CN104564137B - 双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置 - Google Patents

双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置，主要针对煤矿厚层坚硬顶板难以垮落的工程难题，采煤工作面采煤工序结束后，通过在采空区内充填基础垛体，基础垛体与顶板之间通过充填化学材料进行软接顶。充填垛的间、排距取徝受采深、采高和顶板岩性等因素影响，排距为15～30m，间距为8～15m；充填垛的截面可以为圆形、矩形或正方形；有效断面面积为0.8～1m2。接顶软介质为采高的1/10～1/8；基础垛体的充填可以采用砼或砂砾石等材料注浆。本发明尤其适用于浅埋薄煤层的连续开采，改变刀柱式支撑采空区需要频繁搬迁工作面设计，或减少以注水软化顶板、爆破预裂法的繁杂工序。

Description

双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置，尤其适用于浅埋薄煤层的连续开采领域。
背景技术
大同矿区煤层顶板的岩层性质坚硬，坚固性系数大于8，抗压强度一般为80～180Mpa，多为整体性强的厚砂岩、砾岩，其分层厚度大、致密、裂隙节理少。在开采煤层的过程中，由于顶板坚硬，采空后不能及时冒落，经常形成大面积悬顶，当采空面积达到一定范围，顶板和煤柱接近或超过极限荷载时，将导致顶板大面积突然垮落，造成剧烈的动力现象，不仅损坏支护设备，同时还挤压采空区的空气瞬时排出，形成巨大的冲击波，产生严重的破坏。
坚硬难冒厚砂岩、厚砾岩顶板的控制，历来是国内外采矿界非常重视的难题。由于缺乏有效的措施，至今仍采用刀柱式采煤法，用留煤柱的方法来支撑项板，不仅降低了煤炭采出率，造成资源损失，而且工作面需要频繁搬家，工作效率低，工作环境差，更严重的是为大面积项板来压留下了隐患，不能保障安全生产。大同矿务局研发了“大同难冒厚砂岩及砾岩层顶板注水与爆破弱化技术”，对于分层厚度大、整体结构强的高位顶板岩体通过注水压裂弱化，降低岩体强度，变难冒顶板为可冒顶板方法进行控制。而对于分层厚度大的低位顶板岩体(16m以下)和分层厚度不大、层理节理相对较发育的砂岩和砂质页岩顶板岩体则实施深孔爆破的方法加以控制。但是这项技术增加了施工的工序，降低了开采的效率，也提高了开采的成本，同时在实施的过程中，也有引发顶板大面积突然冒落的危险。
厚层坚硬顶板的控制技术是大同煤矿综采开采方法的核心，直接影响到煤炭的安全生产和经济效益。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构及方法简单、操作方便、成本低廉、具有让压效果的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法及装置。
技术方案：本发明的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理装置，包括间隔排列支撑在坚硬顶板采空区内的充填垛，所述的充填垛为由基础垛体和位于基础垛体上部的接顶垛体构成的双介质充填垛，充填垛的截面为圆形、矩形或正方形，有效断面面积为0.8～1m2，充填垛的排距LR为15～30m，间距LC为8～15m；所述的基础垛体由砼或砂砾石材料经模具充填而成，所述的接顶垛体由注入化学材料充填而成。
使用上述装置的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，包括如下步骤：
a、在采煤工作面后方布置第一排充填垛，第一排充填垛距采煤工作面的距离为15～30m，距开切眼的距离LR1为10～15m，端头充填垛距区段回风平巷或区段运输平巷的距离LC1为5～10m，充填垛之间的间距LC为8～15m；
b、在区段运输平巷内铺设两道充填管路，一道充填管路用于向基础垛体中灌注砼或砂砾石材料，另一道充填管路用于向接顶垛体中灌注化学材料；
c、构筑双介质充填垛的模具，在模具顶端侧面留设充填口，逐一施工第一排充填垛，先对基础垛体进行注浆充填；
d、待充填的基础垛体体固化后，开始向接顶垛体中注入化学材料，使其充分接顶，然后用与充填口尺寸匹配的木板完全封模；
e、完成第一排双介质充填垛后，距第一排双介质充填垛15～30m处布置下一排充填垛(1)，重复步骤c和d，完成下一排双介质充填垛；
f、随着采煤工作面的不断推进，依次按充填垛排距LR为15～30m，间距LC为8～15m布置充填垛，重复步骤c和d多次，完成整个采区的双介质充填垛充填，实现煤矿采空区的软接顶。
