本发明公开了一种沿空留巷巷旁适量让压不等强组合充填结构及其施工方法，该充填结构的上层充填体是用矸石袋堆积起来的，矸石袋中装有水、水泥和碎矸石混合物；下层充填体是一个膏体充填墙，膏体充填墙由水、水泥、废石膏、高炉矿渣、废石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；本发明通过调节两种充填体的充填高度和配置比例，可以使充填体的可缩性在合理的范围内，这样能较好的适应坚硬顶板岩层的运动规律，保证了沿空留巷的稳定性。
1.一种沿空留巷巷旁适量让压不等强组合充填结构，由上下两层充填体组合而成，上层充填体采用强度低变形量大的充填材料，下层充填体采用强度较高的充填材料，其特征在于：所述的上层充填体充填高度为h1，它是用宽为0.4-0.6米、长1.2-1.5米的矸石袋堆积起来的，矸石袋中装有质量比为1∶1.7∶5的水、水泥和碎矸石混合物，要求该混合物初凝时间为30-40min，终凝时间1.5-2.5h，终凝后矸石袋抗压强度达到2-3MPa；28天后矸石袋抗压强度达到10-20MPa；
所述的下层充填体是一个膏体充填墙，充填高度为h2，膏体充填墙由质量比为
1∶0.3∶0.2∶0.5∶0.2∶0.3∶0.6的水、水泥、废石膏、高炉矿渣、废石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏体充填墙材料的抗压强度1天达到5-10MPa，3天达到
10-20MPa，7天达到20-28MPa，28天达到30-35Mpa；
第一步：根据采高值和直接顶厚度计算岩梁实际沉降值SASA=h-mz(KA-1)
KA-岩梁触矸处下部已冒岩层的碎胀系数，取1.25-1.35；
第二步：根据岩梁实际沉降值SA计算上层充填体充填高度h1h1=α0SA／α
第三步：根据采高h和上层充填体高度h1计算下层充填体充填高度h2h2=h-h1。
2.如权利要求1所述的充填结构的施工方法，其特征在于，步骤如下：第一步：井下巷道开挖后进行锚、索、网、带支护和工作面单体液压支柱(6)支护，同时布置工作面，井下工作面(7)布置之后开始正常割煤、回柱，割煤后形成采空区(12)；
第二步：在留巷(9)内使用单体液压支柱作为超前支护(5)加铰接顶梁支护，在留巷侧充填宽度内再用木支柱(11)进行支护加固，随着工作面的推进，在超前支护(5)处增加单体液压支柱，加强为滞后支护(14)；滞后支护(14)和木支柱(11)共同承担了上层充填体凝结前顶板的初期来压；
第三步：同时地面开始备料，准备充填材料运至留巷内，充填材料注入喷浆机(3)内加水搅拌均匀；
第四步：在工作面后方支设临时支护(13)和充填模板(8)，充填高度为h2，由喷浆机(3)通过喷浆管道(4)将下层充填体的充填材料注入到充填模板(8)上进行膏体充填，作为下层充填体(1)；
第五步：待下层充填体(1)的膏体充填体凝固后，在膏体充填体上充填矸石袋并紧密排列，堆砌到顶板，形成上层充填体(2)；
第六步：待上层充填体(2)的矸石袋凝固2-3天之后，撤去临时支护(13)，同时回收工作面后方200米范围之外的除巷旁两侧的滞后支护(14)，上层充填体(2)和下层充填体(1)形成不等强组合充填体(10)；
第七步：同时，随着工作面推进重复上述步骤二至步骤六。
沿空留巷巷旁适量让压不等强组合充填结构及施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及应用在煤矿井下的一种充填技术，具体涉及坚硬顶板条件下沿空留巷巷旁充填结构及施工方法。
背景技术
[0002] 沿空留巷巷旁充填是煤矿开采技术的一项重大改革，此项技术不仅可提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、取消孤岛工作面，而且它也是矿山进行采煤方法改革最有效的途径。
[0003] 目前，国内外常用的沿空留巷巷旁充填方式主要有水泥基膏体充填、矸石带充填、高水速凝材料充填等等。由于坚硬顶板条件下沿空留巷，工作面侧向基本顶悬顶时间长，悬顶距大，上述三个充填方式存在的缺陷是：巷旁充填体将承受很大的顶板压力，对于水泥基膏体充填体，其初期强度低、可缩性较差，不能较好地适应坚硬岩层运动规律；矸石带充填工作量大，矸石带提供的支护阻力较小，支护效果较差；高水速凝材料成本较高，支护强度低，不适应沿空巷道的高压突变性，工作面二次采动期间，充填体很容易变形破坏，造成采空区漏风严重，给矿井的通风和巷道的维护工作带来了很大的困难。
