技术领域

[0001] 本发明属于煤矿开采中的岩层运动控制技术领 域， 具体涉及一种坚硬顶板条件 下采空区局部充填支撑结构体及其构筑方法。

背景技术

[0002] 煤矿开采后， 由于上覆岩层的沉降运动， 往往引起地表的塌陷， 形成大范围的 煤矿塌陷区， 对矿区的地表及地下水资源、 地表的土地良田以及建构筑物等造 成严重破坏， 不利于矿区资源与环境的协调发展。 在煤矿开采过程中， 采用全 部垮落法处理采空区的开采工艺， 造成的地表下沉往往是不可避免的。 同时由 于煤矿开采沉陷的原因， 造成我国大部分矿区的“三下” （建筑物下、 水体下及铁 路下） 压煤资源量非常大， 很多矿区存在资源接续紧张的问题。

[0003] 鉴于上述问题， 国内外对采空区充填采矿法进行了大量的研究 ， 并取得了丰富 的研究成果。 诚然， 采空区充填采矿法对于解决地表沉陷、 置换“三下”呆滞煤量 具有良好的效果， 然而当前的充填开采工艺还相对比较复杂、 充填成本较高、 影响工作面开采效率， 尤其是大面积的采空区所需要的数量巨大的充 填物难以 满足要求， 因此制约了充填开采的大范围推广应用。 基于此， 又有相关学者提 出了部分充填和条带充填的解决思路， 申请号 200810011741.4、 201210385316.8 、 201410698265.3、 201710041129.0等均提出了条带充填的采煤方法。 采空区部 分充填或条带充填技术虽然解决了全部充填存 在的充填物需求量大的难题， 也 简化了施工工艺； 然而， 当前的条带充填体对于覆岩的支撑作用有限， 不能完 全限制覆岩顶板的下沉运动， 因此控制地表开采沉陷的效果不佳。 尤其是在坚 硬顶板条件下， 上覆岩层自重应力大， 条带充填体更不易控制顶板的断裂沉降 。 主要原因在于： 首先， 当前的充填物大部分还是以松散矸石或者胶结 矸石材 料为主， 自身的可压缩性较大， 同时承压能力较弱； 其次， 采空区条带充填体 没有侧向围压支撑， 在上覆岩层较大的压力作用下， 充填体自边缘向内部逐渐 塑性破坏， “弹性核区”逐渐消失， 最终会整体失稳破坏， 此时上覆岩层甚至地表 还是会产生沉降变形。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 为了解决上述现有技术中存在的技术缺陷， 本发明提出了一种坚硬顶板条件下 采空区局部充填支撑结构体及其构筑方法。 该支撑结构能够在采空区给覆岩顶 板、 尤其是坚硬的顶板岩层提供足够且长期的支撑 阻力， 保证结构的中央“弹性 核区”长期存在。

[0005] 其技术解决方案包括：

[0006] 一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构 体， 所述的支撑结构体沿工作面 推进方向间隔构建， 每个支撑结构体包括位于采空区内的充填体及 位于所述充 填体两侧的侧向支撑体及隔离体， 所述的充填体选用的材料为速凝矸石胶结材 料；

[0007] 所述的侧向支撑体包括钢管混凝土墩柱、 防倒支撑腿以及柔性让压部件， 所述 的钢管混凝土墩柱为主要支撑结构， 其是通过向无缝钢管内灌注混凝土浆液制 作而成， 在所述钢管混凝土墩柱侧边离底部 300-500mm处开设有用以向钢管内部 灌注混凝土浆液的注浆口， 所述的钢管混凝土墩柱的顶部、 底部均采用焊接处 理， 在所述的钢管混凝土墩柱的顶部设置有排气孔 ， 所述的排气孔用于排出注 浆时的空气， 所述防倒支撑腿设置在所述钢管混凝土墩柱的 中间位置， 所述的 柔性让压部件用以保证接顶密实， 同时实现适度让压；

[0008] 所述的隔离体包括相邻钢管混凝土墩柱之间垒 砌的矸石袋墙、 紧贴墩柱架设的 柔性侧护钢板以及钢板一侧挂设的防水塑胶帘 ， 其中， 所述的矸石袋墙作为第 一层隔离体， 所述的柔性侧护钢板作为第二层隔离体， 所述的防水塑胶帘作为 第三层隔离体。

[0009] 上述技术方案中， 整体支撑结构体为两侧支撑体与隔离体共同夹 持内部充填体 组成。 沿工作面推进方向间隔构建， 其中支撑结构体整体宽度为 L ₂ ， 相邻支撑 结构体之间不支撑区域宽度为 L _P 支撑体高度与煤层开采厚度相同， 长度与工 作面等长。

