形成的，并經過自然壓實的 過程，使用下落法構造模型。 4.根據權利要求1所述的爆炸模型的建立，其特征在于，根據爆破區域劃分：爆破 壓碎區、破裂區、振動區；壓碎區半徑R 1-般為3-7R，而破裂區半徑R 2-般為8-150R，其中 R為炮孔半徑；從兩個方面對PFC3D構造的邊坡模型中顆粒進行爆破初始瞬間狀態的設置， 一是考慮炸藥的能量轉化為顆粒動能如何設置；二是考慮爆炸瞬間釋放的氣體等沖擊波對 巖體造成的碎裂和劣化作用。 5.根據權利要求1所述的三種方案模型的建立，其特征在于，方案包括：直接頂板 爆破、充填開米、充填開米+頂板爆破。 6.根據權利要求5所述的直接頂板爆破，其特征在于，對于直接頂板爆破的處理 方式，模型建立過程為：首先建立采空區，采空區為圖1中煤層位置，通過將顆粒刪除模擬 采空區，采空區沿巖層1的長度約為186m，總長為220m ;第二步根據上述爆炸模型設置起爆 點，設炮眼直徑為0. lm，那么爆破破裂區半徑為15m，即爆破點最大間距約是30m ;但考慮到 對巖體的充分破壞，相鄰兩爆破點的爆破破裂區應有所重疊，將爆破點間距設為22m左右， 共10個爆破點，孔深約為1~2. 5m，爆破能量為4000kJ。 7.根據權利要求5所述的充填開采，其特征在于，對于充填開采處理方法，充填 體的模擬方法為將煤顆粒粒徑按照充實率縮小，然后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬 性；充填體擬采用矸石，物理性質為：密度I. 9t/m3、體積模量2. Ο/GPa、剪切模量I. 8/GPa、 摩擦角5° ;顆粒粒徑從煤轉換充填體所乘系數為(前期研究得充實率應大于0. 83):充實率 為0. 85,系數為0. 9473 ;充實率為0. 9,系數為0. 9655 ;充實率為0. 95,系數為0. 983。 8.根據權利要求5所述的充填開采+頂板爆破，其特征在于，對于充填開采+頂板 爆破方案，為先充填，后爆破方案；先執行充填開采處理，后進行頂板爆破處理；充填開采 處理為權利要求7所述；頂板爆破處理為權利要求6所述。【附圖說明】 圖1擬建礦區上覆巖層示意圖。注：煤層與巖層1 一起建立，通過將煤層位置顆粒 屬性進行修改以表示煤層。【具體實施方式】 考慮到巖土體形成過程是由于風化、沉積等作用使顆粒在豎直方向從下到上逐 層堆積形成的，并經過自然壓實的過程。按照該思想構建了"下落法（Particles Fall Method，PFM)"來構造初始應力場。PFM是通過使顆粒在豎直方向從下到上逐層堆積并壓實 的過程構造模型的。 首先介紹基于PFC3D爆破模型的基本理論。根據爆破區域劃分：爆破壓碎區、破裂 區、振動區。壓碎區半徑R 1-般為3-7R，而破裂區半徑R 2-般為8-150R，其中R為炮孔半 徑。從兩個方面對PFC3D構造的邊坡模型中顆粒進行爆破初始瞬間狀態的設置，一是考慮 炸藥的能量轉化為顆粒動能如何設置；二是考慮爆炸瞬間釋放的氣體等沖擊波對巖體造成 的碎裂和劣化作用。爆炸模型的基本方程如式（1)~(3)所示。詳細說明見文獻。式中，J為爆炸總能量，/J觀表示顆粒i的質量，kg/m3;v ;表示顆粒i的速度，m/s ; Jk表示三個區域分配的能量，k=l，2, 3 /J，分別表示壓縮區、破裂區、振動區；胃表示三個 區域分配能量的系數，％:分別為10%、80%、10% 表示某區域其中一個顆粒0 ,分配的能 量/J 表示Oj分配能量的系數；％表示Oj對爆炸點的圓心角/° ; :?表示Oj的半徑/ m 表示爆炸點坐標表示Oj的坐標；^分別表示'^在X和y方向上的分 里，HlZ S 〇 這里提出三種采空區處理方式：直接頂板爆破、充填開采、充填開采+頂板爆破。 對于直接頂板爆破的處理方式，模型建立過程為：首先建立采空區，采空區為圖1 中煤層位置，通過將顆粒刪除模擬采空區，采空區沿巖層1的長度約為186m，總長為220m ; 第二步根據上述爆炸模型設置起爆點，設炮眼直徑為〇. lm，那么爆破破裂區半徑為15m，即 爆破點最大間距約是30m。但考慮到對巖體的充分破壞，相鄰兩爆破點的爆破破裂區應有所 重疊，將爆破點間距設為22m左右，共10個爆破點，孔深約為1~2. 5m(根據顆粒的具體位置 而定），爆破能量為4000kJ。 對于充填開采處理方法，充填體的模擬方法為將煤顆粒粒徑按照充實率縮小，然 后修改這些顆粒的物理屬性為充填體屬性。充填體擬采用矸石，物理性質為：密度1.9t/ m3、體積模量2. Ο/GPa、剪切模量I. 8/GPa、摩擦角5°。顆粒粒徑從煤轉換充填體所乘系數 為(前期研究得充實率應大于〇. 83):充實率為0. 85,系數為0. 9473 ;充實率為0. 9,系數為 0. 9655 ;充實率為0. 95,系數為0. 983。 對于充填開采+頂板爆破方案，為先充填，后爆破方案。先執行充填開采處理，后 進行頂板爆破處理。參數同上述兩方案。 對路基下部地面顆粒進行沉降監測。監測范圍為路基下顆粒（id，由圖1左向右）： 52084、54462、52913、53175、52556、50730、51303、54067、51740、52385、52861，顆粒直徑為 2. 5m，又由于排列有交錯現象，所以取11個顆粒進行檢測。路基對模型的影響極小，并未在 圖形中進行建立。 1. ，其特征在于本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種控制路基沉降的采空區處理方案選擇方法，其特征在于，為避免開采對其上地表處路基沉降影響，提出直接頂板爆破、充填開采、充填開采+頂板爆破的采空區處理方案；其包括如下步驟：巖體模型的建立、爆炸模型的建立、三種方案模型的建立；本專利技術可用于控制既有路基沉降小于要求時的采空區處理方案選擇。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：李昂，李莎莎，崔鐵軍，
申請(專利權)人：遼寧工程技術大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21
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