CN103742146A - 墩柱式充填法采煤工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种墩柱式充填法采煤工艺，其步骤如下：在壁式采煤工作面，分别沿其平行、垂直方向将采空区依次设计分割成若干个充填单元和留空单元；采用土工布防渗真空袋组成充填单元，并将其与浆体材料的制送自助一体化设备连接成连通器式的充填系统；用膨胀性浆体材料充满每个充填单元；当工作面的推进距离达到L+M时，重复上述步骤，直至一个采煤面结束。整个采空区形成由若干个墩柱式固结充填体为支点和直接顶或老顶岩体为天花板的房室空间结构。本工艺适用于厚度在1.3米以下煤层的充填开采，只需将10-20%的采空区充实，就能有效控制顶板不垮落和地表不沉降，使充填成本降到最低、充填作业时间缩到最短、采煤生产效率保持到最高。

Description

墩柱式充填法采煤工艺
技术领域
本发明涉及一种墩柱式充填法采煤工艺，适用于厚度在1.3米以下的煤层，属于煤炭开采充填领域。
背景技术
为了控制地表沉降及其环境损害，有些煤炭开采企业选用了全采全充的充填法采煤工艺。这种充填法采煤工艺存在的主要不足是：一是因为需要充填的空间量相对较大，充填材料供不应求的矛盾较为突出，充填工序材料成本的增加幅度也难以降到最低；二是因为充填工作量相对较大，挤用了采煤工序的作业时间，采煤工作面原有的生产效率大幅度降低。
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：提供一种适用于厚度在1.3米以下的煤层、能够以最少的充填量实现控制地表沉降及其环境损害的墩柱式充填法采煤工艺。
本发明所述的墩柱式充填法采煤工艺，该工艺按下述步骤进行：
①在壁式采煤工作面，分别沿其平行和垂直方向将采空区依次设计分割成若干个长方体的充填单元和留空单元：
1）通过理论计算和现场观测，确认直接顶或老顶岩体的破断步距P；
2）设计每个充填单元的长度M和宽度N为2～3倍的采煤高度H；
3）设计留空单元的平行和垂直跨度均为L=P×（1/2～2/3）；
②采用折径为R=6H的土工布防渗真空袋，组成充填单元；
③将土工布防渗真空袋与浆体材料的制送自助一体化设备，连接成为一个连通器式的充填系统，浆体材料的制送自助一体化设备是本单位已经授权的专利（专利号为201320219898.2）；
④利用膨胀性浆体材料进行充填，直至充满每个土工布防渗真空袋；
⑤膨胀性浆体材料固结10～12小时后，充填体达到支撑能力；
⑥当工作面的推进距离达到L+M时，重复第②～⑤的步骤，直至一个采煤面结束；
⑦一个采煤面结束后，整个采空区形成了由若干个墩柱式固结充填体为支点和直接顶或老顶岩体为天花板的房室空间结构。
所述膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1：1.2～1.5，膨胀率为10%以下，各原料按以下配比组成：
Figure BDA0000458069620000021
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；膨胀剂是锌粉或者石膏粉或两者的混合物；速凝剂是石灰；固化剂是水泥或者炉渣或两者的混合物。
膨胀性浆体材料在充填结束后，2小时开始固化，8小时固化结束并实现10%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。
本方法控制顶板的原理是：
以每个土工布防渗真空袋充填为单元的固结充填体为支点，以直接顶或老顶的岩体为天花板，整个采空区形成了房室空间结构。由于每一个直接顶或老顶岩体梁的跨度小于其破断步距，采空区的顶板不会垮落。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，从而把地表沉降及其环境损害控制在允许的任意程度之内。
本发明适用于厚度在1.3米以下的煤层。依据煤层的厚度和工作面的推进速度，确定每个充填单元的几何尺寸；按照每个留空单元跨度小于直接顶或老顶岩体破断步距的原则，确定充填单元和留空单元的数量。采用折径为R=6H的土工布防渗真空袋，组成充填单元。采用浆体材料的制送自助一体化设备和连通器式充填方法，使用膨胀性浆体材料对充填单元进行充填。一个采煤面结束，整个采空区就形成了房室空间结构。本方法可以用最小的充填成本将地表沉降及其环境损害控制在允许的任意程度之内，并保持采煤工作面的劳动效率不降低，属于1.3米以下煤层充填开采技术领域。
本发明所具有的有益效果是：
本墩柱式充填法采煤工艺，适用于厚度在1.3米以下煤层的充填开采，本方法只需要将10-20%的采空区充实，就能有效控制顶板不垮落和地表不沉降，由此，充填材料的需求数量减到了最少，充填工艺的直接成本降到了最低，充填工序的作业时间缩到了最短，采煤工序的生产效率保持到最高。
附图说明
图1采煤工作面初始状态平面示意图；
图2采煤工作面开始回采状态平面示意图；
图3采煤工作面开始充填状态平面示意图；
图4采煤工作面回采与充填状态平面示意图；
图5采煤工作面充填结果平面示意图；
图6采煤工作面充填结果垂直示意图。
图中：1、煤层；2、采空区；3、工作面；4、充填单元；5、充填体；6、留空单元。
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：
具体结合厚度为1.2米的4-2煤层1，对本发明墩柱式充填法采煤工艺作具体说明：
①顶板岩性分析及充填尺寸确定：
煤4-2壁式采煤工作面3，相对位置在县级道路和村庄下面，其走向长度120米，倾向长度600米，煤层1厚度H平均为1.2米，倾角5°～11°。底板为1.5米厚的炭质泥岩，顶板为4米厚的粉砂岩。经开采实测，初次来压步距即直接顶的破断步距P为18～25米；
②设计每个充填单元4的宽度N为2～3米、长度M为3～4米，留空单元6的平行和垂直跨度L为10～11米，沿平行工作面3方向均匀布置11个充填单元4和10个留空单元6；
③利用土工布防渗真空袋组成充填单元4，将土工布防渗真空袋与浆体材料的制送自助一体化设备连接成为一个连通器式的充填系统，浆体材料的制送自助一体化设备是本单位已经授权的专利（专利号为201320219898.2）；
④用浆体材料的制送自助一体化设备向充填单元4充填膨胀性浆体材料，直至充满充实每个充填单元4，其中，膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、速凝剂、固化剂和水组成的料浆。基料选用粉煤灰、赤泥和尾砂；膨胀剂选用锌粉和石膏粉的混合物，速凝剂选用石灰，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500～650kg，锌粉0.7～1kg，石膏粉5～10kg，石灰70～100kg，水泥和炉渣20～50kg，水750～900kg。充填料浆固液比为1：1.2～1.4，膨胀率为3～10%。，此种膨胀性浆体材料能够在充填后2小时开始固化，8小时固化结束并实现3～10%的体积膨胀达到充分接顶，12小时抗压强度达到0.8Mpa，24小时抗压强度达到1.51Mpa，7天抗压强度达到5MPa，28天抗压强度可达到15.7Mpa。
⑤待10～12小时后，膨胀性浆体材料实现膨胀性凝固，充填体5达到支撑能力；
⑥当工作面3的推进距离达到L+M时，重复③～⑤的步骤，直到一个工作面3结束。最终，在采空区2内形成了若干个均匀分布的墩柱式充填体5和房室式留空单元6。在覆岩垂直剖面上，形成了以充填体5为支点、直接顶岩体为天花板的房室空间结构。由于每一个直接顶岩体的跨度小于其破断步距P，采空区2的顶板不会垮落。
通过采用本墩柱式充填法采煤工艺，充填率在11%左右。经观察测量达到以下效果：在采煤高度1.2米、埋藏深度310米、开采范围600米×240米的情况下，地表沉降平均为3～5毫米，相关道路和房屋没有受到破坏，采区回采率达到到99.5%，生产效率与非充填采煤面的180吨/日基本持平。

