CN102155226B - 中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤炭开采充填领域，特别涉及一种中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，该方法依据煤层老顶的初次垮落步距理论，按照充填巷小于留空巷的原则，分别确定充填巷和留空巷的开采宽度，采用掘锚一体机或连续采煤机依次对充填巷和留空巷以掘进的形式进行开采和充填，首先对充填巷进行开采，其采空区利用流体膨胀材料进行全部充填，充填体固化并达到强度后，再对留空巷进行开采，其采空区根据地面建筑物保护等级的要求，确定全部重填、部分充填或不充填。本方法可以将煤层开采后带来的地表沉降控制在允许的最小程度之内，并将“三下”压煤的采区回采率提高到95％以上，同时能减少采区的回采巷道，降低直接生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，适用于厚度在2米及以上的煤层，属于煤炭开采充填领域。
背景技术
长期以来，煤炭资源的地下开采普遍存在两大问题：一是地表沉降的控制程度；二是“三下”压煤的采区回采率；三是充填开采法的生产效率降低。目前，地表沉降的控制方法主要是充填法和部分开采法。现行的充填法主要有水沙、矸石、膏体和似膏体等四种方式，这些方式，虽然使煤层开采后带来的地表沉降得到了有效控制，但是难以将其控制在允许的最小程度之内且不同程度地降低了生产效率。现行的部分开采法主要有条带式和房柱式，这些方式，虽然能将煤层开采后带来的地表沉降控制在允许的最小程度之内，但采区回采率不足50％，一半以上的资源储量无法利用。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种能够将煤层开采后带来的地表沉降控制在允许的最小程度之内并将“三下”压煤的采区回采率提高到95％以上的中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行：
①在煤层倾斜方向的上部边界位置沿煤层顶板布置采区运输巷和采区回风巷，形成采区回风系统；
②通过理论计算和现场观测，确认老顶的初次来压步距A和周期来压步距B，设计留空巷开采宽度为N，使B≤N≤A，设计充填巷开采宽度为M，使M≤N，留空巷和充填巷间隔设置；
③使用掘锚一体机或连续采煤机依次对充填巷进行开采；
④利用流体膨胀材料对充填巷采空区进行全部充填，具体充填方法如下：
a、撤出开采设备，清净浮煤；
b、在充填巷采空区的开门口处砌筑挡墙，并在挡墙的顶部预留一个充填口，挡墙与两侧未开采的留空巷形成充填巷的充填区；
c、通过充填管路将流体膨胀材料从挡墙的充填口输送到充填巷的充填区，充填区充满后，将充填口密封；
⑤当一个区段的所有充填巷采完并充填后，按充填巷的开采顺序采用掘锚一体机或连续采煤机依次开采留空巷，根据地面建筑物保护等级的要求，确定对留空巷采空区进行全部充填、部分充填或不充填，充填时充填材料选用流体膨胀材料，具体充填方法如下：
a、撤出开采设备，清净浮煤；
b、在留空巷采空区的开门口处砌筑挡墙，并在挡墙的顶部预留一个充填口，挡墙与两侧充填巷的充填体形成留空巷的充填区；
c、通过充填管路将流体膨胀材料从挡墙的充填口输送到留空巷的充填区，充填区充满后，将充填口密封。
所述的步骤③开采充填巷时，为提高单位时间内的采出量，可以间隔布置多台掘锚一体机同时开采。
所述步骤④中的充填工作，既可以在每采完一条充填巷后进行一次充填，也可以在几条或所有充填巷采完后集中充填。
所述的步骤⑤开采留空巷时，为提高单位时间内的采出量，可以间隔布置多台掘锚一体机或连续采煤机同时开采，充填时，既可以在每采完一条留空巷后进行一次充填，也可以在几条或所有留空巷采完后集中充填。
所述流体膨胀材料是由基料、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液质量比为1∶1.2～1.5，膨胀率为30％以下，各原料按以下配比组成：
其中，所述的基料是粉煤灰、尾矿、赤泥和风积沙中的一种或几种，膨胀剂是镁粉或铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰、水泥和炉渣的一种或几种。
