CN104790952A - 一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法。该发明在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，采用柱旁单侧部分充填的方法依次侧护了蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源。该发明在空区群中形成的柱旁单侧充填体不仅能对刀柱式煤柱群起到侧护作用，而且能与之形成共同承载体，进而减小煤柱群的应力集中程度和蠕变变形，增强长期稳定性，避免发生局部瞬时失稳或“多米诺骨牌”式的失稳破坏，并最终保障刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其是涉及一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，主要适用于刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采。
背景技术
当前，煤炭资源有限性及其消费需求无限性的矛盾日益突出。残煤复采是是减缓上述矛盾的重要举措。残煤复采不仅可以提高煤炭资源的采出率、提升企业经济效益，而且可以延长矿井服务年限、促进可持续发展。
近年来，煤矿残采区上行开采越来越成为人们关注的焦点。受先期采动影响，残采区蹬空煤层及其底板岩层的完整性和稳定性均遭受不同程度的损伤破坏，进而可能引发矿井灾害，影响安全生产。因此，残采区上覆蹬空煤层安全开采可行性的评价与判定成为上行开采的首要任务。传统地，残采区上行开采可行性的判别方法主要包括：“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法和数理分析法等。CN101109283B从层间岩层结构的角度出发定量判别了蹬空煤层上行开采的可行性；CN104239697A采用PCA先对上行开采影响因素进行建模，再采用方差贡献率对所建模型进行权重计算，进而评价了上行开采的可行性的；CN103147737A提供了一种上行开采覆岩破坏规律的探测方法，揭示了上行开采过程中覆岩破坏的时空演化规律，解决了上行开采工作面和巷道布置合理确定的问题，保证了上行开采的安全性。前述蹬空煤层上行开采可行性的判别方法主要是从层间岩层厚度及其稳定性等角度研究的，其可以实现对残采区蹬空煤层上行开采可行性的预先判别与评价，进而指导工程实践。
然而，现有上行开采的理论研究与工程实践鲜有关注刀柱式残采区煤柱群的稳定性对蹬空煤层安全开采的影响。刀柱式残采区煤柱群的稳定性制约着蹬空煤层上行开采的安全进行，其与上覆蹬空煤层及其底板岩层组成一个共生系统。随着刀柱式残采区的逐渐形成，采场应力因煤柱侧向应力的解除而重新分布。这样刀柱式残采煤柱的受力状态就会由原来均匀分布的载荷变为相对集中分布的载荷，并逐渐向上覆蹬空煤层底板岩层中扩散与传递。在此过程中，刀柱式残采区煤柱会由表及里地发生蠕变破裂，其有效承载面积也逐渐减小，这样就会引发集中应力的再次分布而进一步扩大煤柱的屈服宽度，减小其弹性核区的宽度。当刀柱式残采区煤柱的有效承载面积继续减小到其极限承载面积时，就会发生瞬间性的失稳破坏。此时，上述煤柱的瞬时失稳产生的破坏波可能会转移扩散到相邻煤柱，引发刀柱式残采区煤柱群“多米诺骨牌”式的失稳破坏，进而影响上覆蹬空煤层及其底板岩层的整体性和稳定性，甚至产生冲击地压等灾害，威胁安全高效生产。
综上，亟需寻找一种加强蹬空煤层下伏刀柱煤柱群稳定性的方法，进而有效解决刀柱式残采区煤柱群在蹬空煤层开采过程中发生局部瞬时失稳或“多米诺骨牌”式的失稳破坏，并最终保障蹬空煤层安全开采。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供了一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，有效解决了刀柱式残采区煤柱群在蹬空煤层上行开采过程发生局部瞬时失稳或“多米诺骨牌”式的失稳破坏，保障了蹬空煤层上行开采的安全性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，采用柱旁单侧部分充填的方法依次侧护了蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源。所述技术方案具体按照以下步骤进行：
(1)判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
(2)结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群与空区群的分布形态图以指导安全生产；
(3)掘进蹬空煤层的回采巷道，布置蹬空煤层工作面；
(4)在蹬空煤层工作面底板由上及下钻孔，布置刀柱式残采区空区群膏体充填的输送管路；
(5)配制充填膏体，在充填泵的作用下沿步骤(4)的输送管路将制备好的膏体均匀注入刀柱式残采区端部空区中，使其凝固硬化对刀柱式残采区端部煤柱产生侧护作用；
(6)推进蹬空煤层工作面，待开采线推进至下一个刀柱空区边界线前3-8m时，停止推进工作面；
