CN102392644A - 中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，属于煤炭开采充填领域。本方法适用于厚度在2米以下的煤层，按照长壁回采工艺布置采煤工作面及其生产系统，依据煤层老顶初次垮落步距和关键层理论，按照垮落带宽度小于关键层或复合关键层的安全跨度、充填带的宽度小于老顶初次垮落步距的原则，分别确定垮落带宽度和充填带宽度；使用流体膨胀材料对充填带的采空区进行全部充填；利用充填体控制充填带上覆岩层的移动变形，利用关键层或复合关键层控制垮落带上覆岩层的移动变形；本方法与现行的利用矸石、膏体等材料进行充填的各种长壁充采工艺相比，将地表沉降控制在了允许的最小程度之内，使采区回采率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，适用于厚度在2米以下的煤层，属于煤炭开采充填领域。
背景技术
当前，煤炭行业采用的充填开采方法可以归纳以下几种：一是根据充填材料的种类，可分为水沙、矸石、粉煤灰、尾矿等四种；二是根据充填材料的物理形态，可分为固体、膏体、似膏体、流体等四种；三是根据采煤工作面的开采工艺，可分为长壁、条带、巷道等三种；四是根据充填材料的输送方式，可分为机械和自流两种。评价充填效果的关键元素主要有充填率、充填体强度和充填体稳定性等三个方面。在充填率方面，分为全部充填和部分充填。部分充填又分为水平方向部分充填、垂直方向部分充填。
在我国，煤炭行业的充填开采普遍采用水沙、矸石、膏体、似膏体等难以自流的充填材料及其机械输送的方式进行。所有的充填方法主要针对长壁回采工作面的采空区，进行水平方向的全部充填和垂直方向的部分充填。这些方法，一是由于在垂直方向上不能实现全部充填(即完全接顶)，因此，虽然能对煤层开采后带来的地表沉降进行有效控制，但难以控制在允许的最小程度之内；二是由于采用机械方式输送充填材料，存在充填工艺复杂、运行成本高、充填效率低等诸多不利因素。
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：提供一种利用充填体控制充填带上覆岩层的移动变形、利用关键层或复合关键层控制垮落带上覆岩层的移动变形且能够通过流体膨胀材料自流输送的充填方式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的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，尤其适用于厚度在2米以下的煤层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行：
(1)按照长壁回采工艺布置采煤工作面及其生产系统，确定垮落带和充填带的宽度：对煤层的上覆岩层性质进行综合分析，确定对控制上覆岩层移动起主要作用的岩层-关键层或复合关键层，并模拟计算关键层或复合关键层的极限跨度L和安全跨度M；对煤层的老顶岩性进行分析，确定老顶的初次来压步距A；按照“垮落带宽度小于关键层或复合关键层的安全跨度和充填带宽度小于老顶的初次来压步距”的原则，分别确定垮落带宽度R和充填带宽度N，即：R＜M、N＜A；
(2)开采充填带：自采煤工作面开采线始，按垮落带、充填带的排列次序，将工作面划分成若干个垮落带和充填带，按照长壁采煤工作面的采煤工艺对第一个充填带进行开采；
(3)对充填带的采空区进行充填：首先，在充填带采空区的两端分别构筑充填挡墙，与两侧的煤壁形成充填带采空区的充填区，进风巷端的充填挡墙预留有充填口，流体膨胀材料通过管道从充填口自流输送到充填区，当流体膨胀材料液位达到充填口下沿时，停止充填，撤出充填管路，封堵充填口；
(4)开采垮落带：充填带的充填工序完成后，采用长壁采煤工艺对垮落带进行开采，从工作面开采线开始开采第一个垮落带，开采结束后，该采空区不再进行充填，然后，再进行第二组充填带的开采充填和垮落带的开采，如此循环，直至采煤工作面的停采线。
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，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。
