CN108087021A - 一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，在已采煤房形成的巷道中布置胶结充填泵送装置；利用风积沙为主的胶结充填材料充填两侧采空区，待充填体达到一定承载能力后对遗留煤柱进行回采；煤柱回采后，采用高速动力抛投机与推土机进行采空区风积沙二次充填。本方法可最大限度利用地表天然风积沙材料，并有效控制上覆隔水关键层，为我国西部生态脆弱矿区遗留煤柱的回采与生态环境保护提供新的技术方法。
Description
技术领域
本发明涉及充填采煤回收遗留煤柱领域，并具体涉及一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法。
背景技术
随着我国煤炭资源的高强度开采，东部矿区煤炭资源的逐渐枯竭，我国西部矿区已成为煤炭资源开采的主体。近些年，国家重点建设的大型煤炭基地主要集中在生态环境十分脆弱、水土流失严重的晋、陕、蒙、宁、甘地区。该区域矿区长期以来一直采用房式采煤法，该方法造成大量煤炭资源浪费，煤炭资源开采率不足40%。另一方面，煤层开采后，由于覆岩的长期作用，易引发煤柱失稳破坏，顶板大面积垮落，造成上部第四系中更新统离石黄土和第三系上新统三趾马红土组成的粘土隔水层破坏，水土流失，加重当地生态脆弱环境的破坏。
充填采煤是近年来发展、应用较为广泛的绿色采煤技术，该技术是一种绿色环保、回收率较高的矿井开采方式，能够使煤矿作业更好地适应当地开采条件，特别是能够有效地避免开采对生态环境的破坏。针对西部矿区矸石、粉煤灰等充填材料短缺，而地表赋存风积沙丰富的条件，如何最大限度的利用地表风积沙材料安全、环保的提高煤炭资源回收率对于当地的经济社会发展具有重要的意义。
因此，针对当地的采矿地质条件，研究一种既能保证安全开采，又能解决房式开采遗留煤柱的回收问题的开采技术已成为当地煤矿开采的重大技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全、高效、资源回收率高的遗留煤柱回收，同时控制隔水关键层稳定的方法。
为实现上述目的，本发明的充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，包括以下步骤：
a．利用风积沙为主的胶结充填材料将首个回采工作面中的采空区进行胶结充填；
b．待步骤a中胶结填充后的胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力后对上述回采工作面内的遗留煤柱进行回采；胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力是指胶结充填材料对顶板起到有效支撑作用，在上部载荷作用下胶结充填材料不易产生变形；
c．利用运输设备将步骤b中回采的原煤运送到地面；
d．采用高速动力抛投机对上述遗留煤柱回采后形成的采空区进行风积沙抛投充填，采用推土机将抛投后的风积沙推实，高速动力抛投机与推土机相互配合完成遗留煤柱回采后形成的采空区的充填；
e、重复上述步骤a~d，完成其余回采工作面内遗留煤柱的回采。
进一步地，所述步骤c中，当工作面回采至一定距离L时停止回采，设置隔离保护煤柱，所述的一定距离L是指基本顶的初次来压、垮落步距。
进一步地，所述步骤a中，将首个回采工作面中已采煤房形成的一侧巷道作为运料巷，在运料巷内布置胶结充填泵送装置，风积沙为主的胶结充填材料通过胶结充填泵送装置将运料巷的两侧采空区进行胶结充填。胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力是指胶结充填材料对顶板起到有效支撑作用，在上部载荷作用下胶结充填材料不易产生变形。
进一步地，所述步骤c中，将首个回采工作面中已采煤房形成的另一侧巷道作为运煤巷，将回采的原煤经过运煤巷运送至地面。
进一步地，所述的风积沙为主的胶结充填材料选用西部地区天然的风积沙配以水泥、粉煤灰及添加剂混合而成。
进一步地，相邻回采工作面之间留设隔离墙。
进一步地，根据隔水关键层的位置及强度稳定性破断条件，确定所述步骤d中的风积沙抛投充填的充实率φ。
本发明的有益效果在于：