(7)随着蹬空煤层的逐渐推进，重复步骤(4)、(5)和(6)的施工工艺，采用柱旁单侧部分充填的方式依次侧护刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源。
优选的，所述的步骤(1)采用“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和授权公告号为CN101109283B所述的定量判别法来综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
优选的，所述的步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积。
优选的，所述的步骤(3)在步骤(2)探明的刀柱式残采区端部煤柱的上方掘进蹬空煤层回采巷道与工作面。
优选的，所述的步骤(4)中采用套管钻进技术进行钻孔施工，孔直径d为60—120mm、孔间距l为5—20m、孔倾斜角θ为10°—60°、钻孔深度h由层间岩层厚度H和钻孔倾斜角θ确定。
优选的，所述的步骤(5)按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝45％—55％：15％—20％：10％—15％：3％—5％：15％—25％的比例，配制浓度为75％—85％的充填膏体，配制量由步骤(2)勘探查明的刀柱式残采区各空区的分布尺寸和分布体积来确定。
优选的，所述的步骤(5)中充填泵的压力控制在2—6MPa。
优选的，所述的步骤(6)中蹬空煤层工作面的推进距离为[(a+b)±5]m；其中，a为刀柱式残采区空区的宽度，b为刀柱式残采区煤柱的宽度。
优选的，所述的步骤(7)中柱旁单侧充填体的宽度c应小于刀柱式残采区空区的宽度a。
采用上述技术方案，本发明的有效效果是：
该发明在判别蹬空煤层上行开采可行性、掌握刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，采用柱旁单侧部分充填的方法依次侧护了蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源。该发明在空区群中形成的柱旁单侧充填体不仅能对刀柱式煤柱群起到侧护作用，而且能与之形成共同承载体，进而减小煤柱群的应力集中程度和蠕变变形，增强长期稳定性，避免发生局部瞬时失稳或“多米诺骨牌”式的失稳破坏，并最终保障刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采。
附图说明
图1为刀柱式残采区上覆蹬空煤层工作面布置示意图；
图2为刀柱式残采区端部煤柱柱旁充填示意图；
图3为刀柱式残采区上覆蹬空煤层工作面推进示意图；
图4为刀柱式残采区空区群柱旁单侧部分充填立体效果图；
图5为刀柱式残采区空区群柱旁单侧部分充填平面效果图。
图中：1—蹬空煤层；2—层间岩层；3—刀柱式残采区煤柱；4—刀柱式残采区空区；5—蹬空煤层工作面；6—柱旁单侧部分充填输送管路；7—刀柱式残采区空区充填体；a—刀柱式残采区空区宽度；b—刀柱式残采区煤柱宽度；c—刀柱式残采区空区群充填体宽度。
具体实施方式
以下实施例旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对柱旁双侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法作进一步详细的说明。
20世纪90年代，西山煤电集团白家庄煤矿超越6号煤层而优先开采了下部8号煤层。目前，白家庄煤矿6号煤层36703工作面地面位置位于冶峪风井西南部山区，井下位于南坑1001水平七盘区右翼，左前部为36502工作面采空区，左后部为未采区，右部为36701工作面未采区，下部为38502刀柱式采空区，属于典型的刀柱式残采区上覆蹬空煤层。8号煤层36502刀柱式残采区煤柱群的稳定性严重地制约着6号煤层36703工作面蹬空资源上行开采的安全进行。针对上述情况，下面结合附图对本发明的实施过程作进一步的详细说明。
步骤一，采用“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和授权公告号为CN101109283B所述的定量判别法，对白家庄煤矿6号蹬空煤层1上行开采的可行性作综合判别：蹬空煤层1位于层间岩层2的弯曲下沉带中，结构破坏程度较小，只发生了整体移动；8号煤层刀柱式残采区上方具有能起到平衡作用的厚硬石灰岩，其能保障蹬空煤层1不发生台阶错动；蹬空煤层1与8号煤层的采动影响倍数为6.8；上行开采必要的层间距为10.4m，明显小于蹬空煤层1与8号煤层层间岩层2的厚度27.9m；蹬空煤层1上行开采符合定量判别法所述的可采情形。综上，白家庄煤矿8号煤层36502刀柱式残采区上覆蹬空煤层1上行开采是可行的。
步骤二，根据原有地质、技术资料知，白家庄煤矿8号煤层36502刀柱式残采区煤柱3群和刀柱式残采区空区4群的宽度分别为5m—15m和15—40m，高度均为3.8m；采用三维激光扫描仪精准勘查36502刀柱式残采区煤柱3群与刀柱式残采区空区4群的分布方位、尺寸和体积，绘制8号煤层36502刀柱式残采区煤柱3群与刀柱式残采区空区4群的分布形态图以指导蹬空煤层1煤炭资源1安全复采。
