CN110259449B - 一种依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，用于“三下”特厚煤层开采。在煤层开采后，上层坚硬顶板形成悬臂板结构，在此稳定的悬臂结构掩护下，一排平行于回采工作面布置的钢模台车共同组成条带充填的模板，对紧邻工作面的采空区进行充填。本发明对传统隧道衬砌用钢模台车进行改装，简化施工工艺，一次对采空区规划充填空间进行全高度充填，避免分层充填的铺设假顶；且无需构筑隔墙，即实现部分充填，节约了充填材料；采用充采结合的方式，充填与开采同步向前推进，无需留设煤柱，避免回收煤柱引起的二次扰动，严格控制上覆岩层的沉降，保证地面建筑物的安全；选用标准化、高模块化钢模台车，可以适应各种断面的充填空间，重复利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，具体涉及一种在“三下”压煤情况下，特厚煤层条带式充填的开采方法，属于煤炭开采技术领域。
背景技术
“三下”煤层开采作为特殊开采的难点，国内外的学者们在“三下”薄煤层开采的研究中取得了较好的成果，但是对于“三下”特厚煤层的开采，目前尚无较好的解决方案，对于地表的沉降控制缺乏高性价比的有效控制方式，常用的铺设假顶带来的施工复杂问题，大量矸石充填引起的提升运输量增大等问题，这些问题又会造成充填成本增高的困扰。现阶段，提出一种性价比较高，且能合理控制围岩变形，使地下开采掘进工作对地面建筑物、铁(公)路干线的变形控制在允许范围以内的方法，迫在眉睫。
我国特厚煤层的综放开采工艺日趋成熟，综采设备发展逐步完善，但是专用于充填的机械化设备发展缓慢，配合充填设备的充填开采方法也近乎没有。与此同时，随着我国煤炭开采进程的日益加快，越来越多条件较好的易采煤矿资源日益枯竭，“三下”煤层的开采和历史遗留煤柱的复采逐步成为关注的重点，充填开采作为解决上述问题的优选方法，其已呈磅礴发展之势。现有的充填开采方法大多需要额外砌筑隔墙，浪费人力物力且造价较高，效率低下；借助充填-支护一体化支架时，漏浆现象较为严重，也会对开采工作产生影响，影响充填效果。
发明内容
本发明旨在提供一种利用钢模台车进行特厚煤层机械化条带式充填开采的方法，利用一种类似隧道衬砌钢模台车和现有膏体充填材料进行条带式充填开采，解决“三下”特厚煤层充填开采机械化、现代化程度较低带来的效率低下、成本较高的问题。
本发明所指特厚煤层是指煤层厚度大于8米的煤层，本发明方法是对特厚煤层采空区运用钢模台车进行一次全高充填的条带式膏体充填；依托钢模台车进行机械化注浆施工，最大的优势在于机械化程度高，施工简便，施工效率高，经济合理，节约人力资源。
本发明所指钢模台车主体与传统的直墙式隧道衬砌模板台车类似，不同之处在于：顶部模板采用平面式，两侧模板可以在液压油缸的作用下90°向外翻转，使其平行于采煤工作面方向，与侧向模板成“L”形，外翻宽度等于充填条带体的宽度，且宽度可根据不同地质状况计算出的条带充填体的宽度进行相应调整。模板进行加厚处理，提高承载能力，尤其是顶部模板，防止煤层顶板岩块冒落对顶部模板掩护下的施工人员造成伤害。此外，提高钢模台车的标准化、模块化程度，以达到一车多用、重复使用的目标，提高钢模台车对井下复杂空间的适应性，降低成本。
所指台车的底端设有行走机构，前后两侧底端分别设有轨道限位器和台车带夹轨器，所述行走机构上端与台车的门架系统连接，所述门架系统包括与行走机构上端直接相连的立柱和立柱上侧的台梁，立柱的侧面通过高承载力的液压油缸与钢模板的侧面连接，台梁的顶端和侧面分别通过油缸与模板的顶面和侧面连接。
本发明提供了一种依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，随着回采工作面的推进和液压支架移架，钢模台车协同往前推进，进行喷射混凝土和注浆充填；具体包括以下步骤：
（1）随着煤层运输巷道、回风巷道以及开切眼的施工结束，采煤机以及液压支架运进工作面架设完毕，开采工作正式开始之后，开采工作面的推进距离接近煤层老顶初次断裂步距时，及时将钢模台车及辅助设备通过辅助巷道运抵工作面液压支架的后方组装好，钢模台车的两侧向模板、侧翼模板与始采线处煤壁组成初次注浆充填的充填空间；
（2）通过回风巷道和运输巷道对所有的钢模台车架设注浆管道，由地面泵送浆液，注浆管道与台车侧向模板垂直布置的侧翼模板上的注浆口连接；