[0010] 上述支撑结构体， 主要适用在坚硬顶板条件下的采空区顶板支撑 ， 要求控制煤 层上方的坚硬直接顶岩层不发生断裂冒落。 因此， 其不支撑区域宽度 L ,要小于 上方直接顶岩层的极限破断距离 （即初次垮落步距） 1^， 为保证现场工程安全 ， 设计采用 L ₁₌ （0.5〜 0.6） L r 支撑结构体整体宽度 1 _{^ 2} 根据矿压理论计算值确 定， 要求其整体支撑阻力要大于煤层上方需控岩层 （直接顶 +基本顶） 范围内的 整体自重。 上方岩层自重大， 则支撑体宽度要增加； 上方岩层自重小， 则支撑 体宽度可降低。

[0011] 两侧支撑体结构是由钢管混凝土墩柱、 上部的柔性让压结构以及防倒支撑腿三 部分构成。

[0012] 其中钢管混凝土墩柱为主要的强力支撑结构， 由无缝钢管和内部核心混凝土制 作而成。 无缝钢管采用 Q255 （屈服强度 255MPa） 等级以上的优质碳素结构钢， 钢管管径、 壁厚、 长度等参数根据设计的钢管混凝土墩柱的承载 能力进行选型 ; 钢管内部灌注混凝土浆液， 浆液由河沙 +石子 +普通水泥 +快硬水泥 +添加剂 +水 搅拌制作， 其混凝土强度不低于 C40 （抗压强度 40MPa） 等级。

[0013] 在钢管混凝土墩柱侧边离底部越 300-500mm处开设有注浆口， 用以向钢管内部 灌注混凝土浆液， 灌注时采用由下至上的顶升灌注法， 可以保证浆液注满充实 。 墩柱顶、 底部均实行密封焊接处理， 在墩柱顶部留设有 2-3个排气孔， 用以在 注浆时排出空气， 保证浆液注满充实。

[0014] 柔性让压结构为缓冲让压层， 可用木楔、 水泥背板等材料加工制作， 保证接顶 密实， 其厚度不宜过大， 以不超过 200mm为宜， 根据顶板岩层的结构以及变形 特性进行计算分析确定。 让压层高度 +钢管混凝土墩柱高度 =煤层采高。

[0015] 防倒支撑腿结构同样为钢管混凝土结构， 其钢管管径小于墩柱的钢管管径， 一 般不超过 50mm， 与墩柱通过焊接连接。 其上部焊接于墩柱中间位置， 其向一侧 倾斜， 倾斜角度约为 20-30°左右； 下部有防钻底底座， 底座可用木块、 钢板等材 料制作， 主要根据底板岩性、 软岩程度等因素考虑确定。 防倒支撑腿给墩柱一 个侧向支撑力， 防止墩柱受水平挤压力作用下向两侧倾倒， 从而给内部充填体 提供足够的侧向围压。

[0016] 两侧隔离体结构由三部分组成， 包括相邻钢管混凝土墩柱之间垒砌的矸石袋墙 、 紧贴墩柱架设的柔性侧护钢板以及钢板一侧挂 设的防水塑胶帘。

[0017] 矸石墙体铺设于相邻的两根钢管混凝土之间， 防止墩柱侧向变形， 同时起到第 一层封堵支撑结构内部空间的作用， 墙体厚度与钢管管径相适应。 墙体由单个 矸石袋垒砌组成， 矸石袋由普通编织袋或铁丝袋内部装满破碎矸 石组成。

[0018] 柔性侧护钢板高度与墩柱高度相同， 厚度约为 3-5mm， 沿工作面长度方向铺设 多块钢板， 每块钢板长度约为 2-3m。 柔性侧护钢板为第二层封堵隔离结构， 也 是最主要的一层隔离结构体。

[0019] 防水塑胶帘为第三层封堵隔离结构， 可由厚度适宜的塑料布、 具有隔水能力的 其他塑料及橡胶制品制作。 该层结构同样沿工作面方向分块铺设， 每块长度约 为 10-15m左右。 其主要作用一是使内部充填体早期更好成型， 另一方面是在长 期阶段内， 隔离采空区潮湿环境与内部充填体的接触， 防止内部充填体遇水软 化而造成支撑强度降低的情况。