所述的基础垛体充填高度为垛体全高的7/8～9/10；接顶垛体的高度为垛体全高的1/10～1/8。
所述注入的化学材料为聚氨酯高发泡聚酯类材料。
所述充填垛的模具的高度为采高，充填时内部铺垫有防渗袋。
有益效果：本发明尤其适用于浅埋薄煤层的连续开采，改变刀柱式支撑采空区需要频繁搬迁工作面设计，或减少以注水软化顶板、爆破预裂法的繁杂工序。主要针对煤矿厚层坚硬顶板难以垮落的工程难题，采用分为上下两层的双介质充填垛，下层作为承载基础垛体，垛体与顶板之间通过充填化学材料进行软接顶，当顶板来压时双介质充填垛能起到一定的让压效果，减顶板压力对垛体支柱的破坏程度，从而提高了垛体支护的有效性。本发明在解决煤矿厚层坚硬顶板大面积突然垮落问题的同时，与现有技术刀柱式采煤法相比，不仅增加了煤炭资源采出率，还避免了频繁搬迁工作面的设计，与“顶板注水与爆破弱化技术”的繁杂工序相比，其工序简单，操作方便，大大提高了生产效率，节约了开采成本，对治理坚硬难冒厚砂岩、厚砾岩顶板具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的平面布置结构示意图；
图2为图1的Ⅰ-Ⅰ剖视图；
图3为图1的Ⅱ-Ⅱ剖视图。
图中：1－充填垛；2－坚硬顶板采空区；3－采煤工作面；4－区段回风平巷；5－区段运输平巷；6－煤层；7－接顶垛体；8－基础垛体；9－模具；10－顶板；LR－排距；LR1－第一排充填垛距开切眼的距离；LC－间距；LC1－端头充填垛距回采巷道距离。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理装置，主要由间隔排列支撑在坚硬顶板采空区2内的充填垛1和模具9构成，所述的充填垛1为双介质充填垛，由基础垛体8和位于基础垛体8上部的接顶垛体7构成，充填垛1的截面为圆形、矩形或正方形，有效断面面积为0.8～1m2，充填垛1的排距LR为15～30m，间距LC为8～15m；所述的基础垛体8由砼或砂砾石材料经模具9充填而成，所述的接顶垛体7由注入化学材料充填而成。
本发明的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，具体步骤如下：
a、在采煤工作面3后方布置第一排充填垛1，充填垛1的间排距根据煤层采深、采高和顶板岩性等因素的影响确定。第一排充填垛1距采煤工作面3的距离为15～30m，距开切眼的距离LR1为10～15m，端头充填垛距区段回风平巷4或区段运输平巷5的距离LC1为5～10m，间距LC为8～15m；
b、在区段运输平巷5内铺设两道充填管路，一道充填管路用于向基础垛体8中灌注砼或砂砾石材料，另一道充填管路用于向接顶垛体7中灌注化学材料；
c、构筑双介质充填垛的模具9，并在模具9顶端侧面留设充填口，尺寸与化学材料充填管相匹配；逐一施工第一排双介质充填垛1，注浆前先用水泥浆液润滑管道，然后对基础垛体8进行注浆充填，充填高度为垛体全高的7/8～9/10；所述充填垛模具9的高度为采高，充填时内部铺垫有防渗袋；采用转载机连接管状运输机和充填泵，连接充填管路进行注浆，整个过程机械化，充填泵自身带有搅拌机功能，将搅拌好的充填料加压后通过管道运输至充填模板内。注浆采用随采随注的方法，将管路固定在液压支架上随支架移动进行拖管注浆。注浆管路路线为：地面注浆站→矸石井→矸石井管子道→回风大巷→采煤工作面轨道顺槽。
d、待充填的基础垛体8体固化后，开始向接顶垛体7中注入化学材料，使其充分接顶，然后用与充填口尺寸匹配的木板完全封模；所述注入的化学材料为聚氨酯高发泡聚酯类材料；所述的接顶垛体7的高度为垛体全高的1/10～1/8，实现软接顶，达到的让压效果；
e、完成第一排双介质充填垛1后，在其15～30m布置下一排双介质充填垛1，重复步骤c和d，完成下一排双介质充填垛；
f、随着采煤工作面3的不断推进，依次按充填垛排距LR为15～30m，间距LC为8～15m布置充填垛1，重复步骤c和d多次，完成整个采区的双介质充填垛1充填，实现煤矿采空区的软接顶。
当所需的物料全部泵完后，将泵料斗内物料泵净，再反泵1～2个冲程给输送管道卸压。在连接管道中加入2个柱状清洗球，在运输管道中加入3个球形清洗球，在充填泵中加入一个球形清洗球，向充填泵中加入清水并加压4Mpa冲洗管道。清洗球将管道内的物料与清洗水隔开，一方面可清洗管道内壁，另一方面可防止水先带着水泥浆流走而留下砂石从而导致堵管。管道清洗完后，再反泵运行几个冲程，将料缸内残存的水及物料吸出到料斗内；全面清洗充填泵。

