CN106979033B - 一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，将井下渗出水用水囊盛装后、回填在采空区，利用充水水囊组合件占据采空区部分空间，相应地减少膏体充填体积的方式进行采空区充填，充水水囊组合件最终被固化在整个采空区的充填体中，成为充填体整体中的一个构成部分。充水水囊组合件由水囊和长方体形状的钢质框架两部分组成；其中，钢制框架内部用隔板分隔成等尺寸的上、下两层；水囊为橡胶囊，放置在钢制框架内部的下层。水囊注入水直接取自井下渗出水，既消除了井下水害又消除了煤炭生产中井下废水外排所制得污染。本发明具有安全可靠、工艺环保、操作简单、充填成本相对低廉等特点。

Description

一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法

技术领域

本发明涉及一种膏体充填方法，尤其涉及一种利用矿井水做充填材料的膏体充填方法。

背景技术

现有技术的煤炭生产过程中，存在两方面的不足：其一是，单位煤炭生产成本中，充填成本占比较高，并且，费时费力；其二是，井下渗出水外排形成污染的同时，还带来水泵抽水设备和运行费用的增加。

随着节能降耗、绿色生产工艺的不断创新和转化，特别是，随着煤炭资源的日渐减少、优质矿藏资源的日渐枯竭，煤炭企业早已完成从早期传统的低水准、粗犷、掠夺型开采方式，到依靠技术进步的资源节约、高效利用、工艺绿色环保生产方式的转变。

近年来，井下采空区充填技术得到了快速发展。例如，中国专利申请CN105240048A公开了一种基于膏体充填的气体充填方法，其采用气囊充气以占据部分采空区空间，进而相应地减少膏体充填所需充填的空间体积的技术思路进行采空区充填，以节约充填成本。其充填方法包括以下步骤：第一步，在采空区的地面上铺设气囊，然后设置隔离墙，隔成封闭的充填空间。第二步，通过隔离墙的料管安装孔布置布料管，气囊的充气管与高压气泵相连接。第三步，将膏体充填地面高度至20～30cm时，给气囊充气，保持膏体充填和气囊充气同步进行。待充填膏体的顶面接触到充填空间顶部时，完成膏体充填。继续给气囊充气，至气囊内的气压达到上覆岩层的压力，关闭高压气泵，完成气体充填。第四步，重复第一步、第二步及第三步，进行下一轮次充填。

该方法在膏体充填的基础上增加气体充填工艺，能够有效减小充填欠接顶量，提高充填率，节省充填材料，保证充填体的支撑强度。

但是，这种基于膏体充填的气体充填方法仍然存在诸多的不足或缺点，主要是井下安全隐患将大幅上升。原因在于：

1、在充填施工作业过程中，遇到顶板快速下沉或部分垮落等偶发现象时，将导致气囊破裂/爆炸，带来一定程度的安全隐患；并且，相应地，将导致施工作业的困难与安全防范衍生出的施工成本的提高。

2、充填施工完成后，具有较大的压强的大量的充气气包填埋在井下，随着顶板天长日久的下沉直至稳定的漫长过程，气囊将因不断被压缩造成内部压强的快速升高，将不定时地出现囊破裂/爆炸的可能性。

换言之，填埋在井下的大量的充气气包，类似于在安全防护要求的极高的井下埋下了一个又一个的，随时可能引爆的炸药包。

当爆炸发生时，井下充填体将可能被破坏，失去了采空区充填的作用，并形成较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是，提供一种工艺环保、操作简单、充填成本相对低廉的一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法。

本发明为实现上述目的，所需要解决的技术问题包括两个方面，一是，工艺安全、环保；二是，降低充填成本。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，将井下渗出水用水囊盛装后、回填在采空区，利用充水后的水囊组合件占据采空区部分空间，相应地减少膏体充填体积的方式进行采空区充填，充水后的水囊组合件最终被固化在整个采空区的充填体中，成为充填体整体中的一个构成部分；

所述水囊组合件由水囊和长方体形状的钢质框架两部分组成；其中，钢制框架内部用隔板分隔成等尺寸的上、下两层；水囊为橡胶囊，呈偏平的长条形状，放置在钢制框架内部的下层，当水囊中注满水、充分膨胀后，充水水囊全部充满钢制框架下层的整个内部空间；