[0020] 内部充填体为速凝高强矸石胶结材料。 材料组成成分为破碎矸石 +水泥 +添加剂 +7X , 其中材料成分里面以破碎矸石为主要的粗骨料 ， 起到消化矿区矸石的目的 ， 实现矸石不上井； 水泥要包括普通水泥和快硬水泥两种， 由于内部充填体要 与两侧钢管混凝土墩柱共同支撑上覆顶板， 要求其具有前期的速凝特性以及后 期较高的抗压强度， 两种水泥的用量决定上述特性， 因此要根据理论及实验结 果确定其精确的配比； 添加剂主要包括减水剂、 速凝剂等， 由于充填体为局部 充填， 两侧隔离措施不一定能保证充填浆液的完全密 封， 因此要求充填浆液在 保证泵送的基础上具有一定的粘稠度， 以便更好成型。 上述材料配比根据理论 及实验结果确定。

[0021] 充填料浆的初凝时间要与工作面推进速度保持 相对一致， 一般要在 60min内实 现基本凝固， 以便更好成型。 充填料浆的极限压缩量在 200-300mm范围内。 充填 料浆凝固 3d及 28d后所达到的抗压强度应分别不低于 5.5MPa和 10.5MPa。

[0022] 作为本发明的一个优选方案， 所述的防倒支撑腿为钢管混凝土结构， 所述防倒 支撑腿的钢管的管径小于所述钢管混凝土墩柱 的钢管管径， 所述的防倒支撑腿 的上部向一侧倾斜， 并与所述的钢管混凝土墩柱焊接在一起， 所述的防倒支撑 腿的下部设置有底座。

[0023] 作为本发明的另一个优选方案， 所述的柔性让压部件是由木楔、 水泥背板制作 而成的缓冲让压体。

[0024] 进一步的， 所述的速凝矸石胶结材料其主要组成为破碎矸 石、 水泥、 添加剂及 水， 所述的破碎矸石作为主要的粗骨料。

[0025] 进一步的， 所述的混凝土浆液由河沙、 石子、 水泥、 添加剂水及搅拌制作而成 ， 其混凝土强度不低于 C40等级； 所述的矸石袋墙其墙体的厚度与钢管混凝土墩 柱的钢管的管径相匹配， 矸石袋为内部装满破碎矸石的编织袋或铁丝袋 。

[0026] 进一步的， 所述的柔性侧护钢板的高度与钢管混凝土墩柱 的高度相同， 所述柔 性侧护钢板的厚度为 3〜 5mm

[0027] 一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构 体的构筑方法， 依次包括以下步 骤：

[0028] 步骤一： 确定支撑体宽度与不支撑区域宽度；

[0029] 步骤二： 支撑体各组成部分参数确定，

[0030] 步骤三： 安装第一排墩柱支撑体，

[0031] 自开切眼开始， 当工作面推进到设计的不支撑区域宽度时， 架设第一排墩柱支 撑体， 空钢管墩柱由地面加工制作完成， 运送至井下后安装， 空钢管墩柱的架 设紧随工作面综采液压支架的向前推移而进行 ， 实行追架作业， 每推移 2-3个支 架后， 开始在后方架设空钢管墩柱， 架设工作在支架的尾梁保护下进行；

[0032] 当空钢管墩柱架设 5-6根后， 进行混凝土灌注工作， 每次集中灌注， 整个面长 上分阶段多次进行空钢管墩柱的灌注工作， 灌注浆液的制作在工作面前方的上 平巷内进行， 通过注浆口向钢管内注浆， 形成完整的钢管混凝土墩柱， 该项工 序直至沿工作面方向将整排墩柱架设完毕后结 束；

[0033] 步骤四： 墩柱旁隔离体的安装架设，

[0034] 隔离体的安装紧随钢管混凝土墩柱的架设， 与墩柱的架设同样分阶段进行；

[0035] 首先， 当第一段集中墩柱灌注混凝土工序完成后， 即开始进行墩柱间矸石袋墙 的垒砌工作， 及时对墩柱进行侧向加固， 矸石袋墙保证密实接顶； [0036] 其次， 当墩柱架设达到侧护钢板及防水塑胶帘的单块 长度时， 及时进行侧护钢 板和防水塑胶帘的安装； 安装时， 先紧贴墩柱和矸石袋墙铺设侧护钢板， 钢板 和墩柱外侧之间采用固态凝胶粘接的方式； 钢板安装完成后， 在其外侧进行防 水塑胶帘的铺设， 塑胶帘上下与顶底板粘接牢固， 其与侧护钢板采用粘接的连 接方式；

