CN102061938A

CN102061938A - 一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺

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Publication number: CN102061938A
Application number: CN2010105821105A
Authority: CN
Inventors: 张华兴; 刘鹏亮; 崔锋; 胡炳南; 郭爱国
Original assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-05-18

Abstract

一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，包括充填膏体制备、管道输送和采空区充填三部分，所采用的充填膏体由风积砂、粉煤灰、胶结料、添加剂和水组成，重量占比为：风积砂：40％～70％，粉煤灰：10％～25％，胶结料：3％～10％，添加剂：0.4％～1％，水：10％～30％。充填工艺采空区充填部分包括一次充填和二次充填，在一次充填后回收煤柱，在二次充填时将整个采空区全部充填。每次充填都要进行接顶补充充填。本发明解决了刀柱式开采后形成的采空区充填并回收煤柱的充填问题，可以更有效的保护矿区环境，并节约日益枯竭的煤炭资源，而且充填成本较低。

Description

一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺

技术领域

本发明涉及一种充填工艺，尤其是涉及一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺。

背景技术

采用膏体充填采空区是从国外金属矿山首先发展起来的，膏体主料以河砂和矸石为主。中国1994年在金川有色金属公司二矿区建成第一条膏体泵送充填系统，开始应用膏体充填矿井。2006年5月，我国煤矿第一个膏体充填系统在太平煤矿成功应用。在此之后，孙村煤矿、小屯煤矿、朱村煤矿、岱庄煤矿也相继建成膏体充填系统，对采空区采用膏体充填。但目前所有的采空区膏体充填都只是为了防止地表沉陷，对于煤矿开采而言，针对的是长壁工作面开采形成的采空区。而针对刀柱式开采并通过充填回收煤柱的充填工艺还没有先例。

对于埋藏较浅的中厚以上煤层而言，采用刀柱式开采较为经济，适应性更高，而且效率更高，因此开采浅埋深煤层的主要开采方法还是刀柱式开采方法。但因为埋藏浅，开采煤层更要避免影响地表，因此往往需要留设更大更密的煤柱，但这样往往造成煤炭资源的巨大浪费。随着煤炭资源逐渐枯竭，必须要考虑回收煤柱，亟需一种适用于刀柱式开采同时能解决煤柱回收技术问题的充填工艺。

发明内容

本发明提供了一种充填工艺，本发明能够满足对刀柱式开采后采空区进行充填的一般要求，同时还可以用于回收煤柱，在保护矿区环境，节约煤炭资源方面具有突出的优势。

本发明的总体步骤为：在地面建立充填站，在充填站配制膏体；然后将充填膏体利用泵送方式通过充填钻孔沿管道输送到井下，对采空区进行一次充填；待充填膏体凝固达到最终强度后，在充填膏体支撑顶板的条件下，对煤柱进行回收；之后再对煤柱回收后的空间进行二次充填，实现全面积充填。

本发明包括膏体制备、管道输送和工作面采空区充填三部分。

目前充填采空区所采用的膏体主料主要是河砂和矸石。河砂主要是漫滩沉积砂，主要成分是石英，表观密度2.5t/m³左右，粒径小于5mm，在应用为膏体主体材料时，一般不进行处理。矸石是煤矿开采生产过程中产生的岩石统称，包括混入煤中的岩石、巷道掘进排出的岩石、采空区中垮落的岩石、工作面冒落的岩石以及选煤过程中排出的碳质岩等，主体成份为石英、高岭石、伊利石等，密度2.4t/m³左右。一般井工开采产生的矸石为产煤量的10％～20％。原矸粒径大部分为100～1000mm，在作为膏体主料时，需要将原矸破碎成25mm以下的小块。