流体膨胀材料在充填结束后，2小时开始固化，8小时固化结束并实现30％以下的体积膨胀达到充分接顶，24小时达到支撑强度1.5Mpa，28天达到最终强度10Mpa以上。因此，可以满足及时充填、快速凝固、充分接顶的要求。就像桥墩和桥梁一样，通过充填材料对上覆岩层的有效支撑，达到控制地表变形程度的目的。
本方法控制顶板的原理是：开采充填巷时由未开采的留空巷作为煤柱支撑顶板，由于充填巷的开采宽度小于老顶的初次来压步距，采空区的顶板不会垮落；开采留空巷时由充填体(流体膨胀材料)支撑顶板，由于其开采宽度也小于老顶的初次来压步距，采空区的顶板同样不会垮落。因此，该方法能够保证顶板在整个开采过程中保持原始的地质力学平衡状态，从而把地表的沉降变形控制在允许的最小程度之内。
除此之外，挡墙厚度按250毫米～500毫米设计，并采取防渗漏措施。挡墙顶部的预留充填口尺寸和形状需要根据实际情况现场决定，一般采用300毫米～500毫米的圆孔或方孔。
本发明适用于中厚及以上的煤层。在采区煤层的倾斜方向上部的边界位置沿煤层顶板布置采区运输巷和采区回风巷，形成采区的回风系统；依据煤层老顶的初次垮落步距理论，按照充填巷小于留空巷的原则，分别确定充填巷和留空巷的开采宽度；采用掘锚一体机或连续采煤机依次对充填巷和留空巷以掘进的形式进行开采和充填——首先对充填巷进行开采，其采空区利用流体膨胀材料进行全部充填，充填体固化并达到强度后，再对留空巷进行开采，其采空区根据地面建筑物保护等级的要求，确定全部重填、部分充填或不充填。本方法可以将煤层开采后带来的地表沉降控制在允许的最小程度之内，并将“三下”压煤的采区回采率提高到95％以上，属于中厚及以上煤层开采充填技术领域。
本发明所具有的有益效果是：提供一种中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，适用于厚度在2米及以上煤层的充填开采，本方法能保护地面建筑物和其它附着物不发生斑裂、断裂、倒塌等破坏现象；将原有的不可采储量变为可采储量，提高煤炭资源的利用率和延长矿井的服务年限；减少采区的回采巷道，降低直接生产成本；通过布置多条充填巷或留空巷进行同时作业，实现与长壁回采工艺同等的生产效率。
附图说明
图1是待开采煤层的结构示意图；
图2是充填巷开采后的结构示意图；
图3是充填巷充填后的结构示意图；
图4是留空巷开采后的结构示意图。
图中：1、充填巷；2、留空巷；3、充填巷采空区；4、挡墙；5、流体膨胀材料；6、留空巷采空区；7、采区运输巷；8、采区回风巷
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1～4所示，具体结合厚度为2.6～3.2米的10-3煤层巷道式充填开采对本发明作具体说明：
①顶板岩性分析及充填尺寸确定：
10-3煤层厚度2.6～3.2米，平均3米；倾角6°～11°，平均8°；瘦煤。底板为1.2米厚的炭质泥岩，顶板为4.5米厚的粉砂岩。经开采实测，初次来压步距A为25～30米，周期来压步距B为15～20米。安全起见，设计开采的充填巷宽度N为12米，留设的留空巷宽度M为15米，充填巷1和留空巷2间隔设置。
②在煤层倾斜方向的上部边界位置沿煤层顶板布置采区运输巷7和采区回风巷8，形成采区回风系统。采用掘锚一体机开采充填巷，开采过程中对顶板进行锚杆支护，锚杆间排距为1米×1米，间隔10米布置一组锚索，锚索长度为6米，间距1米。为提高生产效率，间隔五个留空巷2布置两台掘锚一体机同时开采两个充填巷，月进度850米，产煤4.25万吨。
③利用流体膨胀材料5对充填巷采空区3进行全部充填。充填前，先撤出掘锚一体机及其它辅助设备，清净浮煤；在充填巷采空区3的开门口距采区运输巷0.5米处砌筑0.4米厚的挡墙4，由挡墙4和充填巷两侧的留空巷2形成充填巷的充填区；在挡墙的顶部预留一个300毫米×300毫米的充填孔；用200#水泥砂浆抹逢、周边掏槽防渗漏。挡墙固结24小时后，使用流体膨胀材料进行充填。充填时，使用直径159毫米超高分子量聚乙烯内衬无缝钢管作为充填管，流量每小时220立方米，连续充填至料浆液位达到预留的充填口下沿时停止充填，封堵充填口。