（3）待液压支架移架后，与煤层直接接触的伪顶、直接顶这些不稳定岩层塌落结束，被清理提升出井，成为充填材料的粗骨料；
（4）之后由地面通过巷道内布置的注浆管道泵送浆液，通过注浆口内布置的可伸缩注浆管向两台钢模台车模板与始采线煤壁（岩壁）组成的充填空间内注浆；注浆结束，待充填浆液凝结，充填结构强度达到6~8MPa（充填材料理论强度值），钢模台车支撑机构的液压支撑开始回缩，进行脱模，之后钢模台车沿台车行走钢轨前移，进行下一轮充填工作的准备工作，每次前移的距离小于台车模板长度，保证相邻两辆台车侧向模板、侧翼模板以及已充填体可以共同组成下一轮的充填空间；
（5）钢模台车前移的同时，台车顶部模板的前后两侧沿布置的混凝土喷射口对暴露的顶板喷射混凝土砂浆，进行初次支护
（6）重复步骤（3）、（4）和（5），采煤工作面完成一轮采掘工作，液压支架移架结束，工作面整体向前推进后，钢模台车在坚硬顶板形成的悬臂板结构的掩护下，完成下一轮充填。
上述方法中，步骤（1）中，采空区老顶初次断裂步距可以通过经验公式:
式中：h—老顶岩层厚度，
q —岩层自重及其上载荷，
b —工作面长度，
计算，同时考虑工作面长度对老顶来压步距的影响加以修正，开采工作面的推进距离接近煤层老顶初次断裂步距时，且采空区空间足够容纳钢模台车时，及时将其运抵采空区组装。此外，日后台车故障时，工作面依旧推进，液压支架照常移架，可先预留一排煤柱待日后台车到位后回收煤柱。
上述方法中，步骤（1）中，所用钢模台车进行加固处理，在顶板突然的弯曲下沉时，可以充当临时支撑。
上述方法中，步骤（2）中，所用充填材料注浆时的配合比可参考如下比例煤矸石：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝50%~55％：15％~20%：10%~15％：3％~5%：12~15％的质量配比，配制成质量浓度为80％的充填浆体，施工时可根据实际情况对配比进行适当调整。采用两次注浆的办法保证充填体可以直接接顶，注浆的密实度可以通过两侧布置的扰动油缸在注浆过程中振捣进行提高，待初次注浆结束且其自密实后，进行二次补充注浆。为解决充填体接顶较为困难的问题，在二次浆料中可添加适量（每立方米浆液添加0.2kg~1kg）膨胀剂，所述膨胀剂为镁粉或者铝粉。上述作为粗骨料的煤矸石也可用塌落的直接顶的砂质泥岩、砂岩等替换。
上述方法中，步骤（4）中，注浆结束后浆液在1~3h初凝，7~12h终凝基本结束，为使充填体拆模强度更高，充填效果更好，一般在注浆结束12h以后，钢模台车支撑机构的液压支撑开始回缩，进行脱模，之后台车沿轨道前进，前进距离小于模板总长度。整个过程可以满足及时充填、快速凝固的要求。
上述方法中，钢模台车左右两侧模板接顶，因此一次充填高度即为采空区高度。
上述方法中，沿开采前进方向及时铺设台车行走轨道，随台车前移，及时回撤已充填空间的轨道。
本发明的有益效果：
（1）本发明依托现有的成熟采煤工艺和设备，结合隧道开挖中运用较多的钢模台车设备发明了一种机械化程度和一体化程度较高的特厚煤层充填开采方法，无需铺设人工假顶、无需分层充填，节约人力、物力，简化施工方式；
（2）充填方式为部分充填，充填的粗骨料主要为井下矸石和垮落的直接顶与伪顶，且充填率仅为30%左右，节省充填材料，降低充填成本；
（3）在开采过程中无需留设煤柱，施工方式简单，充填工作紧随开采工作面之后，两者协同推进，以充填体代替煤柱支撑顶板，边采边充，避免回收煤柱引起的二次扰动，且一次对全断面进行充填，严格控制上覆岩层的沉降，保证地面建筑物的安全，避免地表塌陷；
（4）对于岩层条件较好的煤层，在开采结束，完成充填的采空区仍然可以得到被条带充填体划分的整齐地下空间，对其可以进行二次利用。
附图说明
图1是本发明充填时的俯视图。
图2是本发明钢模台车前移后留有待充填空间的示意图。
图3是本发明开采结束后的充填示意图。
图4是本发明使用的钢模台车的结构示意图。