[0037] 该项工序直至沿工作面方向全部架设完毕后结 束；

[0038] 步骤五： 内部充填体的构筑，

[0039] 施工时沿工作面推进方向分阶段依次进行， 工作面每向前推进 1〜 2刀煤的距离 （长度 1） ， 随即在后方进行该空间的充填工作， 具体工序包括：

[0040] a、 墩柱和隔离体架设好后， 采煤机继续向前割煤， 支架追机向前移架， 随着 支架的前移， 在支架后方及时架设密集单体液压支柱， 相邻两棵单体支柱紧靠 ， 支柱的架设与钢管混凝土墩柱的架设顺序相同 ， 实行追架作业， 即每向前移 动一个支架， 后方随即开始安装单体支柱， 同时在单体支柱内侧铺设挡水帘； [0041] b、 沿工作面方向的密集单体液压支柱安装完成后 ， 在单体支柱和墩柱隔离体 之间形成了一个相对较为封闭的空间， 该空间宽度为采煤机割 1〜 2刀煤的距离 ， 此时进行该空间的充填工作， 充填料浆通过搅拌机、 充填泵及充填管路输送 至该空间， 充填管路由工作面上顺槽内进入， 从下部端头开始依次充填， 充填 时， 每次充填距离在 5〜 6m左右， 充满第一段后， 掐缩充填管路， 进行第二段的 充填， 相邻段之间不再增设其他隔挡措施， 直至该空间全部充填完毕后结束； [0042] c、 第一条充填体构筑完成后， 工作面继续向前推进， 随着支架的前移， 在支 架后方依次进行的工序为第一排单体支柱的拆 除与第二排密集单体支柱的架设 工作， 实行先拆后支的工艺顺序， 待拆除与架设全部完成后， 第二条充填空间 形成， 与原工艺步骤相同， 进行第二条充填体的构筑工作；

[0043] d、 依次进行上述工艺步骤， 待充填体整体宽度达到设计宽度时， 充填工作停 止， 内部充填体构筑完成；

[0044] 步骤六： 构筑第二排墩柱与隔离体；

[0045] 步骤七： 循环工序，

[0046] 第一个采空区支撑结构体形成后， 工作面继续向前推进， 此时后方采空区不再 处理， 保持悬顶状态； 待推进长度达到设计的不支撑区域宽度时， 开始进行第 二个支撑结构体的构筑工作， 施工工艺依上述步骤三至步骤六顺序进行。

[0047] 进一步的， 步骤一的具体步骤为：

[0048] 首先， 分析煤层上方顶板岩层结构， 根据矿山压力与岩层控制理论计算公式、 实验室力学实验， 计算确定直接顶岩层的极限破断距离 1^， 不支撑区域宽度!^ 小于上方直接顶岩层的极限破断距离 1^， 采用 L ₁₌ (0.5〜 0.6) L _q;

[0049] 其次， 计算煤层上方直接顶和基本顶岩层的自重应力 ， 计算支撑体所需提供的 最大支撑阻力， 反演计算支撑体所需最小宽度 L ₂ 。

[0050] 进一步的， 步骤二的具体步骤为：

[0051] 首先， 根据所述的最大支撑阻力， 分解计算支撑体各部分所需提供的最大支撑 力， 从而确定主要支撑结构各部分的组成参数， 主要包括： 钢管混凝土墩柱中 的钢管管径、 壁厚、 内部灌注混凝土的材料组成及配比； 钢管混凝土墩柱在工 作面方向上的布置间距； 内部充填体的材料组成及配比；

[0052] 其次， 理论及数值模拟分析上覆直接顶及基本顶岩层 的变形特征与极限下沉挠 度， 根据计算结果确定墩柱上方柔性让压层的厚度 。

[0053] 进一步的， 步骤六具体步骤包括： 充填体构筑完成后， 随即安装第二排墩柱及 隔离体， 第二排墩柱及隔离体的安装与所述步骤三、 四的工序相同但顺序相反 ， 随着工作面的向前推进， 在支架后方， 紧靠采空区内已经预先凝结的充填体 ， 先铺设防水塑胶帘， 再铺设侧护钢板， 然后安装空钢管墩柱与注浆， 每次墩 柱注浆完成后， 随即进行柱间矸石袋墙的垒砌工作， 工序步骤均是沿工作面方 向分段依次进行， 待第二排墩柱与隔离体构筑结束后， 一个完整的采空区支撑 结构体形成。