[0004] 为了克服上述三种填充方式存在的不足，中国专利CN101922292A(申请号201010105609.7)公开了一种煤矿沿空留巷巷旁分段承载不等强支护原理及应用，一种适于煤矿沿空留巷分段承载巷旁支护的支护机理及应用方法，它的运输巷巷旁支护分为上下两层充填材料组合支护。上层采用强度低变形量大的充填材料，下层采用采用强度较高的充填材料，从而达到支护和密封双重效果。存在的缺陷是：该专利只提供一种笼统的支护理念，缺乏实际可行的操作手段，不能较好地适应坚硬岩层运动规律，无法满足不同支护环境下的操作需求；充填结构上层充填体的让压功能无法定量确定，所以在留巷充填施工时，为防止采空区顶板冒落，需打锚杆进行超前支护和滞后支护，施工复杂，锚杆不能回收，即使留巷使用完了也不能回收，造成留巷成本增加。也就是说，对比文件1本身也不能确定让压功能是否能满足顶板冒落的需求，所以为了保险起见，使用锚杆作为超前和滞后支护，导致不但施工成本大大提高，而且不适用于1.3米以下的薄煤层施工。
[0005] 另外，煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，长期以来，它被视为煤矿在井下开采过程中的废弃物，长期在地面露天堆放，如何综合开发利用煤矸石，变废为宝，已成为煤炭行业近年来研究开发的重要课题。
[0006] 目前，在巷旁支护领域中，怎么在降低充填体成本的前提下使让压量能抵消顶板下沉量是本领域技术人员一直想解决而没有解决的技术问题。
发明内容
[0007] 为了克服现有坚硬顶板条件下沿空留巷充填结构施工复杂、成本高、让压不确定的缺陷，本发明利用废弃矸石和工业废渣提供一种新型的充填技术，这是一种不等强的组合充填结构，这种不等强的组合充填结构具有让压功能，其下层充填体可提供较高的支护强度。
[0008] 为了实现上述任务，本发明的不等强组合支护结构由上下两层充填体组合而成，上层充填体采用强度低变形量大的充填材料，下层充填体采用强度较高的充填材料，其特征在于：
[0009] 所述的上层充填体充填高度为h1，它是用宽为0.4-0.6米、长1.2-1.5米的矸石袋堆积起来的，矸石袋中装有质量比为1∶1.7∶5的水、水泥和碎矸石混合物，要求该混合物初凝时间约30-40min，终凝时间1.5-2.5h，终凝后矸石袋抗压强度可达2-3MPa；28天后矸石袋抗压强度可达10-20MPa；
[0010] 所述的下层充填体是一个膏体充填墙，充填高度为h2，膏体充填墙由质量比为1∶0.3∶0.2∶0.5∶0.2∶0.3∶0.6的水、水泥、废石膏、高炉矿渣、废石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏体充填墙材料的抗压强度1天可达5-10MPa，3天可达
10-20MPa，7天可达20-28MPa，28天可达30-35MPa。
[0011] 上述充填高度h1和h2由以下方法确定：
[0012] 第一步：根据采高值和直接顶厚度计算岩梁实际沉降值SA
[0013] SA=h-mz(KA-1)
[0014] 式中：
[0015] h-采高；
[0016] mz-直接顶厚度；
[0017] KA-岩梁触矸处下部已冒岩层的碎胀系数，一般采场取1.25-1.35；
[0018] 第二步：根据岩梁实际沉降值SA计算上层充填体充填高度h1
[0019] h1=α0SA／α
[0020] 式中：
[0021] α-上层充填体让压系数，取0.2；
[0022] α0-让压安全系数，取1.5；
[0023] 第三步：根据采高h和上层充填体高度h1计算下层充填体充填高度h2[0024] h2=h-h1
[0025] 和其他用于沿空留巷的充填结构相比，本发明有如下优势：
[0026] 1、利用不等强体进行组合充填，兼顾了矸石带充填与膏体充填的优势，针对悬顶时间长，悬顶距大的坚硬顶板，该结构前期能提供较好的让压作用，缓解顶板下沉，使充填体不至于在较高的顶板压力下被压坏，后期整体结构则提供较高的支护阻力，保证了沿空留巷的稳定性。