Claims (4)

1.一种双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，包括采用间隔排列支撑在坚硬顶板采空区（2）内的充填垛（1），所述的充填垛（1）为由基础垛体（8）和位于基础垛体（8）上部的接顶垛体（7）构成的双介质充填垛，充填垛（1）的截面为圆形、矩形或正方形，有效断面面积为0.8~1m2，充填垛（1）的排距LR为15~30m，间距LC为8~15m；所述的基础垛体（8）由砼或砂砾石材料经模具（9）充填而成，所述的接顶垛体（7）由注入化学材料充填而成，其特征在于，煤矿采空区处理方法包括如下步骤：
a、在采煤工作面（3）后方布置第一排充填垛（1），第一排充填垛（1）距采煤工作面（3）的距离为15~30m，距开切眼的距离LR1为10~15m，端头充填垛距区段回风平巷（4）或区段运输平巷（5）的距离LC1为5~10m，充填垛之间的间距LC为8~15m；
b、在区段运输平巷（5）内铺设两道充填管路，一道充填管路用于向基础垛体（8）中灌注砼或砂砾石材料，另一道充填管路用于向接顶垛体（7）中灌注化学材料；
c、构筑双介质充填垛的模具（9），在模具（9）顶端侧面留设充填口，逐一施工第一排充填垛（1），先对基础垛体（8）进行注浆充填；
d、待充填的基础垛体（8）体固化后，开始向接顶垛体（7）中注入化学材料，使其充分接顶，然后用与充填口尺寸匹配的木板完全封模；
e、完成第一排双介质充填垛后，距第一排双介质充填垛15~30m处布置下一排充填垛（1），重复步骤c和d，完成下一排双介质充填垛；
f、随着采煤工作面的不断推进，依次按充填垛排距LR为15~30m，间距LC为8~15m布置充填垛（1），重复步骤c和d多次，完成整个采区的双介质充填垛充填，实现煤矿采空区的软接顶。
2.根据权利要求1所述的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，其特征在于：所述的基础垛体（8）充填高度为垛体全高的7/8~9/10；接顶垛体（7）的高度为垛体全高的1/10~1/8。
3.根据权利要求1所述的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，其特征在于：所述注入化学材料为聚氨酯高发泡聚酯类材料。
4.根据权利要求1所述的双介质垛式支撑坚硬顶板的煤矿采空区处理方法，其特征在于：所述充填垛（1）的模具（9）的高度为采高，充填时内部铺垫有防渗袋。
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