流体膨胀材料能够实现大倍线自流输送，在到达充填区后，2～4小时开始固化，8～12小时固化结束并实现10％～30％的体积膨胀达到充分接顶，16～24小时达到支撑强度1.5～2.5Mpa，3～7天达到支撑强度5～10Mpa以上，可以满足及时充填、快速凝固、充分接顶的要求。
本方法控制顶板的原理是：
一、在充填带区域，利用充填体控制煤层的上覆岩层的移动变形；
二、在垮落带区域，利用关键层或复合关键层控制上覆岩层的移动变形。
本方法能够保证在整个煤层的开采过程中，煤层的上覆岩层和关键层或复合关键层的上覆岩层的原始地质力学保持平衡状态，从而把地表沉降控制在允许的最小程度之内，使采区回采率达到95％以上，相比传统条带式开采和房柱式开采工艺，采区回采率提高了50％以上。
本发明所具有的有益效果是：
本发明适用于厚度在2米以下的煤层，按照长壁回采工艺布置采煤工作面及其生产系统，依据煤层老顶初次垮落步距和关键层理论，按照垮落带宽度小于关键层或复合关键层的安全跨度、充填带的宽度小于老顶初次垮落步距的原则，分别确定垮落带宽度和充填带宽度；使用流体膨胀材料对充填带的采空区进行全部充填；利用充填体控制充填带上覆岩层的移动变形，利用关键层或复合关键层控制垮落带上覆岩层的移动变形；本方法与现行的利用矸石、膏体等材料进行充填的各种长壁充采工艺相比，将地表沉降控制在了允许的最小程度之内，使采区回采率大大提高。
附图说明
图1是采煤工作面垮落带和充填带划分示意图；
图2是采完第一个充填带、构筑充填挡墙后的示意图；
图3是第一个充填条充填结束、开采第一个垮落带的示意图；
图4是开采第二个充填带的示意图；
图5是工作面到达停采线时的示意图。
图中：1、开采线；2、垮落带；3、充填带；4、采区回风巷；5、采区进风巷；6、充填挡墙；7、充填挡墙；8、流体膨胀材料。
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：
具体结合259采区的条带式充填开采对本发明作具体说明：
1、按照走向长壁采煤工作面布置采区巷道，工作面长度120米。
2、煤-9的顶板岩性分析、关键层及充填尺寸的确定：
煤-9厚度1.5～1.8米，直接顶的厚度1.2～1.5米，其岩性为页岩或砂页岩互层，部分块段为泥岩。直接顶的上部依次分别为：1、厚度1米左右的石灰岩，2、厚度4.3米左右的粉砂岩，3、厚度2～3米炭质泥岩和泥页岩，4、厚度5米左右的砂岩，6、之上全部为厚度小于三米的岩层。据此分析，对煤-9开采后对控制上覆岩层的移动变形程度起主要作用的关键层是厚度4.3米左右的粉砂岩和其上部厚度5米左右的砂岩，属于复合关键层。根据复合关键层的模拟计算和其它采区煤-9开采时的矿压观测数据，此种类型复合关键层的极限跨度在35米～45米，安全跨度在30米～35米；老顶初次垮落步距在25米～30米。因此，确定复合关键层极限跨度为35米，安全跨度为30米，垮落带宽度为30米，充填带宽度为20米，充填率40％，图1是采煤工作面垮落带和充填带划分示意图。
3、第一个充填带的开采、充填：
在25901采煤工作面开采线1的前方30米处开宽度2.5米的切眼；建立工作面后进行推采，当开采的宽度达到一个充填带3的宽度20米时停止开采，撤出设备。在采区回风巷4端构筑充填挡墙6，充填挡墙厚度300毫米，用200#水泥砂浆抹逢，周边进行防渗漏处理；在采区进风巷5端构筑充填挡墙7，顶部预留一个300毫米×300毫米的充填口，用200#水泥砂浆抹逢，周边进行防渗漏处理。在充填挡墙固结24小时后，通过直径219毫米超高分子量聚乙烯内衬的钢质管路采用流体膨胀材料8进行充填，充填能力为260立方米/小时；当流体膨胀材料8的液位达到充填口的下沿时，停止充填工作，撤出充填管路，封堵充填口。采完第一个充填带、构筑充填挡墙后的结构如图2所示。