[0027] 2、组合结构充填材料用的废石膏、高炉矿渣、废石灰、粉煤灰都是工业废渣，有效地利用这些废弃物不仅可以减少对环境的污染，还能降低充填的成本，其余的成分也是煤矿上常用的材料，容易获取，施工方便易行；根据下层充填体结构的特性，取让压系数为0.2，让压安全系数为1.5，保证了二次采动顶板来压时留巷的完整性，还可以缓解坚硬顶板留巷由于微小扰动可能发生的无预兆冲击；能根据顶板特性，调节两种充填体的充填高度和配置比例，可以使充填体的可缩性在合理的范围内，这样能较好的适应坚硬顶板岩层的运动规律。
[0028] 3、由于本发明充填结构上层充填体材料配比以及性能参数的选取，使上层充填体的让压高度大于顶板下沉的高度，且让压高度在合理的范围之内，坚硬顶板可能发生小的无预兆冲击完全可以顶住，所以施工时，为了保证留巷的成功，在下层充填体凝结前，只需使用巷旁单体液压支柱作为滞后支护和采空区木支柱进行初期支护，不用成本较高的锚杆支护，稳定性好，降低了施工成本；当留巷使用完之后，留巷内全部的单体液压支柱都可以回收，进一步降低了留巷的成本。
[0029] 总之，本发明的充填体在降低充填体成本和施工成本的前提下，实现了让压量完全可以顶住顶板下沉量的目的，虽然表面上看结构简单，但是它解决了本领域技术人员想解决而没有解决的技术问题，具有突出的实质性特点和显著的进步，符合专利法第22条第3款有关创造性的规定。
附图说明
[0030] 图1为本发明不等强充填体结构的立体图。
[0031] 图2为本发明不等强充填体结构的具体施工示意图。
[0032] 图中标号分别表示：1-下层充填体，2-上层充填体，3-喷浆机，4-喷浆管道，5-超前支护，6-工作面单体液压支柱，7-工作面，8-充填模板，9-留巷，10-不等强组合充填体，11-木支柱，12-采空区，13-临时支护，14-滞后支护。
具体实施方式
[0033] 下面参照附图对本发明的结构以及具体施工方式进行详细说明。
[0034] 第一步：井下巷道开挖后进行锚、索、网、带支护和工作面单体液压支柱6支护，同时布置工作面，井下工作面7布置之后开始正常割煤、回柱，割煤后形成采空区12。
[0035] 第二步：在留巷9内使用单体液压支柱作为超前支护5加铰接顶梁支护，在留巷侧充填宽度内再用木支柱11进行支护加固，随着工作面的推进，在超前支护5处增加单体液压支柱，加强为滞后支护14；滞后支护14和木支柱11共同承担了上层充填体凝结前顶板的初期来压。
[0036] 第三步：同时地面开始备料，准备水、水泥、矸石、粉煤灰等充填材料运至留巷内，充填材料注入喷浆机3内加水搅拌均匀。
[0037] 第四步：在工作面后方支设临时支护13和充填模板8，充填高度为h2，由喷浆机3通过喷浆管道4将充填材料注入到充填模板8上进行膏体充填，作为图1结构中的下层充填体1，下层充填体1的充填材料由质量比为1∶0.3∶0.2∶0.5∶0.2∶0.3∶0.6的水、水泥、废石膏、高炉矿渣、废石灰、粉煤灰和矸石粉混合物形成的；要求膏体充填墙材料的抗压强度1天可达5-10MPa，3天可达10-20MPa，7天可达20-28MPa，28天可达30-35MPa。
[0038] 第五步：待下层充填体1的膏体充填体凝固后，在膏体充填体上充填矸石袋并紧密排列，堆砌到顶板，形成图1中充填结构的上层充填体2，；矸石袋中装有质量比为1∶1.7∶5的水、水泥和碎矸石混合物，要求该混合物初凝时间约30-40min，终凝时间
1.5-2.5h，终凝后矸石袋抗压强度可达2-3MPa；28天后矸石袋抗压强度可达10-20MPa。本实施例图1中矸石袋只画有一层，在实际工程中，矸石袋需要堆积的层数需根据矸石袋中材料终凝后的压实厚度和矸石袋的充填高度而定。
[0039] 第六步：待上层充填体2的矸石袋凝固2-3天之后，撤去临时支护13，同时回收工作面后方200米范围之外的除巷旁两侧的滞后支护14，上层充填体2和下层充填体1形成图2中所示的不等强组合充填体10。
[0040] 第七步：同时，随着工作面推进重复上述步骤二至步骤六。
[0041] 本发明施工方法尤其适用于1.3米以下的薄煤层施工。