发明的有益效果

有益效果

[0054] 本发明所带来的有益技术效果为：

[0055] ( 1) 该结构体能够在采空区内对覆岩顶板实现卸压 后的高强支护， 控制坚硬 顶板不发生断裂冒落， 实现控制地表沉陷的目的。 传统的采空区条带充填体， 大多是以充填材料作为主体支撑结构， 无侧向围压支撑， 而普通矸石胶结充填 体承载能力有限， 很容易由两侧向中央快速发生塑性破坏而失稳 ， 不能对顶板 进行有效支撑。 本发明提出的新型支撑结构， 在对内部充填体进行强化的基础 上， 在两侧增加了钢管混凝土墩柱和柔性让压结构 。 前期， 墩柱上方的让压结 构和充填体压缩， 允许顶板小范围下沉， 使基本顶与上覆顶板离层， 缩小需控 顶板范围， 起到卸压的目的； 后期， 墩柱接顶后， 与内部充填体共同对顶板进 行强力支撑。 一方面， 墩柱对内部充填体提供了一个较大的侧向围压 ， 提高了 充填体的抗压强度， 使整个充填体结构不会发生塑性破坏， 全宽度上保留“弹性 核区”作用； 另一方面， 墩柱承载力非常高， 支撑阻力超过 4000kN以上， 与内部 充填体共同作用， 能够完全控制顶板的下沉运动。

[0056] (2) 钢管混凝土墩柱具有良好的结构稳定性和抗腐 蚀性， 同时墩柱与内部充 填体之间的隔离结构也能有效保护充填体与采 空区恶劣坏境的接触， 使充填体 始终保持较高的承载力。 因此该结构体在保持长期稳定性上比传统的采 空区充 填体具有较大优势。

[0057] (3) 该结构在采空区顶板支撑作用机制上更加合理 ， 结构更加灵活。 钢管混 凝土墩柱与内部充填体之间的柔性侧护钢板， 该结构一方面在充填体早期对其 进行封堵隔漏， 使内部充填体更好成型； 另一方面在后期使钢管混凝土墩柱与 内部充填体的接触由点接触转化为面接触， 使侧向力的传递更加均匀。 同时， 该结构的柔性侧护特征使其在内部充填体的早 期压缩过程中能够对其进行侧向 卸压。 这是因为， 随着顶板的下沉， 内部充填体逐渐被压缩， 充填体内部裂隙 闭合而逐渐紧实， 抗压强度逐渐提高。 而若顶板下沉尚未接触到钢管混凝土墩 柱之前， 内部充填体即被压缩到极限状态的话， 此时柔性侧护钢板开始被挤压 侧向变形， 向墩柱之间的矸石袋墙体挤压， 允许内部充填体进一步下沉变形而 不至于对墩柱造成过大的侧向压挤。

[0058] (4) 消化矸石， 构筑速度快。 该结构体内部充填体以井下破碎矸石为主要粗 骨料， 能够大量消化井下矸石， 实现矸石不上井。 同时， 相比于传统的采空区 条带充填体， 该结构更加简洁， 构筑速度更快， 能够实现工作面高效开采基础 上的采空区顶板控制的目的。

[0059] 本发明支撑结构使坚硬的直接顶岩层不断裂、 不下沉， 达到控制开采沉陷、 置 换“三下”煤炭资源以及消化矿区矸石的多重 效果。 同时该支撑结构相比于当前的 采空区全部充填及条带充填体来说， 施工工艺更为简化， 构筑速度更快， 对采 煤工作面开采效率的影响更小。

对附图的简要说明

附图说明

[0060] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0061] 图 1为采空区充填支撑结构体布置平面图；

[0062] 图 2为图 1中的 A-A剖面截面图；

[0063] 图 3为图 1中侧向支撑体及隔离体的局部放大图；

[0064] 图 4为钢管混凝土墩柱及隔离体的构筑工艺图；

[0065] 图 5为内部充填体的构筑工艺图；

[0066] 图 6为第二条充填空间的构筑工艺图。

[0067] 图中： 1一工作面综采液压支架； 2—钢管混凝土墩柱； 3—防倒支撑腿； 4一内 部充填体； 5 -防水塑胶帘； 6 -柔性侧护钢板； 7 -矸石袋墙； 8 -柔性让压结 构； 9一排气孔； 10—注浆口； 11一底座； 12—输送管道； 13—空钢管墩柱； 14 _单体液压支柱。 发明实施例

本发明的实施方式

[0068] 本发明提出了一种坚硬顶板条件下采空区局部 充填支撑结构体及其构筑方法， 为了使本发明的优点、 技术方案更加清楚、 明确， 下面结合具体实施例对本发 明做详细说明。

[0069] 结合图 1至图 3所示， 本发明一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支 撑结构体， 包括三部分： 两侧支撑体、 两侧隔离体以及内部充填体 4。