以工作面推进方向为前方定方向：钢制框架下层的前面、左面、右面和上面四个面均敞口，后面用增强聚丙烯板封闭；

钢制框架上层朝前的表面用增强聚丙烯板封闭，朝后、朝左、朝右和顶部的四个表面敞口；

在钢制框架上层的前表面上，靠近顶部边缘内侧，留设若干数量的供充填用钢管插入至采空区用的通孔，全部通孔分布在同一直线上；各通孔的周边均预先焊接有用于插入/拔出钢板片的U形槽口，钢板片作为插板阀，用于打开/闭合与其对应的通孔；

上述钢制框架的边框组件全部采用可拆卸连接，增强聚丙烯板通过承插连接的方式固定在对应的四条边框内；

钢制框架下层的内部放置有一个水囊；当水囊中注满水、膨胀后，可全部充满钢制框架下层的整个内部空间；

所述水囊带有一个注水管口和一个排气管口，注水管口和一个排气管口均布置在水囊一端端部边缘内侧，注水管口在下、排气管口在上；

上述注水管口内部设置有一单向阀，排气管口带内螺纹，使用丝堵封堵；

上述钢制框架的长度等于上区段的巷帮和下区段的巷帮之间的直线距离，宽度为采高的一半，高度等于采高；

施工步骤如下：

第一步，沿工作面推进方向，在工作面后方的采空区的空顶区域的底板上，每隔3米铺设一个水囊组合件；其中，第一个水囊组合件铺设在充填的起始位置前方3米处；

水囊组合件铺设时，水囊的注水管口和一个排气管口所在的那一端放置在底板的高位端，并使注水管口和一个排气管口朝向工作面一侧；

水囊组合件铺设就位后，在钢制框架的前方底板上，紧贴钢制框架，每隔0.5米打一根钢钎，利用钢钎对钢制框架进行限位；

第二步，保持钢制框架下层的那个水囊的排气管口开启，将与出水管连接的注水枪插入水囊的注水管口，开启注水枪前方的注水阀门，向钢制框架下层的那个水囊中注水，直至水囊注满、处于充分膨胀状态；

然后，依次打开/闭合相应的插板阀，将与井下注浆管路连接的注浆管从钢制框架上层前表面上留设的通孔中插入、穿过，伸入至钢制支架后方的采空区，并打开与井下注浆管路连接的注浆管上的阀门，向采空区内注浆，直至充水水囊组合件后方的采空区被膏体全部充填完成；

第三步，根据工作面的推进进度，重复上述第一步至第二步，适时进行相应的采空区空顶区域充填，直至开采完毕、整个采区充填全部完成。

上述技术方案直接带来的技术效果是，将井下渗出水全部回收利用，直接回填至井下采空区，可消除煤炭生产过程谁害的形成以及废水外排所造成的环境污染；

并且，与现有技术的气体充填方法异曲同工：可有效减少膏体充填的体积，降低膏体原料的使用量，从而降低充填成本。

但是，显而易见地，上述技术方案在可完全达到现有技术的气体充填方法在充填成本节约方面的技术效果的同时，消除了现有技术的气体充填方法施工作业过程中，以及施工作业完成后，整个阶段的安全隐患。详细解释如下：

井下埋设的充水水囊，即便在日后较长时间使用后因顶板下沉或橡胶老化等原因破裂后，由于液体(水)几乎不可压缩。

因此，不会出现类似现有技术的充气气囊因被压缩、压力急剧上升进而气囊爆破破裂，所致能量的急速释放，可能带来安全隐患以及由此引发或诱发的不可预知的灾害现象的发生。

而且，充水水囊破裂后，水作为流体，将自然流动到井下充填的各裂缝、各缺陷区域。这样，在一个整体上的密闭空间内，由于各处的压强必然均匀一致，井下整个充填区域对上方顶板和上覆岩的支撑力各处将变得更加一致和均匀，从而得到比全部使用膏体充填或者使用膏体与充气气囊联合充填更好的技术效果。

此外，由于水囊充水回填至井下，由于天生的安全性，使得其自身的使用成本也远低于现有技术的气体充填方法。

上述技术方案中，采用特殊形状的钢制框架，充填钢管从上层前方聚丙烯板上留设的通孔中插入、伸入至采空区，注浆，钢制框架下层有充水水囊隔离阻挡(注入采空区的注浆浆料)。

因此，省略掉了现有技术中大采高井下充填所需构筑的隔离墙，并且，可以对现有技术的大型笨重的充填支架进行“减肥瘦身”。既可降低施工成本、减少施工工程量，又可有效降低井下充填作业人员的劳动强度。