采用河砂或矸石作为主料生产膏体进行采空区充填的综合成本一般在70-90元/m³，其他各项指标值一般为：

坍落度：180～220mm

可泵时间：2～4h

泌水率：≤5％

单轴抗压强度(28天)：R_c28d≥1.0MPa

采用河砂或矸石作为主料制备膏体能够满足一般采空区充填需要。但对于刀柱式开采形成的采空区而言，由于充填空间较大，且一次充填后的膏体需要作为支撑体回收煤柱，因此需要各项技术指标值更加优化的膏体，同时每立方米的综合成本应降低。本发明使用的膏体主料为风积砂，本发明采用的充填膏体主料为风积砂，辅料为粉煤灰、胶结料、添加剂。膏体各组份重量占比为：风积砂：40％～70％，粉煤灰：10％～25％，胶结料：3％～10％，添加剂：0.4％～1％，水：10％～30％。各项技术指标值如下所示：

坍落度：200～250mm

可泵时间：5h

泌水率：≤3％

单轴抗压强度：Rc28d≥8.0MPa

相比于目前所有的膏体材料技术指标值明显优化，同时本发明使用的膏体材料综合成本为30-50元/m³，相比于目前所有的膏体材料同样具有成本低的优势，更有利于充填技术在保护矿区环境和节约煤炭资源方面推广应用。

膏体制备部分通过如下步骤完成：

(1)通过装卸机将风积砂从砂场运输到筛分装置，通过筛分装置去除掉粒径较大的杂物如铁块、树枝等进入输送管道，造成堵管事故；

(2)将筛分后的风积砂储存于圆筒料仓内，仓顶设置袋式除尘器，控制风积砂进入料仓时的粉尘在环保要求范围内；

(3)将粉煤灰、胶凝剂和添加剂采用散装水泥车运输，存储于圆筒料仓；

(4)设置一水池，要求井下水和其他水源可直接泵送至该水池，充填用水可由此水池泵送；

(5)按各组份配比，称量风积砂、粉煤灰、胶凝剂、添加剂和水；

(6)将称量的风积砂、粉煤灰、胶凝剂、添加剂和水用搅拌机进行搅拌，获得充填膏体；

(7)将所获得的膏体存储到缓冲斗中，以备充填使用。

管道输送采用泵送方式，充填站及充填钻孔优选设置在矿井中央，这样可满足矿井各个位置的充填。

普通无缝钢管、耐磨无缝钢管(单层)具有初期投资较低的特点，但是，耐磨性能较差，使用寿命短，有的只数月就磨透报废，总的性价比不理想；双层耐磨金属复合钢管与陶瓷双层耐磨复合钢管，外层为无缝钢管，内层高耐磨金属材料与陶瓷，二者耐磨性能好，耐磨性能是优质无缝钢管的5～7倍以上，性价比高，但陶瓷双层耐磨无缝钢管存在内层性脆，运输安装与使用要求高，所以，充填管道材料最好采用双层耐磨无缝钢管。

充填钻孔钻两个，其中一个钻孔为备用钻孔。钻孔底部联通巷道。

当钻头钻至煤系地层基岩界面以下如遇隔水层，需要在隔水岩层内下套管封闭。套管封闭好后换310mm的钻头继续钻至顶板以下，与井下巷道打通。

钻孔与井下巷道钻通后即安装充填管道。充填管道上部用法兰盘撑住地面，下部利用锚杆固定于顶板上，充填管道下部安装两套充填管道防止钻孔堵死。

为使充填泵平稳，同时减少充填管道的振动，在离充填泵3～5m处的充填管道上浇注一个体积为1～2m³的混凝土块以此来固定充填管道，吸收掉泵送混凝土流动时的反作用力；另外对与充填泵出口直接相连的充填管道进行固定，以便在每次泵送停止后，清洗充填管道时拆装方便。

充填管道布置在巷道底板角落处，避免影响生产和行人，也便于清理和更换充填管道。

充填管道全部用管座支撑衬垫，各段充填管道保证连接牢固、稳定，弯管处加设牢固的固定点，以免泵送时充填管道产生摇晃、松脱；各管卡不与面或支承物接触，全部留有一定间隙，便于拆装，同时各管卡全部拧紧，保证接头密封严密，不漏膏体、不漏气。