[0070] 其中两侧支撑体由钢管混凝土墩柱 2、 防倒支撑腿 3以及柔性让压结构 8组成。

其中钢管混凝土墩柱 2为主要的强力支撑结构， 由无缝钢管和内部核心混凝土制 作而成。 无缝钢管采用 Q255 （屈服强度 255MPa） 等级以上的优质碳素结构钢， 钢管管径、 壁厚、 长度等参数根据设计的钢管混凝土墩柱的承载 能力进行选型 ; 钢管内部灌注混凝土浆液， 浆液由河沙 +石子 +普通水泥 +快硬水泥 +添加剂 +水 搅拌制作， 其混凝土强度不低于 C40 （抗压强度 40MPa） 等级。

[0071] 其中在钢管混凝土墩柱侧边离底部越 300-500mm处开设有注浆口 10, 用以向钢 管内部灌注混凝土浆液， 灌注时采用由下至上的顶升灌注法， 可以保证浆液注 满充实。 墩柱顶、 底部均实行密封焊接处理， 在墩柱顶部留设有两个排气孔 9， 用以在注浆时排出空气， 保证浆液注满充实。

[0072] 其中防倒支撑腿 3同样为钢管混凝土结构， 其钢管管径小于墩柱的钢管管径， 不超过 50mm， 与墩柱焊接连接。 其上部焊接于墩柱中间位置， 其向一侧倾斜， 倾斜角度约为 20-30°左右； 下部有防钻底底座 11， 底座可用木块、 钢板等材料制 作， 主要根据底板岩性、 软岩程度等因素考虑确定。 防倒支撑腿给墩柱一个侧 向支撑力， 防止墩柱受水平挤压力作用下向两侧倾倒， 从而给内部充填体提供 足够的侧向围压。

[0073] 其中柔性让压结构 8为缓冲让压层， 可用木楔、 水泥背板等材料加工制作， 保 证接顶密实， 其厚度不宜过大， 以不超过 200mm为宜， 根据顶板岩层的结构以 及变形特性进行计算分析确定。 让压层高度 +钢管混凝土墩柱高度 =煤层采高。

[0074] 其中两侧隔离体结构由三部分组成， 包括相邻钢管混凝土墩柱之间垒砌的矸石 袋 7、 紧贴墩柱架设的柔性侧护钢板 6以及钢板一侧挂设的防水塑胶帘 5。 矸石墙 体 7铺设于相邻的两根钢管混凝土之间， 防止墩柱侧向变形， 同时起到第一层封 堵支撑结构内部空间的作用， 墙体厚度与钢管管径相适应。 墙体由单个矸石袋 垒砌组成， 矸石袋由普通编织袋或铁丝袋内部装满破碎矸 石组成。

[0075] 柔性侧护钢板 6高度与墩柱高度相同， 厚度约为 3-5mm， 沿工作面长度方向铺 设多块钢板， 每块钢板长度约为 2-3m。 柔性侧护钢板为第二层封堵隔离结构， 也是最主要的一层隔离结构体。

[0076] 防水塑胶帘 5为第三层封堵隔离结构， 可由厚度适宜的塑料布、 具有隔水能力 的其他塑料及橡胶制品制作。 该层结构同样沿工作面方向分块铺设， 每块长度 约为 10-15m左右。 其主要作用一是使内部充填体早期更好成型， 另一方面是在 长期阶段内， 隔离采空区潮湿环境与内部充填体的接触， 防止内部充填体遇水 软化而造成支撑强度降低的情况。

[0077] 其中内部充填体 4由速凝高强矸石胶结材料组成。 [0078] 材料组成成分为破碎矸石 +水泥 +添加剂 +水， 其中材料成分里面以破碎矸石为 主要的粗骨料， 起到消化矿区矸石的目的， 实现矸石不上井； 水泥要包括普通 水泥和快硬水泥两种， 由于内部充填体要与两侧钢管混凝土墩柱共同 支撑上覆 顶板， 要求其具有前期的速凝特性以及后期较高的抗 压强度， 两种水泥的用量 决定上述特性， 因此要根据理论及实验结果确定其精确的配比 ； 添加剂主要包 括减水剂、 速凝剂等， 由于充填体为局部充填， 两侧隔离措施不一定能保证充 填浆液的完全密封， 因此要求充填浆液在保证泵送的基础上具有一 定的粘稠度 ， 以便更好成型。 上述材料配比根据理论及实验结果确定。