图中：1-开采工作面、2-顶板喷射混凝土砂浆层、3-钢模台车、4-采空区、5-条带膏体充填体、6-台车前移后待充填区、10-钢模台车门架系统、11-左侧模板、12-附加支撑千斤顶、13-顶部模板、14-台车主支撑油缸、15-右侧模板、16-右侧附加扰动千斤顶、17-台车行走钢轨、18-侧翼模板、19-台车行走车轮、20-左侧附加扰动千斤顶、30-混凝土砂浆喷嘴、40-注浆口。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图4所示，本发明的使用的钢模台车，其结构包括：设于台车底端的行走机构，以及前后两侧底端的轨道限位器和台车带夹轨器，行走机构上端与台车的门架系统连接，所述门架系统包括与行走机构上端直接相连的立柱以及立柱上侧的台梁，立柱的侧面通过台车主支撑油缸14、左侧附加扰动千斤顶20、右侧附加扰动千斤顶16分别与左右两侧模板连接，台梁的顶端通过油缸与顶部模板13连接，对于台车的模板，选用加厚的高强钢板。其中顶部模板13采用平面式，右侧模板15、左侧模板11可以在台车主支撑油缸14的作用下90°向外翻转，使其平行于采煤工作面方向，与侧向模板成“L”形，形成侧翼模板18，外翻宽度等于充填条带体的宽度。
采用上述钢模台车对特厚煤层进行注浆的条带式充填采煤方法，具体步骤如下：
a、 根据所采煤层的地质资料，了解顶底板的岩性、厚度、埋深等信息，运用如下公式（四周固支边界条件）计算老顶初次断裂步距：
式中：h—老顶岩层厚度，
q —岩层自重及其上载荷，
b —工作面长度
同时考虑工作面长度对老顶来压步距的影响，对上述结果加以修正。
b、 选用标准化、模块化较高的钢模台车，实际实施时根据井下开采工作面的空间尺寸确定钢模台车的长、宽、高，同时根据矿井条件确定充填体宽度，进而确定“L”形部分平行于采煤工作面方向的侧翼模板宽度，本案例中的台车宽度取20m，台车两侧模板长度取15m，侧翼模板宽度取5m，高度8.5m且可根据油缸进行适当调节。
c、 在自开切眼开始,工作面1的推进距离临近a中断裂步距的修正值时，将钢模台车及时运抵采空区4组装，钢模台车的两侧向模板、侧翼模板18与始采线处煤壁组成初次注浆充填的充填空间。
d、 钢模台车在运抵采空区组装结束，通过回风巷道和运输巷道对所有的钢模台车架设注浆管道，注浆管道与的侧翼模板18上的注浆口40连接。
e、 相邻两辆钢模台车的左侧竖向模板11、右侧竖向模板15以及“L”形部分平行于采煤工作面方向的侧翼模板18在支撑系统的模板附加支撑千斤顶12、台车主支撑油缸14的支撑之下组成长方体的台车前移后待充填区6，待充填区6的宽度与侧翼模板18（“L”形部分平行于采煤工作面方向的支护模板）的宽度一致，在本案例取5m，高度与采空区高度一致。
f、 钢模台车安装到位，待液压支架移架后，与煤层直接接触的伪顶、直接顶这些不稳定岩层塌落结束，被清理提升出井，成为充填材料的粗骨料；之后，由地面开始泵送充填所用浆体充填材料，由注浆口40中的可伸缩充填管向待充填区域6充填注浆，开始充填。
g、 注浆结束后，浆液在1-3h开始凝结固化，7~12h终凝基本结束并实现20%左右的体积膨胀以充分接顶，为使充填结构的拆模强度更高、充填效果更好，一般在注浆结束12h以后，钢模台车支撑机构的附加支撑千斤顶12、台车主支撑油缸14回缩，进行脱模，此时充填体的强度可达到6~8MPa。
h、 之后在台车沿台车行走钢轨17前行，前进距离小于模板总长度15m，前进过程中由钢模台车上的混凝土砂浆喷嘴30向暴露的顶板喷射混凝土砂浆，对暴露的顶板进行初次支护，钢模台车前移结束，台车的右侧模板15、左侧模板11与已完成脱模的条带膏体充填体5形成如图2所示的台车前移后待充填区6，准备下一轮的注浆工作。
重复e、f、g中步骤，以此循环进行，直至整个特厚煤层开采完毕。此循环过程中台车发生故障时，工作面依旧推进，液压支架照常移架，可先预留一排煤柱待日后台车到位后回收煤柱。在最终充填开采结束后的采空区得到如图3所示的互相平行的条带式膏体充填墙5，墙体宽度为5m，直接接顶，相邻两充填墙体间隔25m。
Claims (10)
1.一种依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：随着回采工作面的推进和液压支架移架，钢模台车同步往前推进，进行喷射混凝土和注浆充填；包括以下步骤：
(1)随着煤层运输巷道、回风巷道以及开切眼的施工结束，采煤机以及液压支架运进工作面架设完毕，开采工作正式开始之后，开采工作面的推进距离接近煤层老顶初次断裂步距之前，及时将钢模台车及辅助设备运抵工作面液压支架的后方组装好；