随充填管道同时布设压风管道和压水管道，保证沿途良好的照明和通风条件。

在工作面采空区开始正式充填之前需要完成以下工作：

(1)检查准备

对地面充填站进行检查，确认系统正常、设备完好，充填站人员各就各位后向调度室汇报：井下对管路系统及充填区隔离墙支设等进行检查，确定可以进行后向调度室汇报。调度室根据井上下汇报，向充填站下达充填命令并告知当班充填量，同时告知井下充填工作面做好充填准备。

充填站根据调度室指令，由操作人员按要求启动系统各设备。控制室操作人员根据指令向控制系统提交当班充填任务。

(2)泵送清水

关闭通向工作面采空区充填管路的闸阀及旁通闸阀，地面利用搅拌系统2台上水泵上水，上水量根据干线管路容积确定。泵送清水时通过打开装在地面钻孔弯管处的放气阀放出管内空气，待干线充填管路充满水后，停止泵送清水。

在泵送清水时，当上水量已达到设计水量时，关闭上水泵。搅拌系统准备搅拌灰浆，第一批次物料准备就绪。

(3)灰浆推水

在正式充填之前，先泵送一定量材料粒径较小的膏体料浆(水泥和水，称为灰浆)，把管路内的清水排出。此过程充填管路前段为清水，后段为灰浆，即为灰浆推水阶段。

搅拌完灰浆后，马上按正常材料配比制备充填料浆。此时应注意搅拌与泵送的协调，可适当降低泵送速度，待灰浆快泵送完时，才将正常配比的膏体放入缓冲斗。

(4)膏体推灰浆，灰浆推水

待灰浆快泵送完时，将正常配比的膏体放入缓冲斗，继续泵送，此时充填管路前段为清水，中间为灰浆，后段为膏体。

上述准备工作完成之后，开始正式采空区充填。

采空区充填分一次充填和二次充填两次进行。一次充填是指煤柱回收前进行的充填，目的是在凝固后的充填体支撑下，对煤柱进行开采回收；二次充填是指煤柱回收后进行的充填，通过二次充填将实现整个开采区域的全部充填。

一次充填沿工作面从停采线开始向深处前进式逐步充填。每个开采单元为一个充填单元，也即一个充填循环。在安装完毕充填单元两端的密闭墙和充填管道后，按照充填程序开始对充填单元进行充填。为了减少充填停止及重新启动带来的繁琐工序甚至由此可能造成的堵管事故，主管路保持连续输送。一个单元充填结束前要做好下一个单元充填前的准备工作，包括管路布置，密闭墙安装等。一个单元充填结束时，通过操控三通阀，开启充填膏体流向下一个单元的阀门，关闭充填膏体流向该单元的阀门，进入下一个单元的充填。此时，要立即拆除该单元的垂直管道，将贮存在管道内的充填膏体放出，并用水冲洗干净，供下次使用。由于现场条件、充填膏体凝固收缩等原因，难以保证膏体充分与顶板或顶煤相接。若不接顶，大面积的煤柱回收后易形成顶板突然性来压，将充填体压垮，直接威胁井下工人安全。因此在一个单元一次充填结束后，对充填体与顶煤之间进行补充充填作业，保证其充分接顶。待一次充填结束后煤柱两侧充填膏体达到最终强度后，开始回收煤柱。

二次充填工艺与一次充填工艺、程序相同，二次充填在煤柱回收后及时进行。

二次充填同样进行补充充填作业，确保充填膏体接顶。二次充填时，将本工作面不再使用的运输巷和回风巷道一并充填，实现全部充填。

对于刀柱式开采后形成的采空区进行充填，每一个充填单元需要安装密闭墙的出口有两个。国内外矿山充填密闭墙形式多样，如木制密闭墙、砼密闭墙、红砖密闭墙，近年又试用成功钢筋网柔性滤水墙。刀柱式开采后形成的采空区充填单元多、密闭面高度大、侧压大、面积大，若采用一般的密闭墙，将极大增加井下工人劳动量和成本，给充填作业造成沉重负担。因此，考虑采用建筑施工中的单侧墙支撑模板台车。该模板台车抗侧压能力强，能够满足密闭要求，且拆装容易，可重复使用。