优选为，上述水囊材质为耐磨橡胶；水囊的额定工作压力为1.5MPa以上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，一方面，水囊的额定工作压力为1.5MPa以上，其相应配套的水管、阀门等耐压值即可满足要求，可有效降低相关配套设备的投资和使用成本；另一方面，过低的额定工作压力，将造成膏体充填施工过程中，充水水囊无法有效平衡或阻挡住膏体“流体”的压力，造成施工过程中的生产事故或施工困难，而过高的额定工作压力，将带来材料过渡使用所造成的浪费，影响充填施工成本的有效降低。

进一步优选，上述厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，水囊注水所用的水优先直接从井下渗出水抽取；

不足的水，由平时从井下抽取、输送至地面的储水仓中的储水补给。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，可以带来煤炭生产过程中废水的零排放，达到绿色工艺的要求。并且，相应地，可以简化现有技术中井下外排水系统配套设备的配台数，节约相关设备的投资。

进一步优选，上述钢钎采用螺纹钢制作，长度大于或者等于采高的一半，直径为0.025-0.03米；

所述增强聚丙烯板的厚度大于或者等于0.02米。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，“钢钎采用螺纹钢制作，长度大于或者等于采高的一半，直径为0.025-0.03米与增强聚丙烯板的厚度大于或者等于0.02米”为我们的经验数据，既足以满足充填施工的需要，又具有良好的实用性与技术经济性。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有安全可靠、工艺环保、操作简单、充填成本相对低廉等有益效果。

附图说明

图1为本发明的充水水囊组合件结构示意图。

图中：1-水囊，2-钢制框架，3-通孔，4-排气管口，5-注水管口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，采用将井下渗出水用水囊盛装后、回填在采空区，利用充水后的水囊组合件占据采空区部分空间，相应地减少膏体充填体积的方式进行采空区充填，充水后的水囊组合件最终被固化在整个采空区的充填体中，成为充填体整体中的一个构成部分；

上述水囊组合件由水囊1和长方体形状的钢质框架2两部分组成；其中，钢制框架内部用隔板分隔成等尺寸的上、下两层；水囊为橡胶囊，呈偏平的长条形状，放置在钢制框架内部的下层，当水囊中注满水、充分膨胀后，充水水囊全部充满钢制框架下层的整个内部空间；

以工作面推进方向为前方定方向：钢制框架下层的前面、左面、右面和上面四个面均敞口，后面用增强聚丙烯板封闭；

钢制框架上层朝前的表面用增强聚丙烯板封闭，朝后、朝左、朝右和顶部的四个表面敞口；

在钢制框架上层的前表面上，靠近顶部边缘内侧，留设若干数量的供充填用钢管插入至采空区用的通孔3，全部通孔分布在同一直线上；各通孔的周边均预先焊接有用于插入/拔出钢板片的U形槽口，钢板片作为插板阀，用于打开/闭合与其对应的通孔；

上述钢制框架的边框组件全部采用可拆卸连接，增强聚丙烯板通过承插连接的方式固定在对应的四条边框内；

钢制框架下层的内部放置有一个水囊；当水囊中注满水、膨胀后，可全部充满钢制框架下层的整个内部空间；

上述水囊带有一个注水管口4和一个排气管口5，注水管口和一个排气管口均布置在水囊一端端部边缘内侧，注水管口在下、排气管口在上；

上述注水管口内部设置有一单向阀，排气管口带内螺纹，使用丝堵封堵；

上述钢制框架的长度等于上区段的巷帮和下区段的巷帮之间的直线距离，宽度为采高的一半，高度等于采高；

施工步骤如下：

第一步，沿工作面推进方向，在工作面后方的采空区的空顶区域的底板上，每隔3米铺设一个水囊组合件；其中，第一个水囊组合件铺设在充填的起始位置前方3米处；

水囊组合件铺设时，水囊的注水管口和一个排气管口所在的那一端放置在底板的高位端，并使注水管口和一个排气管口朝向工作面一侧；

水囊组合件铺设就位后，在钢制框架的前方底板上，紧贴钢制框架，每隔0.5米打一根钢钎，利用钢钎对钢制框架进行限位；

第二步，保持钢制框架下层的那个水囊的排气管口开启，将与出水管连接的注水枪插入水囊的注水管口，开启注水枪前方的注水阀门，向钢制框架下层的那个水囊中注水，直至水囊注满、处于充分膨胀状态；

然后，依次打开/闭合相应的插板阀，将与井下注浆管路连接的注浆管从钢制框架上层前表面上留设的通孔中插入、穿过，伸入至钢制支架后方的采空区，并打开与井下注浆管路连接的注浆管上的阀门，向采空区内注浆，直至充水水囊组合件后方的采空区被膏体全部充填完成；