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：以任意比例混合的粉煤灰、赤泥和尾砂380kg，镁粉0.9kg，石膏粉0.8kg，水泥和炉渣100kg，水1000kg。充填流体膨胀材料在达到充填区后2小时开始固化，8小时固化结束并实现15％的体积膨胀达到充分接顶，24小时达到支撑强度1.53Mpa，7天达到支撑强度10Mpa。
4、开采第一个垮落带：
充填带3的充填工序完成后，采用长壁采煤工艺对垮落带2进行开采，从25901采煤工作面开采线开始开采第一个垮落带2，开采结束后，该采空区不再进行充填，然后，再进行第二组充填带3的开采充填和垮落带2的开采，如此循环，直至采煤工作面的停采线。
在具体实施时，也可以采用这种方式：在第一个充填带3进行充填工序的同时，在25901采煤工作面的开采线1处开切眼、布置回采工作面。当回采工作面推采至第一个充填带3的充填体(流体膨胀材料8)后，第一个垮落带2开采，其示意图如图3所示；然后，进行第二组充填带3的开采充填和垮落带2的开采，垮落带2的开采与充填带3的充填工序平行作业。如此循环，直至到达25901采煤工作面停采线，再用同样方式对25903采煤工作面进行开采与充填，开采完(即工作面到达停采线时)的结构如图5所示。
5、259采区走向长1570米，倾斜宽830米，开采面积130万平方米。采用流体膨胀材料进行部分充填，在平均采高1.7米、倾角11°、采深230～380米的情况下，采用40％的充填率，在整个采区充填开采完毕后达到以下效果：地表沉降平均为7.3毫米，没有导致村庄房屋、道路发生破坏现象；采煤300万吨，采区回采率达到98％；充填材料用量95万立方米，为开采量的43％。
Claims (6)
1.一种中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：该方法按下述步骤进行：
(1)按照长壁回采工艺布置采煤工作面及其生产系统，确定垮落带和充填带的宽度：对煤层的上覆岩层性质进行综合分析，确定对控制上覆岩层移动起主要作用的岩层-关键层或复合关键层，并模拟计算关键层或复合关键层的极限跨度L和安全跨度M；对煤层的老顶岩性进行分析，确定老顶的初次来压步距A；按照“垮落带宽度小于关键层或复合关键层的安全跨度和充填带宽度小于老顶的初次来压步距”的原则，分别确定垮落带宽度R和充填带宽度N，即：R＜M、N＜A；
(2)开采充填带：自采煤工作面开采线始，按垮落带、充填带的排列次序，将工作面划分成若干个垮落带和充填带，按照长壁采煤工作面的采煤工艺对第一个充填带进行开采；
(3)对充填带的采空区进行充填：首先，在充填带采空区的两端分别构筑充填挡墙，与两侧的煤壁形成充填带采空区的充填区，进风巷端的充填挡墙预留有充填口，流体膨胀材料通过管道从充填口自流输送到充填区，当流体膨胀材料液位达到充填口下沿时，停止充填，撤出充填管路，封堵充填口；
(4)开采垮落带：充填带的充填工序完成后，采用长壁采煤工艺对垮落带进行开采，从工作面开采线开始开采第一个垮落带，开采结束后，该采空区不再进行充填，然后，再进行第二组充填带的开采充填和垮落带的开采，如此循环，直至采煤工作面的停采线。
2.根据权利要求1所述的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：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，各原料按以下配比组成：
3.根据权利要求2所述的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：所述的基料是粉煤灰、尾矿、赤泥和风积沙的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：所述的膨胀剂是镁粉或铝粉。
5.根据权利要求2所述的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：所述的延缓剂是石膏粉。
6.根据权利要求2所述的中厚以下煤层的条带式流体膨胀充填开采方法，其特征在于：所述的固化剂是石灰、水泥和炉渣的一种或几种。
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