[0079] 充填料浆的初凝时间要与工作面推进速度保持 相对一致， 一般要在 60min内实 现基本凝固， 以便更好成型。 充填料浆的极限压缩量在 200-300mm范围内。 充填 料浆凝固 3d及 28d后所达到的抗压强度应分别不低于 5.5MPa和 10.5MPa。

[0080] 实施例 1 :

[0081] 以某工作面作为具体工程案例， 对本发明提出的一种坚硬顶板条件下采空区局 部充填支撑结构体的构筑方法进行进一步解释 说明。

[0082] 具体工程地质条件包括： 某综采工作面面长 150m， 煤层采高 2m， 双滚筒采煤 机割煤， 每割一刀煤的进尺为 1.0m; 直接顶岩层为坚硬的灰岩， 厚度 4.0m， 基 本顶岩层为中等强度的砂岩， 厚度 5m。

[0083] 结合图 4至图 6所示， 一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构 体的构筑方 法， 包括以下步骤：

[0084] a、 确定支撑体宽度与不支撑区域宽度，

[0085] 首先， 分析煤层上方顶板岩层结构， 根据矿山压力与岩层控制理论计算公式、 实验室力学实验等， 计算确定直接顶岩层的极限破断距离 L _f lOm， 不支撑区域 宽度 L ,要小于上方直接顶岩层的极限破断距离 （即初次垮落步距） 1^， 为保证 现场工程安全， 设计采用 L ₁₌ 0.5L _Q =10m。

[0086] 其次， 通过计算煤层上方直接顶和基本顶岩层的自重 应力， 设计计算支撑体所 需提供的最大支撑阻力， 反演计算得到支撑体 （主要是内部充填体） 所需最小 宽度 L ₂ =8m。

[0087] b、 支撑体各组成部分参数确定， [0088] 首先， 根据前述计算的整体支撑结构所需提供的最大 支撑阻力， 分解计算支撑 体各部分所需提供的最大支撑力， 从而确定主要支撑结构各部分的组成参数。

[0089] 在本具体实施例中， 通过计算设计， 拟选取钢管混凝土墩柱中的钢管外径取 32 5mm、 壁厚 4mm; 钢管混凝土墩柱在工作面方向上的布置间距为 600mm， 整个 面长布置钢管混凝土墩柱约 160根； 内部灌注混凝土的材料组成及配比为： 水泥 : 沙： 碎石： 减水剂： 7X =1: 1.2:2.3:0.02： 0.42， 其中快硬硫 （铁） 铝酸盐水泥 占总水泥用量的 20%左右； 内部充填体的材料组成及配比为： 水泥:砂子:矸石骨 料:水 =3.7: 3.8:29.6:9.5， 其中快硬硫 （铁） 铝酸盐水泥占总水泥用量的 30%左右 ， 添加的速凝剂用量为整体质量的 1.2%。

[0090] 其次， 理论及数值模拟分析上覆直接顶及基本顶岩层 的变形特征与极限下沉挠 度， 根据计算结果确定墩柱上方柔性让压层的厚度 约为 200mm， 整体钢管混凝 土墩柱高度约为 1800mm。

[0091] c、 第一排墩柱支撑体的安装，

[0092] 如图 4所示， 自开切眼开始， 当工作面推进到设计的不支撑区域宽度， 即 10m 时， 开始架设第一排墩柱支撑体。 空钢管墩柱 13由地面加工制作完成， 运送至 井下后直接安装。 空钢管墩柱的架设紧随工作面综采液压支架 1的向前推移而进 行， 实行追架作业。 一般每推移 2-3个支架后， 开始在后方架设空钢管墩柱， 架 设工作在支架的尾梁保护下进行。

[0093] 本实施例中， 当空钢管墩柱架设 5根后 （第一段） ， 开始集中进行混凝土的灌 注工作， 整个面长上共分 36次进行空钢管墩柱的灌注工作。 灌注浆液的制作在 工作面前方的上平巷内 （运输顺槽） 进行， 超前工作面 20m的距离。 将材料通过 搅拌机混合， 再通过输送泵、 输送管道 12连接至空钢管墩柱 13的注浆口上， 向 钢管内注浆， 形成完整的钢管混凝土墩柱。 该项工序直至沿工作面方向将整排 壤柱架设完毕后结束。

[0094] d、 墩柱旁隔离体的安装架设。

[0095] 隔离体的安装架设工作紧随钢管混凝土墩柱的 安装进行， 与墩柱的架设同样分 阶段进行。

[0096] 首先， 当第一段集中 5根墩柱灌注混凝土工序完成后， 即开始进行墩柱间矸石 袋墙的垒砌工作， 相邻墩柱间的矸石袋墙宽度为 600mm， 由下往上逐渐垒砌， 并保证密实接顶；

