CN105422099B - 一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，该发明在勘探查明残采区遗留煤柱和柱采区域分布位置与尺寸等的基础上，采用分段柱旁双侧全部充填的方法依次侧护残采区遗留煤柱，在柱旁双侧充填体中掘进运输顺槽和回风顺槽，并布置短壁机械化工作面复采残采区遗留煤柱。该发明充分利用了残采区遗留煤柱，不仅减缓了煤炭资源有限性及其消费需求无限性之间的矛盾，而且避免了柱式体系开采遗留煤柱在长期蠕变作用下发生的瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害的发生，同时也利用柱旁双侧充填体保障了残采区遗留煤柱的安全复采。
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双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，主要适用于残采区遗留煤柱的安全开采。
背景技术
近年来，残采区遗留煤柱的复采越来越成为人们关注的焦点，其具有良好的开采价值。复采残采区遗留煤柱可以减缓煤炭资源有限性及其消费需求无限性的矛盾，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。
由于技术、经济等因素的制约，我国一些煤矿为追求短期利益，出现了煤炭资源开采的采厚弃薄、采肥丢瘦、采优弃劣等现象，导致许多块段煤柱的弃采；同时，为防止或减小开采活动对地面建筑物、水体和铁路等的损害，许多矿区普遍采用柱式体系开采来维持采场覆岩的稳定性，进而使得大量残采区遗留煤柱的形成。
随着遗留煤柱的弃采与形成，采场应力因遗留煤柱侧向应力的解除而重新分布。这样遗留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。遗留煤柱在长期集中应力、采空区积水以及自燃发火等因素的耦合作用下，会由表及里发生蠕变破裂，进而使其有效承载面积逐渐减小、强度逐渐弱化，并引发集中应力的再次分布而进一步减小遗留煤柱弹性核区的宽度。当遗留煤柱的有效承载面积继续减小到其极限承载面积时，就会发生瞬间性的坍塌破坏。此时，遗留煤柱的瞬时失稳产生的破坏波可能会转移扩散到邻近煤柱，可能引发遗留煤柱群“多米诺骨牌”式的失稳破坏，进而引发冲击地压等动力灾害，并带来地表沉陷以及建筑物、铁路与水体等的损伤破坏。
综上，亟需寻找一种安全、科学、高效复采残采区遗留煤柱的方法，进而防止柱式体系开采遗留煤柱在长期蠕变作用下动力灾害的发生，并充分利用遗留煤炭资源来减缓煤炭资源有限性及其消费需求无限性之间日益突出的矛盾。
发明内容
本发明旨在提供一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，能有效防止柱式体系开采遗留煤柱在长期蠕变作用下发生的瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害的发生，充分利用遗留煤炭资源来提高煤炭资源采出率、提升企业经济效益、延长矿井服务年限、促进可持续发展。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，包括以下步骤：
（1）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明残采区遗留煤柱和柱采区域的分布位置，绘制残采区遗留煤柱和柱采区域的分布形态图，了解柱采区域覆岩的垮落状况，调研柱采区域中矿井水积聚与有害气体的赋存状况；
（2）配制充填浆液或膏体，在充填泵的作用下采用柱旁双侧全部充填的方式将浆液或膏体均匀注入残留煤柱两侧的柱采区域中，待其凝固硬化后对残采区遗留煤柱产生侧护作用，并减小柱采区域中矿井水与有害气体对安全复采的威胁；
（3）待柱旁双侧充填体凝固硬化达到稳定以后，沿着遗留煤柱的边缘，在柱旁双侧充填体中依次掘进运输顺槽和回风顺槽，使形成完整的运输系统和通风系统；
（4）布置短壁机械化复采工作面，采用后退式垮落法或后退式充填法复采残采区遗留煤柱；
（5）待步骤（4）中遗留煤柱开采完毕，重复步骤（2）~（4）的施工工艺，采用柱旁双侧全部充填的方式依次充实邻近柱采区域，并逐渐复采邻近遗留煤柱。
上述方法中，所述的步骤（1）结合调研矿井原有地质、技术资料，采用三维激光扫描仪勘探查明残采区遗留煤柱的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸、体积及其覆岩垮落情况，通过钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法调研柱采区域中矿井水的积聚与有害气体的赋存状况。