所述流体膨胀材料是由基料、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆。基料选用粉煤灰、赤泥和尾砂；膨胀剂选用镁粉，延缓剂选用石膏粉，固化剂选用水泥和炉渣，各原料按以下配比组成：粉煤灰、赤泥和尾砂300～400kg，镁粉0.2～1kg，石膏粉0.6～0.8kg，水泥和炉渣30～100kg，水800～1000kg。充填料浆固液质量比为1∶1.4，膨胀率为13～22％。充填后2小时开始固化，8小时固化结束并实现13～22％的体积膨胀达到充分接顶，24小时达到支撑强度1.53Mpa，28天达到最终强度18.7Mpa。
④第一个区段的所有充填巷采完并充填后，开采留空巷。由于地面建筑物保护等级为三级，对留空巷采空区6的采空区不再充填。
第一个区段利用巷道式开采部分充填的方法，在采高3米、倾角8°、埋深340米的情况下，采用45％的充填率对采空区充填后达到以下效果：地表沉降平均为6.5毫米，没有导致村庄房屋、道路、农田发生破坏现象；采区回采率达到98.7％，比传统的条带式开采工艺提高50％左右。
Claims (5)
1.一种中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行：
①在煤层倾斜方向的上部边界位置沿煤层顶板布置采区运输巷和采区回风巷，形成采区回风系统；
②通过理论计算和现场观测，确认老顶的初次来压步距A和周期来压步距B，设计留空巷开采宽度为N，使B≤N≤A，设计充填巷开采宽度为M，使M≤N，留空巷和充填巷间隔设置；
③使用掘锚一体机或连续采煤机依次对充填巷进行开采；
④利用流体膨胀材料对充填巷采空区进行全部充填，具体充填方法如下：
a、撤出开采设备，清净浮煤；
b、在充填巷采空区的开门口处砌筑挡墙，并在挡墙的顶部预留一个充填口，挡墙与两侧未开采的留空巷形成充填巷的充填区；
c、通过充填管路将流体膨胀材料从挡墙的充填口输送到充填巷的充填区，充填区充满后，将充填口密封；
⑤当一个区段的所有充填巷采完并充填后，按充填巷的开采顺序采用掘锚一体机或连续采煤机依次开采留空巷，根据地面建筑物保护等级的要求，确定对留空巷采空区进行全部充填、部分充填或不充填，充填时充填材料选用流体膨胀材料，具体充填方法如下：
a、撤出开采设备，清净浮煤；
b、在留空巷采空区的开门口处砌筑挡墙，并在挡墙的顶部预留一个充填口，挡墙与两侧充填巷的充填体形成留空巷的充填区；
c、通过充填管路将流体膨胀材料从挡墙的充填口输送到留空巷的充填区，充填区充满后，将充填口密封；
所述流体膨胀材料是由基料、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液质量比为1：1.2～1.5，膨胀率为30%以下，各原料按以下配比组成：
2.根据权利要求1所述的中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：所述的步骤③开采充填巷时，间隔布置多台掘锚一体机同时开采。
3.根据权利要求1所述的中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：所述步骤④中的充填工作，在每采完一条充填巷后进行一次充填或者在几条或所有充填巷采完后集中充填。
4.根据权利要求1所述的中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：所述的步骤⑤开采留空巷时，间隔布置多台掘锚一体机或连续采煤机同时开采，充填时，在每采完一条留空巷后进行一次充填或者在几条或所有留空巷采完后集中充填。
5.根据权利要求1所述的中厚及以上煤层的巷道式充填开采方法，其特征在于：所述的基料是粉煤灰、尾矿、赤泥和风积沙中的一种或几种，膨胀剂是镁粉或铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰、水泥和炉渣的一种或几种。
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