本发明方法首先是根据矿井地质条件、胶结材料配比及工作面围岩控制确定风积沙为主的胶结充填材料一次充填，待充填体达到一定承载能力与抗变形能力后对遗留煤柱进行安全回采；然后，采用高速抛投机与推土机对采空区进行单一风积沙充填，根据隔水层位置及强度稳定性破断条件，确定二次风积沙充填充实率。本发明的方法主要针对于西部矿区遗留煤柱回采围岩稳定性及隔水关键层稳定性控制两个方面，目的性强。遗留煤柱回采与隔水关键层稳定性控制采用胶结充填与风积沙高速抛投联合充填方式，二次充填以隔水关键层长期稳定为目的，采用高速抛投机与推土机充填；根据隔水层位置及强度稳定性破断条件，确定二次风积沙充填充实率，控制隔水关键层下沉变形。本发明的技术方法可最大限度利用地表废弃风积沙材料，成本低，提高煤炭资源采出率，同时有效控制第四系黏土类隔水关键层的长期稳定，维护当地地表植被的生态环境。为我国西部矿区高强度开采回收遗留煤柱及隔水关键层控制提供了一种全新的技术模式，是一种绿色、高效的资源获取方式，科学与工程意义重大，应用前景广阔。
采用本发明的方法后，可实现首采工作面剩余遗留煤柱的回采，煤炭资源回采率达到90%以上，实测结果表明，单轴抗压强度达到2.83MPa以上的胶结充填材料与充实率85%以上的风积沙抛投联合充填，导水裂隙带发育高度小于40m，可以保证工作面上部70m位置第四系黏土类隔水层长期稳定性。
附图说明
图1-1是本发明工作面布置平面图；
图1-2是图1-1中A-A方向的剖面图；
图2-1是本发明煤房采空区充填过程的平面图；
图2-2是图2-1中B-B方向的剖面图；
图3-1是本发明工作面遗留煤柱回收过程的平面图；
图3-2是图3-1中C-C方向的剖面图；
图4-1是本发明工作面风积沙二次充填过程的平面图；
图4-2是图4-1中D-D方向的剖面图；
图5-1是本发明工作面完成单次循环遗留煤柱回收的平面图；
图5-2是图5-1中E-E方向的剖面图；
图6-1是本发明首个工作面完成所有遗留煤柱回采及充填后的平面图；
图6-2是图6-1中F-F方向的剖面图。
图中：1-停采线，2-隔离墙，3-胶结充填泵送装置，4-高速动力抛投机，5-带式输送机，6-推土机，7-无轨胶轮车，8-装载机，9-隔离保护煤柱，10-胶结充填材料，11-天然风积沙，12-运煤巷，13-运料巷，14-隔水关键层。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式进一步说明。
一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，包括以下步骤：
a．利用风积沙为主的胶结充填材料将首个回采工作面中的采空区进行胶结充填；
b．待步骤a中胶结填充后的胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力后对上述回采工作面内的遗留煤柱进行回采；胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力是指胶结充填材料对顶板起到有效支撑作用，在上部载荷作用下胶结充填材料不易产生变形；
c．利用运输设备将步骤b中回采的原煤运送到地面；
d．采用抛投机对上述遗留煤柱回采后形成的采空区进行风积沙抛投充填，采用推土机将抛投后的风积沙推实，抛投机与推土机相互配合完成遗留煤柱回采后形成的采空区的充填；
e、重复上述步骤a~d，完成其余回采工作面内遗留煤柱的回采。
所述步骤a中，将首个回采工作面中已采煤房形成的一侧巷道作为运料巷，在运料巷内布置胶结充填泵送装置，风积沙为主的胶结充填材料通过胶结充填泵送装置将煤柱沿运料巷两侧采空区进行胶结充填，这种充填方式效率更高，更加简便。
所述步骤c中，当工作面回采至一定距离L时停止回采，设置隔离保护煤柱；并且，将首个回采工作面中已采煤房形成的另一侧巷道作为运煤巷。所述的一定距离L是指基本顶的初次来压、垮落步距。
抛投机可以选用高速动力抛投机。
所述的风积沙为主的胶结充填材料选用中国西部地区天然的风积沙配以水泥、粉煤灰及少部分添加剂混合而成，强度大，耐久性好。所述的风积沙为主的胶结充填材料的承载能力与抗变形能力要求，根据矿井地质条件、胶结材料配比及工作面围岩控制确定。
此外，相邻回采工作面之间留设隔离墙。
根据隔水关键层的位置及强度稳定性破断条件，利用岩梁弹性地基力学计算方法，确定所述步骤d中的风积沙抛投充填的充实率φ，能够减轻水土流失，突水溃沙灾害。
实施例1
某西部矿井原采用短壁条带房式开采，导致大量煤柱遗留井下，造成大量煤炭资源浪费，且近年来发现部分煤柱失稳与自燃发火严重，进而引发地表大面积塌陷，严重影响了当地的生态环境。为解决上述难题，结合本专利发明内容，针对首采工作面遗留煤柱的回采叙述具体实施方式如下：
（1）针对一盘区首采工作面已开采区域，沿垂直于大巷的方向，将每相邻的两列煤柱布置一个回采工作面，工作面采高4.5m，工作面走向长度800m，倾斜长度为70m，相邻回采工作面之间留设隔离墙2，如图1-1和图1-2所示；
