本发明公开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，属于煤矿开采中的岩层运动控制技术领域。支撑结构体包括位于采空区内的充填体及位于充填体两侧的侧向支撑体及隔离体；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，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，防倒支撑腿设置在钢管混凝土墩柱的中间位置，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。本发明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。
1.一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，其特征在于：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；
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；
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、紧贴钢管混凝土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。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构体，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构体，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构体，其特征在于：所述的速凝矸石胶结材料由破碎矸石、水泥、添加剂及水组成，其中，所述的破碎矸石作为粗骨料。
5.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构体，其特征在于：所述的混凝土浆液由河沙、石子、水泥、添加剂及水通过搅拌制作而成，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。
6.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板条件下采空区局部充填支撑结构体，其特征在于：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。
7.一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，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一：确定支撑体宽度与不支撑区域宽度；
自开切眼开始，当工作面推进到设计的不支撑区域宽度时，架设第一排钢管混凝土墩柱，首先选取空钢管墩柱，所述的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；
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，整个工作面长度方向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钢管混凝土墩柱架设完毕后结束；
隔离体的安装紧随钢管混凝土墩柱的架设，与钢管混凝土墩柱的架设同样分阶段进行；
首先，当第一段集中钢管混凝土墩柱灌注混凝土工序完成后，即开始进行钢管混凝土墩柱间矸石袋墙的垒砌工作，及时对钢管混凝土墩柱进行侧向加固，矸石袋墙保证密实接顶；
其次，当钢管混凝土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，先紧贴钢管混凝土墩柱和矸石袋墙铺设侧护钢板，钢板和钢管混凝土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；
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，随即在后方进行该空间的充填工作，具体工序包括：a、钢管混凝土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，相邻两棵密集单体液压支柱紧靠，密集单体液压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，后方随即开始安装密集单体液压支柱，同时在密集单体液压支柱内侧铺设挡水帘；
b、沿工作面方向的密集单体液压支柱安装完成后，在密集单体液压支柱和钢管混凝土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；
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密集单体液压支柱的拆除与第二排密集单体液压支柱的架设工作，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，与第一条充填体构筑步骤相同，进行第二条充填体的构筑工作；
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；
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。
8.根据权利要求7所述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，其特征在于，步骤一的具体步骤为：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L0，不支撑区域宽度L1小于上方直接顶岩层的极限破断距离L0，采用L1＝0.5L0～0.6L0；
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L2。
9.根据权利要求8所述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，其特征在于，步骤二的具体步骤为：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，从而确定钢管混凝土墩柱各部分的组成参数，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；
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，根据计算结果确定钢管混凝土墩柱上方柔性让压层的厚度。
10.根据权利要求7所述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，其特征在于，步骤六具体步骤包括：充填体构筑完成后，随即安装第二排钢管混凝土墩柱及隔离体，第二排钢管混凝土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，每次空钢管墩柱注浆完成后，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，待第二排钢管混凝土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。
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
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。
发明内容
[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L2，相邻支撑结构体之间不支撑区域宽度为L1。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L1要小于上方直接顶岩层的极限破断距离(即初次垮落步距)L0，为保证现场工程安全，设计采用L1＝(0.5～0.6)L0。支撑结构体整体宽度L2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+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。
[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l)，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L0，不支撑区域宽度L1小于上方直接顶岩层的极限破断距离L0，采用L1＝(0.5～0.6)L0；
[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L2。
[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。
[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。
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—工作面综采液压支架；2—钢管混凝土墩柱；3—防倒支撑腿；4—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—排气孔；10—注浆口；11—底座；12—输送管道；13—空钢管墩柱；14—单体液压支柱。
具体实施方式
[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L0＝20m，不支撑区域宽度L1要小于上方直接顶岩层的极限破断距离(即初次垮落步距)L0，为保证现场工程安全，设计采用L1＝0.5L0＝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L2＝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325mm、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：水＝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墩柱架设完毕后结束。
[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1m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＝1m。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1m。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。