[0097] 其次， 柔性侧护钢板以及防水塑胶帘均是分块制作， 柔性侧护钢板每块长度为 5m， 防水塑胶帘每块长度约为 10m， 易于剪切， 可在井下安装过程中随时切割 。 当墩柱架设达到其单块长度时， 及时进行侧护钢板和防水塑胶帘的安装； 安 装时， 先紧贴墩柱和矸石袋墙铺设侧护钢板， 钢板和墩柱外侧之间采用固态凝 胶粘接的方式； 钢板安装完成后， 在其外侧进行防水塑胶帘的铺设， 塑胶帘上 下与顶底板粘接牢固， 保证接顶接底， 起到有效防水的作用， 其与侧护钢板同 样采用粘接的连接方式。

[0098] 该项工序直至沿工作面方向全部架设完毕后结 束。

[0099] e、 内部充填体的构筑

[0100] 内部充填体的构筑是该支撑结构施工的主要工 序。 施工时沿工作面推进方向分 阶段依次进行， 工作面每向前推进 1刀煤的距离， 随即在后方进行该 lm空间内的 充填工作。 本实施例中， 采煤机每割一刀煤进尺 1.0m， 设计充填体的宽度为 8m ， 因此内部充填体要分 8个循环进行构筑， 每条充填体的宽度 l=lm。 其构筑的具 体工序包括：

[0101] i、 墩柱和隔离体架设好后， 采煤机继续向前割煤， 支架追机向前移架， 随着 支架的前移， 在支架后方及时架设密集单体液压支柱 14, 相邻两棵单体支柱紧 靠。 支柱的架设与钢管混凝土墩柱的架设顺序相同 ， 实行追架作业， 即每向前 移动一个支架， 后方随即开始安装单体支柱。 同时在单体支柱内侧铺设挡水帘

[0102] ii、 沿工作面方向的密集单体液压支柱安装完成后 ， 在单体支柱和墩柱隔离体 之间就形成了一个相对较为封闭的空间， 如图 5所示， 该空间宽度为采煤机割 1 刀煤的距离， 即 lm。 此时进行该空间的充填工作。 充填料浆通过搅拌机、 充填 泵及充填管路输送至该空间， 充填管路由工作面上顺槽内进入， 从下部端头开 始依次充填。 充填时， 每次充填距离设计为 5m， 充满第一段后， 掐缩充填管路 ， 进行第二段的充填， 相邻段之间不再增设其他隔挡措施。 经过 30个分段的施 工， 该空间全部充填工作结束。 [0103] iii、 第一条充填体构筑完成后， 工作面继续向前推进， 随着支架的前移 （1刀 割煤距离） ， 在支架后方依次进行的工序为第一排单体支柱 的拆除 （挡水帘不 拆） 与第二排密集单体支柱的架设工作， 实行先拆后支的工艺顺序。 待拆除与 架设全部完成后， 第二条充填空间形成， 与原工艺步骤相同， 进行第二条充填 体的构筑工作。

[0104] iv、 依次进行上述工艺步骤， 待充填体整体宽度达到设计宽度 8m时， 充填工作 停止， 内部充填体构筑完成。

[0105] f、 第二排墩柱与隔离体的构筑

[0106] 充填体构筑完成后， 随即安装第二排墩柱及隔离体。 第二排墩柱及隔离体的安 装与上述步骤 _c 、 d的工序大体相同， 但顺序相反。 随着工作面的向前推进， 在支 架后方， 紧靠采空区内已经预先凝结的充填体， 先铺设防水塑胶帘， 再铺设侧 护钢板， 然后安装空钢管墩柱与注浆， 每次墩柱注浆完成后， 随即进行柱间矸 石袋墙的垒砌工作。 上述工序步骤均是沿工作面方向分段依次进行 的。

[0107] 待第二排墩柱与隔离体构筑结束后， 一个完整的采空区支撑结构体形成。

[0108] g、 循环工序。

[0109] 当第一个采空区支撑结构体形成后， 工作面继续向前推进， 此时后方采空区不 再处理， 保持悬顶状态。 待推进长度达到设计的不支撑区域宽度 10m时， 开始进 行第二个支撑结构体的构筑工作。 施工工艺依上述步骤 c至步骤 f顺序进行。

[0110] 上述未述及的内容借鉴现有技术即可实现。

[0111] 需要进一步说明的是， 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所 作的举例 说明。 本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述 的具体实施例做各种各样 的修改或补充或采用类似的方式替代， 但并不会超越权利要求书所定义的范围