附图说明

图1是本发明实施例工艺流程示意图；

图2是本发明实施例钻孔结构示意图；

图3是本发明实施例输送管道结构示意图；

图4是本发明实施例一次充填时采空区布置示意图；

图5是图4A-A向剖视图；

图6是图4B-B向剖视图；

图7是本发明实施例补充充填工艺示意图。

其中，1风积砂砂场；2装载机；3提升机；4风积砂料仓；5粉煤灰料仓；6胶结料料仓；7添加剂料仓；8微机配料系统；9皮带；10水池；11搅拌机；12缓冲仓；13充填泵；14监测系统；15切换阀；16废料池；17充填管道；18截止阀；19排料巷；20采空区；21套管；22地表；23基岩面；24止水段；25法兰盘；26锚杆；27顶煤；28泄流管；29底板；30回风巷；31运输巷；32密闭墙；33充填单元；34煤柱；35充填膏体；36一次充填后膏体顶端空隙；37喷浆机；38进浆斗；39螺杆泵；40防尘水管；41压风管；42球阀；43流量计；44配水环

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明。

本实施例使用的膏体材料各组份的重量比为：风积砂：67％，粉煤灰：12.8％，水泥：3.2％，添加剂：0.5％，水：16.5％。

图1给出了本发明各部分组成结构及流程示意图。

风积砂由砂场1通过装载机运输到充填站，通过提升机3存储于风积砂料仓4，同时将粉煤灰存储于粉煤灰料仓5、胶结料存储于胶结料料仓6、添加剂存储于添加剂料仓7，建筑水池10用于存储水。在确认开始充填后，通过微机配料系统按配比确定膏体主料和辅料各自的重量，由各料仓经皮带9将膏体主料和辅料运输到搅拌机11进行搅拌生产充填膏体。然后将生产的膏体存储于缓冲仓12，利用监测系统14最终确认充填所需要的膏体流量，由充填泵13输送到充填管道17，充填管道17一直通到需要充填的采空区20。在充填管路进入钻孔之前设置一切换阀15，以备充填发生堵塞，可以通过切换阀15将充填管路内的膏体切换流向与切换阀相同的废料池16。在充填管路井下刚由钻孔转向巷道3～5m范围内设置一截止阀18，并在巷道相反方向开凿一条排料巷19，以防充填发生事故时，通过关闭截止阀18，将继续泵送到井下的膏体通过泄流管28泄流到排料巷，然后再由排料巷排除。

本实施例中，充填站及充填钻孔设置在矿井中央。

本实施例中煤矿膏体充填系统设计能力为170m³/h，流速要求1.0～1.5m/s，因此充填管道17的内径合理范围为200～240mm，充填管路17内径选为203mm。

本实施例中充填钻孔布置在充填站内，地面充填管道短，充填管道最大压力在充填钻孔底部，最大压力等于充填泵的最大出口压力加上钻孔高度充填膏体自重产生的压力，充填泵最大出口压力为8MPa，钻孔内充填膏体重力作用产生的钻孔底部最大压力为20MPa。因此充填管道需要承受的最大压力为28MPa。

根据上述压力值，充填管道17选用为Φ245×(12+10)mm双层金属耐磨复合钢管，法兰盘连接；其中外层为Φ245×12mm规格Q345号钢无缝钢管，耐磨层为KMTBCr金属材料，厚度10mm。考虑到管道需从井筒下井安装的尺寸限制，每段长度为4.5m。