Claims (6)

1.一种墩柱式充填法采煤工艺，其特征在于：按下述步骤进行：
①在壁式采煤工作面（3），分别沿其平行和垂直方向将采空区依次设计分割成若干个长方体的充填单元（4）和留空单元（6）：
1）通过理论计算和现场观测，确认直接顶或老顶岩体的破断步距P；
2）设计每个充填单元（4）的长度M和宽度N为2～3倍的采煤高度H；
3）设计留空单元（6）的平行和垂直跨度均为L=P×（1/2～2/3）；
②采用折径为R=6H的土工布防渗真空袋，组成充填单元（4）；
③将土工布防渗真空袋与浆体材料的制送自助一体化设备，连接成为一个连通器式的充填系统；
④利用膨胀性浆体材料进行充填，直至充满每个土工布防渗真空袋；
⑤膨胀性浆体材料固结10～12小时后，充填体（5）达到支撑能力；
⑥当工作面（3）的推进距离达到L+M时，重复第②～⑤的步骤，直至一个采煤面结束；
⑦一个采煤面结束后，整个采空区（2）形成了由若干个墩柱式固结充填体（5）为支点和直接顶或老顶岩体为天花板的房室空间结构。
2.根据权利要求1所述的墩柱式充填法采煤工艺，其特征在于：所述的膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1：1.2～1.5，膨胀率为10%以下，各原料按以下配比组成：
Figure FDA0000458069610000011
3.根据权利要求2所述的墩柱式充填法采煤工艺，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所述的墩柱式充填法采煤工艺，其特征在于：所述的膨胀剂是锌粉或者石膏粉或两者的混合物。
5.根据权利要求2所述的墩柱式充填法采煤工艺，其特征在于：所述的速凝剂是石灰。
6.根据权利要求2所述的墩柱式充填法采煤工艺，其特征在于：所述的固化剂是水泥或者炉渣或两者的混合物。
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