本发明属于地下空区处理领域，涉及一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法。
背景技术：
地下空区引起地表变形、开裂、塌陷，占用和破坏大量土地、山林及水资源，威胁工农业生产、交通及人民的生命财产安全，带来了严重的经济、社会和环境问题。
目前国内外地下空区处理技术主要有以下几种：充填地下空区、留永久支柱、封闭隔离采空区、加固处理采空区、崩落围岩处理采空区等，其中充填地下空区、留永久支柱法在实际中使用较多。
充填地下空区是利用废石或选矿尾砂作为主要充填骨料，建立充填系统，然后通过空区的钻孔、充填管道将充填料充填至空区，是一种非常有效的消除空区方法，而且起到处理选矿尾砂的效果，有利于环境保护和废弃物再利用。
但是充填地下空区存在一个难以接顶的问题，由于地下空区未完全接顶，尤其对于大型地下空区，最终顶板还会继续变形、沉陷，直至破坏地表。地下空区充填接顶问题一直是行业内的技术难题。
留永久支柱处理地下空区是在地下空区内设置若干永久支柱用以支撑地下空区，但是对于已经存在的地下空区，空区内并没有支柱，需要人工建造支柱，地下空区深度一般都较大，人员还不可以进入空区施工，因此，要建造从地下空区顶板到底板的人工支柱是件困难的事。
技术实现要素：
本发明针对上述存在的问题，提出一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
本发明的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，将地下空区顶板沿走向划分成若干个区域，在每个区域中心位置布设充填井，充填井由地表直通地下空区，在地表通过充填井往地下空区充入碎石和选矿尾砂作为地下空区的下层充填体，当充入的下层充填体表面离充填井孔底距离为b值时，从充填井下放钢筋笼，使钢筋笼下端与地下空区下层充填体表面相接触，钢筋笼上端卡在充填井内，再通过充填井往地下空区充满胶结充填材料作为地下空区的上层充填体，并继续将充填井充满，钢筋笼和充填井内形成人工支柱，并与地下空区的上层充填体胶结为一整体共同支撑顶板。
优选地，所述的b值根据地下空区的上、下层充填体总下沉距离计算，b=λ1t/(λ1-λ2 1),
式中：λ1为下层充填体的下沉系数，λ2为上层充填体的下沉系数，下沉系数即充填体下沉高度与原充填体厚度的比值，t为地下空区的原净空高。
优选地，所述钢筋笼的直径为d=ηc，长度为l=a b；
式中：d为钢筋笼直径，c为充填井的直径，为2m～4m；η为钢筋笼直径取值系数，为0.5-0.8；a为钢筋笼插入充填井部分的长度，为3-4m，b为充入的下层充填体表面离充填井孔底距离。
优选地，所述将地下空区顶板沿走向划分成若干区域，每个区域面积s’=ks，区域长度l等于地下空区的宽度，跨度w=s’/l；
式中：s’为划分的区域面积，s为地下空区1顶板稳定允许的暴露面积，k为面积系数，取值0.3～0.7。
优选地，所述钢筋笼由纵筋及箍筋焊接而成组成，纵筋直径为30-50mm,箍筋直径为5-12mm,纵筋间距为150-200mm,箍筋间距为150-200mm。
优选地，所述在地表通过充填井往地下空区充入碎石和选矿尾砂作为地下空区的下层充填体，碎石块度小于0.6m，碎石和选矿尾砂比为1:(0～3)。
优选地，所述胶结充填材料包括水、水泥、砂和碎石，碎石块度小于20mm，水、水泥、砂和碎石配合比约为（8~10）:3:8:4。
本发明提出一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，针对地下空区充填方法不能接顶问题，将充填与人工支柱两种方法结合起来，先将空区进行充填，再在充填体上建造与顶板相连的人工钢混支柱共同支撑地表，很好地解决了充填难以接顶和单纯永久支柱法的支柱建造难题。一次施工即可完成，具有机械化程度高、安全和地表不沉陷的优点，适用于中、小型地下空区处理。
附图说明
图1为将地下空区顶板沿走向划分成若干区域示意图。
图2为将地下空区布置充填井沿走向纵剖面示意图。
图3为钢筋笼尺寸计算方法示意图。
图4为地下空区充填材料与人工支柱胶结为一整体支撑顶板的效果示意图。