步骤三，在步骤二探查的刀柱式残采区端部煤柱上方开始掘进蹬空煤层1的回采巷道，布置蹬空煤层的工作面5。
步骤四，采用套管钻进技术(边钻进边下套管)在蹬空煤层工作面5底板由上及下钻孔，孔直径d为80mm、孔间距l为12m、孔倾斜角θ为30°、钻孔深度h为30—36m，布置柱旁单侧部分充填输送管路6。
步骤五，按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝50％：15％：15％：5％：15％的比例，配制浓度为80％的充填膏体，其配制量由步骤二勘探查明的8号煤层36502刀柱式残采区各空区的分布尺寸和体积确定。
步骤六，在充填泵的作用下，沿步骤四布置的柱旁单侧部分充填输送管路6将步骤五中制备好的膏体均匀注入蹬空煤层1下伏空区中，使其扩散充实，对8号煤层36502刀柱式残采区端部煤柱产生侧护作用。
步骤七，推进蹬空煤层工作面5(推进距离为20—25m)，待开采线推进至下一个刀柱式残采区空区4边界线前5m时，停止蹬空煤层推进工作面5。
步骤八，重复步骤四、五、六和七的施工工艺，采用柱旁单侧部分充填的方式依次侧护8号煤层36502刀柱式残采区煤柱3群，并逐渐采出蹬空煤层煤炭资源。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明所述技术实质与原理的前提下对上述实施方法作出的任何改进与修润，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
(2)结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群与空区群的分布形态图以指导安全生产；
(3)掘进蹬空煤层的回采巷道，布置蹬空煤层工作面；
(4)在蹬空煤层工作面底板由上及下钻孔，布置刀柱式残采区空区群膏体充填的输送管路；
(5)配制充填膏体，在充填泵的作用下沿步骤(4)的输送管路将制备好的膏体均匀注入刀柱式残采区端部空区中，使其凝固硬化对刀柱式残采区端部煤柱产生侧护作用；
(6)推进蹬空煤层工作面，待开采线推进至下一个刀柱空区边界线前3-8m时，停止推进工作面；
(7)随着蹬空煤层的逐渐推进，重复步骤(4)、(5)和(6)的施工工艺，采用柱旁单侧部分充填的方式依次侧护刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源。
2.根据权利要求1所述的柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(1)采用“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和授权公告号为CN101109283B所述的定量判别法来综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
3.根据权利要求1所述的柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积。
4.根据权利要求1所述的柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(3)在步骤(2)探查的刀柱式残采区端部煤柱的上方布置蹬空煤层的回采巷道与工作面。
5.根据权利要求1所述的柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中采用套管钻进技术进行钻孔施工，孔直径d为60—120mm、孔间距l为5—20m、孔倾斜角θ为10°—60°、钻孔深度h由层间岩层厚度H和钻孔倾斜角θ确定。
6.根据权利要求1所述的柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中充填膏体按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝45％—55％：15％—20％：10％—15％：3％—5％：15％—25％的比例配制而成，其浓度为75％—85％。
7.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所 述的步骤(5)中充填膏体的配制量根据所述步骤(2)勘探查明的刀柱式残采区各空区的分布尺寸和分布体积确定。
8.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中充填泵的压力控制在2—6MPa。
9.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中蹬空煤层工作面的推进距离为[(a+b)±5]m；其中，a为刀柱式残采区空区的宽度，b为刀柱式残采区煤柱的宽度。
10.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于，所述的步骤(7)中柱旁单侧充填体的宽度应小于刀柱式残采区空区的宽度。
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