上述方法中，所述的步骤（1）中残采区遗留煤柱包括边界煤柱、保安煤柱、构造煤柱、区段煤柱和刀柱开采、条带开采和房式开采的遗留煤柱。
上述方法中，所述的步骤（1）中残采区遗留煤柱的宽度为8m—80m，柱采区域的宽度为20m—160m。
上述方法中，所述的步骤（2）中，根据步骤（1）调研的柱采区域覆岩的垮落状况确定柱采区域的充填方法：当柱采区域中存在垮落矸石堆积时采用注浆充填的方法侧护遗留煤柱，当柱采区域中无垮落矸石堆积时采用膏体充填的方法侧护遗留煤柱。
上述方法中，所述的步骤（2）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：聚羧酸高效减水剂：水=45%—55%：15%—20%：10%—15%：3%—5%：15%—25%的比例配制而成，其浓度为60%—85%，充填浆液按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：聚羧酸高效减水剂：水=25%—35%：25%—30%：20%—25%：3%—5%：15%—25%的比例配制而成，其浓度为25%—50%。
上述方法中，所述的步骤（2）中柱旁双侧充填体的宽度等于残采区柱采区域的宽度。
上述方法中，所述的步骤（2）中柱旁双侧充填体凝固硬化后的强度为5—25MPa，不仅能保证残采区遗留煤柱复采后采场岩层不发生较大的移动与变形，而且易于截割掘进以尽快形成运输顺槽与回风顺槽。
上述方法中，所述的步骤（4）中，根据遗留煤柱的埋深与宽度、柱采区域的宽度及地表移动变形规范：当顺槽掘进和煤柱复采后引发的地表移动变形量小于建筑物允许地表变形量时，采用后退式垮落法复采残采区遗留煤柱；当顺槽掘进和煤柱复采后引发的地表移动变形量大于建筑物允许地表变形量时，采用后退式充填法复采残采区遗留煤柱。
本发明的有益效果：
本发明在勘探查明残采区遗留煤柱和柱采区域分布位置与尺寸等的基础上，采用分段柱旁双侧全部充填的方法依次侧护残采区遗留煤柱，在柱旁双侧充填体中掘进运输顺槽和回风顺槽，并布置短壁工作面复采残采区遗留煤柱。该发明充分利用了残采区遗留煤柱，不仅减缓了煤炭资源有限性及其消费需求无限性之间的矛盾，而且避免了柱式体系开采遗留煤柱在长期蠕变作用下发生的瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害的发生，同时也利用柱旁双侧充填体保障了残采区遗留煤柱的安全复采。
附图说明
图1为残采区遗留煤柱和柱采区域分布形态图；
图2为残采区遗留煤柱柱旁双侧全部充填示意图；
图3为柱旁双侧充填体中运输顺槽和回风顺槽布置示意图；
图4为残采区遗留煤柱短壁复采工作面布置示意图；
图5为柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱示意图。
图中：1—遗留煤柱；2—柱采区域；3—柱旁双侧充填体；4—回风顺槽；5—运输顺槽；6—短壁机械化复采工作面。
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全部充填复采残采区遗留煤柱的方法作进一步详细的说明。
西山煤电集团白家庄煤矿是典型的资源紧缺型老矿，面临着稳定产量、提高生产率和经济效益等诸多问题。20世纪90年代，白家庄煤矿8号煤层38502（2）、38502（3）、38502（4）和38502（5）工作面分别采用刀柱法进行开采，使得大量遗留煤柱的留设与弃采。8号煤层刀柱式残采区遗留煤柱具有良好的开采价值，近年来越来越成为广大研究学者与工程技术人员关注的焦点。残采区遗留煤柱的复采，不仅可以回收利用宝贵的煤炭资源，而且可以避免遗留煤柱在长期蠕变作用下发生的瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害的发生。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，结合白家庄煤矿原有地质、技术资料，根据三维激光扫描仪勘探的结果知：38502残采区中遗留煤柱1和柱采区域2交替均匀分布，遗留煤柱1的宽度为8m，高度为3.8m，稳定性较好；柱采区域2的的宽度为24m、高度为3.8m，覆岩直接顶发生冒落。绘制白家庄煤矿8号煤层38502刀柱式残采区遗留煤柱1和柱采区域2的分布形态图，如图1所示。
步骤二，采用钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法对白家庄煤矿8号煤层刀柱式残采区柱采区域2中矿井水积聚与有害气体的赋存状况进行调研，结果显示残采区柱采区域中含有少量的矿井水，有害气体主要积聚于柱采区域覆岩的隅角处。