充填钻孔采用两个，其中一个钻孔为备用钻孔。钻孔底部联通巷道，两孔相距20m。钻孔深度为130m。充填钻孔开孔直径为350mm，终孔直径为310mm。

当钻头钻至煤系地层基岩面23以下5～10m时，在隔水岩层内下用套管21封闭，套管21直径为320mm。套管封闭好后换310mm的钻头继续钻至设计位置。

钻进至设计位置后下充填套管。

本实施例中需要充填的采空区由若干充填单元33组成，如图4所示，图5和图6是A-A向和B-B向的剖视图。充填管道口布置在充填单元33较大的那个出口处。

一次充填结束时以如图7所示的工艺流程及相配的设备进行补充充填。在井下设置小型搅拌注浆系统，设备包括喷浆机37、进浆斗38、螺杆泵39、

的防尘水管40、压风管41、球阀42、流量计43和配水环44等。根据一次充填后膏体顶端空隙36，确定补充充填浆体的组分和重量比：顶端空隙较大时，可配置含风积砂、浓度较大的浆体；顶端空隙较小时，可配置纯水泥浆体进行补充充填。充填材料由副井运输下井。补充充填系统管道头部一段为花管，注浆作业时，将花管塞入一次充填后膏体顶端空隙36内，同时做好密闭措施，采用高压向里注浆充填。等凝固后观察，若仍不能接顶的，再次进行注浆充填，直至充分接顶。

本发明不仅本发明有利于保护矿区环境，同时可以较大程度的节约煤炭资源，能够使刀柱式开采矿井回收率提高到85％以上。本发明不仅适用于刀柱式开采形成的采空区充填及煤柱回收，对于由其他开采方式形成的采空区充填和煤柱回收同样适用。

Claims

1.一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，包括充填膏体制备、充填管道输送和采空区充填三部分，其特征在于，充填膏体由风积砂、粉煤灰、胶结料、添加剂和水组成，重量占比为：风积砂：40％～70％，粉煤灰：10％～25％，胶结料：3％～10％，添加剂：0.4％～1％，水：10％～30％。

2.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填膏体制备工艺在充填站完成，充填站设置在矿井中央。

3.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，膏体管道输送过程是：膏体由充填站通过充填管道输出，再通过与地表和井下相通的充填钻孔输送到井下需要充填的采空区。

4.根据权利要求3所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填钻孔有两个，其中一个钻孔为备用钻孔。

5.根据权利要求1、3和4任一权利要求所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，膏体管道输送采用泵送方式。

6.根据权利要求5所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，在离充填泵3～5m处的充填管道上浇注一个体积为1～2m³的混凝土块用来固定充填管道。

7.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填管道上部用法兰盘撑住地面，下部利用锚杆固定于顶板上。

8.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填管道下部安装两套充填管道。

9.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填管道布置在巷道底板角落处。

10.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，随充填管道同时布设压风管道和压水管道。

11.根据权利要求1、3、4、7、8、9和10任一权利要去所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，管道输送所使用的管道为双层耐磨无缝钢管。

12.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，充填管道保持连续输送。

13.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，采空区充填分一次充填和二次充填两次进行。

14.根据权利要求1所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，采空区充填以开采后形成的单元空间为充填单元。

15.根据权利要求14所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，一个单元充填结束后，通过操控三通阀，开启充填膏体流向下一个单元的阀门，关闭充填膏体流向该单元的阀门，进入下一个单元的充填。

16.根据权利要求13、14和15任一权利要求所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，在一个单元一次充填结束后，对充填体与顶煤之间进行补充充填作业。

17.根据权利要求16所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，待一次充填及补充充填结束后煤柱两侧充填膏体达到最终强度后，开始回收煤柱。

18.根据权利要求13所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，二次充填时，将本工作面不再使用的运输巷和回风巷道一并充填，实现全部充填。

19.根据权利要求13或18所述的采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺，其特征在于，二次充填也包括补充充填作业。