第三步，根据工作面的推进进度，重复上述第一步至第二步，适时进行相应的采空区空顶区域充填，直至开采完毕、整个采区充填全部完成。

上述水囊材质为耐磨橡胶；水囊的额定工作压力为1.5MPa以上。

上述的厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，水囊注水所用的水优先直接从井下渗出水抽取；

不足的水，由平时从井下抽取、输送至地面的储水仓中的储水补给。

上述钢钎采用螺纹钢制作，长度大于或者等于采高的一半，直径为0.025-0.03米；

上述增强聚丙烯板的厚度大于或者等于0.02米。

Claims (4)

1.一种厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，将井下渗出水用水囊盛装后、回填在采空区，利用充水后的水囊组合件占据采空区部分空间，相应地减少膏体充填体积的方式进行采空区充填，充水后的水囊组合件最终被固化在整个采空区的充填体中，成为充填体整体中的一个构成部分；

所述水囊组合件由水囊和长方体形状的钢质框架两部分组成；其中，钢制框架内部用隔板分隔成等尺寸的上、下两层；水囊为橡胶囊，呈偏平的长条形状，放置在钢制框架内部的下层，当水囊中注满水、充分膨胀后，充水水囊全部充满钢制框架下层的整个内部空间；

以工作面推进方向为前方定方向：钢制框架下层的前面、左面、右面和上面四个面均敞口，后面用增强聚丙烯板封闭；

钢制框架上层朝前的表面用增强聚丙烯板封闭，朝后、朝左、朝右和顶部的四个表面敞口；

在钢制框架上层的前表面上，靠近顶部边缘内侧，留设若干数量的供充填用钢管插入至采空区用的通孔，全部通孔分布在同一直线上；各通孔的周边均预先焊接有用于插入/拔出钢板片的U形槽口，钢板片作为插板阀，用于打开/闭合与其对应的通孔；

上述钢制框架的边框组件全部采用可拆卸连接，增强聚丙烯板通过承插连接的方式固定在对应的四条边框内；

所述水囊带有一个注水管口和一个排气管口，注水管口和排气管口均布置在水囊一端端部边缘内侧，注水管口在下、排气管口在上；

上述注水管口内部设置有一单向阀，排气管口带内螺纹，使用丝堵封堵；

上述钢制框架的长度等于上区段的巷帮和下区段的巷帮之间的直线距离，宽度为采高的一半，高度等于采高；

施工步骤如下：

第一步，沿工作面推进方向，在工作面后方的采空区的空顶区域的底板上，每隔3米铺设一个水囊组合件；其中，第一个水囊组合件铺设在充填的起始位置前方3米处；

水囊组合件铺设时，水囊的注水管口和排气管口所在的那一端放置在底板的高位端，并使注水管口和一个排气管口朝向工作面一侧；

水囊组合件铺设就位后，在钢制框架的前方底板上，紧贴钢制框架，每隔0.5米打一根钢钎，利用钢钎对钢制框架进行限位；

第二步，保持钢制框架下层的那个水囊的排气管口开启，将与出水管连接的注水枪插入水囊的注水管口，开启注水枪前方的注水阀门，向钢制框架下层的那个水囊中注水，直至水囊注满、处于充分膨胀状态；

然后，依次打开/闭合相应的插板阀，将与井下注浆管路连接的注浆管从钢制框架上层前表面上留设的通孔中插入、穿过，伸入至钢制框 架后方的采空区，并打开与井下注浆管路连接的注浆管上的阀门，向采空区内注浆，直至充水水囊组合件后方的采空区被膏体全部充填完成；

第三步，根据工作面的推进进度，重复上述第一步至第二步，适时进行相应的采空区空顶区域充填，直至开采完毕、整个采区充填全部完成。

2.根据权利要求1所述的厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，所述水囊材质为耐磨橡胶；水囊的额定工作压力为1.5MPa以上。

3.根据权利要求1或2所述的厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，水囊注水所用的水优先直接从井下渗出水抽取；

不足的水，由平时从井下抽取、输送至地面的储水仓中的储水补给。

4.根据权利要求1或2所述的厚煤层大采高采空区膏体充填施工方法，其特征在于，所述钢钎采用螺纹钢制作，长度大于或者等于采高的一半，直径为0.025-0.03米；

所述增强聚丙烯板的厚度大于或者等于0.02米。