（2）沿垂直于大巷的方向，将隔离墙左侧的第一列已采煤房作为运料巷13，第二列已采煤房作为运煤巷12；
（3）在运料巷13内布置胶结充填泵送装置3的输送管路，将地面配制好的以风积沙为主的胶结充填材料10输送至工作面煤房采空区进行充填，通过控制胶结充填泵送装置3的管口位置、高度以及物料流速使胶结充填材料逐步密实接顶，旋转胶结充填泵送装置3的输送管路进入另一侧采空区进行同样工艺胶结充填工作，如此反复地向前推进至停采线（1）位置结束充填作业，如图2-1和图2-2所示；
（4）待胶结充填材料达到一定强度及抗变形能力后，采用打眼放炮的方式对运煤巷12、运料巷13之间工作面的遗留煤柱进行爆破，利用矿用防爆装载机8将爆破落下的煤装载到无轨胶轮车7上，然后由无轨胶轮车7经运煤巷12将煤运送到地面，当工作面回采至距离L为120m左右距离时，设置隔离保护煤柱9，如图3-1和图3-2所示；
（5）遗留煤柱回采后，将地面天然风积沙运输至井下，由带式输送机5运至二次充填工作面，利用高速动力抛投机4向采空区抛投风积沙11，当风积沙11堆积至一定的高度后，旋转高速动力抛投机4，向采空区的另一侧抛投物料；同时启动推土机6，对抛投后的天然风积沙11进行推压充填，使其接顶；在高速动力抛投机4与推土机6的配合下，如此反复的进行抛投风积沙以及夯实接顶工艺，如图4-1、图4-2以及图5-1、图5-2所示；
（6）当采空区两侧均被密实风积沙充填体11充满后，停止带式输送机5以及高速动力抛投机，至此，首个工作面的遗留煤柱回收以及采空区充填作业完成，如图6-1和图6-2所示；
（7）重复上述步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6）进行下一回采工作面内的一次胶结充填、遗留煤柱回收、二次抛投充填的循环作业。
采用该技术方法后，可实现首采工作面剩余遗留煤柱的回采，煤炭资源回采率达到90%以上，实测结果表明，单轴抗压强度达到2.83MPa以上的胶结充填材料与充实率85%以上的风积沙抛投联合充填，导水裂隙带发育高度小于40m，可以保证工作面上部70m位置第四系黏土类隔水层长期稳定性。
Claims (7)
1.一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a．利用风积沙为主的胶结充填材料将一个回采工作面内的采空区进行胶结充填；
b．待步骤a中胶结充填后的胶结充填材料达到一定承载能力与抗变形能力后对上述回采工作面内的遗留煤柱进行回采；
c．利用运输设备将步骤b中回采的原煤运送到地面；
d．采用抛投机对上述遗留煤柱回采后形成的采空区进行风积沙抛投充填，采用推土机将抛投后的风积沙推实，抛投机与推土机相互配合完成遗留煤柱回采后形成的采空区的充填；
e、重复上述步骤a~d，完成其余回采工作面内遗留煤柱的回采。
2.根据权利要求1所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于，所述步骤c中，当工作面回采至一定距离L时停止回采，设置隔离保护煤柱，所述一定距离L指的是基本顶的初次来压垮落步距。
3.根据权利要求1所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于，所述步骤a中，将首个回采工作面中已采煤房形成的一侧巷道作为运料巷，在运料巷内布置胶结充填泵送装置，风积沙为主的胶结充填材料通过胶结充填泵送装置将运料巷的两侧采空区进行胶结充填。
4.根据权利要求3所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于，所述步骤c中，将首个回采工作面中已采煤房形成的另一侧巷道作为运煤巷，将回采的原煤经过运煤巷运送至地面。
5.根据权利要求1所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于：所述的风积沙为主的胶结充填材料选用天然的风积沙配以水泥、粉煤灰及添加剂混合而成。
6.根据权利要求1所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于：相邻回采工作面之间留设隔离墙。
7.根据权利要求1所述的一种充填采煤回收遗留煤柱并控制隔水关键层稳定的方法，其特征在于：根据隔水关键层的位置及强度稳定性破断条件，确定所述步骤d中的风积沙抛投充填的充实率φ。
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