图5为钢筋笼结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-图4所示，本发明的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，将地下空区的顶板沿走向划分成若干个区域2，在每个区域2中心位置布设充填井3，充填井3由地表6直通地下空区1，在地表6通过充填井3往地下空区1充入碎石和选矿尾砂作为地下空区1的下层充填体4，如图3所示，当下层充填体4表面离充填井3井底距离为b=λ1t/(λ1-λ2 1)时，从充填井3下放钢筋笼5，使钢筋笼5下端与地下空区下层充填体4表面相接触，钢筋笼上端卡在充填井3内，如图4所示，再通过充填井3往地下空区1充满胶结充填材料作为地下空区1的上层充填体10，并继续将充填井3充满，钢筋笼5和充填井3内形成人工支柱11，并与地下空区1的上层充填体10胶结为一整体共同支撑顶板9；所述钢筋笼5直径为d=ηc，长度为l=a b。
式中：d为钢筋笼5的直径，c为充填井3的直径，通常为2m～4m；η为钢筋笼5直径取值系数，为0.6-0.8；a为钢筋笼5插入充填井3部分的长度，一般为3-4m，b为地下空区的上、下层充填体总下沉高度，采用上、下层充填体的下沉系数估算，下沉系数即下沉高度与原充填体厚度的比值，λ1为下层充填体4的下沉系数，λ2为上层充填体10的下沉系数，t为地下空区1的原净空高，即地下空区1顶板9与底板12之间的距离。
本发明所述将地下空区的顶板沿走向划分成若干区域2，如图1所示，每个区域2面积s’=ks，区域2长度l等于地下空区1的宽度，跨度w=s’/l。
式中：s’为划分的区域2面积，s为地下空区1顶板稳定允许的暴露面积，k为面积系数，取值0.3～0.7。
如图5所示，所述钢筋笼5由纵筋7及箍筋8焊接而成，纵筋7直径为30-50mm,箍筋8直径为5-12mm,纵筋7间距为150-200mm,箍筋8间距为150-200mm。
所述在地表通过充填井往地下空区充入碎石和选矿尾砂作为地下空区的下层充填体，碎石块度一般小于0.6m，碎石和选矿尾砂比为1:(0～3)。
所述胶结充填材料包括水、水泥、砂和碎石，碎石块度一般小于20mm，水、水泥、砂和碎石配合比约为（8~10）:3:8:4，也可根据施工实际调整，也可用选矿尾砂代替河沙。
本发明适用于中、小型地下空区处理，具有机械化程度高、安全和地表不沉陷的优点。
1.一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，将地下空区顶板沿走向划分成若干个区域，在每个区域中心位置布设充填井，充填井由地表直通地下空区，在地表通过充填井往地下空区充入碎石和选矿尾砂作为地下空区的下层充填体，当充入的下层充填体表面离充填井孔底距离为b值时，从充填井下放钢筋笼，使钢筋笼下端与地下空区下层充填体表面相接触，钢筋笼上端卡在充填井内，再通过充填井往地下空区充满胶结充填材料作为地下空区的上层充填体，并继续将充填井充满，钢筋笼和充填井内形成人工支柱，并与地下空区的上层充填体胶结为一整体共同支撑顶板。
2.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述的b值根据地下空区的上、下层充填体总下沉距离计算，b=λ1t/(λ1-λ2 1),
式中：λ1为下层充填体的下沉系数，λ2为上层充填体的下沉系数，下沉系数即充填体下沉高度与原充填体厚度的比值，t为地下空区的原净空高。
3.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述钢筋笼的直径为d=ηc，长度为l=a b；
式中：d为钢筋笼直径，c为充填井的直径，为2m～4m；η为钢筋笼直径取值系数，为0.5-0.8；a为钢筋笼插入充填井部分的长度，为3-4m，b为充入的下层充填体表面离充填井孔底距离。
4.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述将地下空区的顶板沿走向划分成若干区域，每个区域面积s’=ks，区域长度l等于地下空区的宽度，跨度w=s’/l；
式中：s’为划分的区域面积，s为地下空区顶板稳定允许的暴露面积，k为面积系数，取值0.3～0.7。
5.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述钢筋笼由纵筋及箍筋焊接而成组成，纵筋直径为30-50mm,箍筋直径为5-12mm,纵筋间距为150-200mm,箍筋间距为150-200mm。
6.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述在地表通过充填井往地下空区充入碎石和选矿尾砂作为地下空区的下层充填体，碎石块度小于0.6m，碎石和选矿尾砂比为1:(0～3)。
7.根据权利要求1所述的一种充填与人工支柱相结合的地下空区处理方法，其特征在于，所述胶结充填材料包括水、水泥、砂和碎石，碎石块度小于20mm，水、水泥、砂和碎石配合比为（8~10）:3:8:4。
技术总结