步骤三，根据步骤一调研的柱采区域2覆岩的垮落状况知，白家庄煤矿8号煤层刀柱式残采区柱采区域2覆岩未发生冒落，即柱采区域2中无垮落矸石堆积，故采用膏体充填的方法充实柱采区域2。按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：聚羧酸高效减水剂：水=50%：15%：15%：5%：15%的比例，配制浓度为70%的充填膏体。
步骤四，在充填泵的作用下，将步骤三中制备好的充填膏体均匀注入8号煤层残采区遗留煤柱1两侧的柱采区域2中，柱旁双侧充填体的宽度等于残采区柱采区域2的宽度，即24m，使其扩散充实，逐渐对38502刀柱式残采区中遗留煤柱1产生侧护作用，并消除柱采区域2中矿井水与有害气体对安全复采的威胁，如图2所示。
步骤五，待步骤四中柱旁双侧充填体凝固硬化达到稳定以后，沿着遗留煤柱1的边缘，在柱旁双侧充填体中依次掘进回风顺槽4和运输顺槽5，顺槽宽度为6.8m，使形成完整的运输系统和通风系统，如图4所示。
步骤六，布置短壁机械化复采工作面6，采用后退式垮落法逐渐复采残采区遗留煤柱1。
步骤七，待步骤六中残采区遗留煤柱1开采完毕，重复步骤四、五、六的施工工艺，采用柱旁双侧全部充填的方式依次侧护邻近遗留煤柱，并逐渐采出弃采煤炭资源。
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 (7)
1.一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明残采区遗留煤柱和柱采区域的分布位置，绘制残采区遗留煤柱和柱采区域的分布形态图，了解柱采区域覆岩的垮落状况，调研柱采区域中矿井水积聚与有害气体的赋存状况；
所述的步骤（1）中残采区遗留煤柱包括边界煤柱、保安煤柱、构造煤柱、区段煤柱和刀柱开采、条带开采和房式开采的遗留煤柱；
（2）配制充填浆液或膏体，在充填泵的作用下采用柱旁双侧全部充填的方式将浆液或膏体均匀注入残留煤柱两侧的柱采区域中，待其凝固硬化后对残采区遗留煤柱产生侧护作用，并减小柱采区域中矿井水与有害气体对安全复采的威胁；
（3）待柱旁双侧充填体凝固硬化达到稳定以后，沿着遗留煤柱的边缘，在柱旁双侧充填体中依次掘进运输顺槽和回风顺槽，使形成完整的运输系统和通风系统；
（4）布置短壁机械化复采工作面，采用后退式垮落法或后退式充填法复采残采区遗留煤柱；
当顺槽掘进和煤柱复采后引发的地表移动变形量小于建筑物允许地表变形量时，采用后退式垮落法复采残采区遗留煤柱；当顺槽掘进和煤柱复采后引发的地表移动变形量大于建筑物允许地表变形量时，采用后退式充填法复采残采区遗留煤柱；
（5）待步骤（4）中遗留煤柱开采完毕，重复步骤（2）~（4）的施工工艺，采用柱旁双侧全部充填的方式依次充实邻近柱采区域，并逐渐复采邻近遗留煤柱。
2.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（1）结合调研矿井原有地质、技术资料，采用三维激光扫描仪勘探查明残采区遗留煤柱的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸、体积及其覆岩垮落情况，通过钻孔勘探、物理勘探或化学勘探相结合的方法调研柱采区域中矿井水的积聚与有害气体的赋存状况。
3.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（1）中残采区遗留煤柱的宽度为8m—100m，柱采区域的宽度为20m—160m。
4.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，当柱采区域中存在垮落矸石堆积时采用注浆充填的方法侧护遗留煤柱，当柱采区域中无垮落矸石堆积时采用膏体充填的方法侧护遗留煤柱。
5.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（2）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：聚羧酸高效减水剂：水=45%—55%：15%—20%：10%—15%：3%—5%：15%—25%的比例配制而成，其浓度为60%—85%，充填浆液按照质量百分比为煤矸石/废弃混凝土：粉煤灰：水泥：聚羧酸高效减水剂：水=25%—35%：25%—30%：20%—25%：3%—5%：15%—25%的比例配制而成，其浓度为25%—50%。
6.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中柱旁双侧充填体的宽度等于残采区柱采区域的宽度。
7.根据权利要求1所述的柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中柱旁双侧充填体凝固硬化后的强度为5—25MPa。
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