（2）通过回风巷道和运输巷道对所有的钢模台车架设注浆管道，由地面泵送浆液，注浆管道和与台车侧向模板垂直的侧翼模板上的注浆口连接；
（3）待液压支架移架后，与煤层直接接触的伪顶、直接顶塌落结束，被清理提升出井，成为充填材料的粗骨料；此时，台车顶部模板的前后两侧沿布置的混凝土喷射口对暴露的顶板喷射混凝土砂浆，进行简单的初次支护；
（4）之后由地面通过巷道内布置的注浆管道泵送浆液，由注浆口内布置的可伸缩注浆管向两台钢模台车模板与组成的充填空间内注浆；注浆结束，在充填浆液凝结、充填结构强度达到6~8MPa，且在进行初支的同时，钢模台车沿预先铺设的钢轨前移，进行下一轮充填工作的准备工作，每次前移的距离小于台车模板长度，保证相邻两辆台车侧向模板、侧翼模板以及已充填体共同组成下一轮的充填空间；
（5）重复步骤（3）和（4），随着采煤工作面完成采掘工作，液压支架移架结束，工作面整体向前推进后，钢模台车在坚硬顶板形成的悬臂板结构的掩护下，逐步完成充填。
2.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（1）中，煤层老顶初次断裂步距通过经验公式计算，同时考虑工作面长度对老顶来压步距的影响加以修正，并与上周期断裂步距比较，取两者中的较小值，且采空区空间足够容纳钢模台车时，将其及时运抵采空区组装，此外，当日后台车故障时，工作面依旧推进，液压支架照常移架，先预留一排煤柱待日后台车到位后回收煤柱。
3.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（1）中，所用钢模台车的顶部模板采用平面式，两侧模板在液压油缸的作用下能90°向外翻转，使其平行于采煤工作面方向，与侧向模板成“L”形，形成侧翼模板，外翻宽度等于充填条带体的宽度，且宽度根据不同地质状况计算出的条带充填体的宽度进行相应调整；
台车的底端设有行走机构，前后两侧底端分别设有轨道限位器和台车带夹轨器，所述行走机构上端与台车的门架系统连接，所述门架系统包括与行走机构上端直接相连的立柱和立柱上侧的台梁，立柱的侧面通过高承载力的液压油缸与钢模板的侧面连接，台梁的顶端和侧面分别通过油缸与模板的顶面和侧面连接。
4.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（1）中，所用钢模台车进行加固处理，在顶板突然地弯曲下沉时，充当临时支撑。
5.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（2）中，所用注浆充填材料配合比为：粗骨料：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝50%~55％：15％~20%：10%~15％：3％~5%：12~15％的重量比例，配制成质量浓度为80％的充填浆体；所述粗骨料为煤矸石或坍落的直接顶中的砂质泥岩、砂岩。
6.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（2）中，采用两次注浆的方法保证注浆的密实度，注浆过程中通过布置的扰动油缸进行振捣，待初次注浆结束且待其自密实后，进行二次注浆。
7.根据权利要求6所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：在二次注浆时，浆料中添加膨胀剂，每立方米浆液添加0.2kg~1kg膨胀剂,所述膨胀剂为镁粉或者铝粉。
8.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：步骤（4）中，注浆结束后浆液在1~3h初凝，7~12h终凝基本结束；为使充填体拆模强度更高，充填效果更好，在注浆结束12h以后，钢模台车支撑机构的液压支撑开始回缩，进行脱模。
9.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：所述钢模台车的侧翼模板，即平行于采煤工作面方向的支护模板，根据不同地质状况计算出的条带充填体的宽度进行相应调整。
10.根据权利要求1所述的依托钢模台车的特厚煤层条带式充填开采方法，其特征在于：钢模台车左右两侧模板接顶，一次充填高度即为采空区高度。
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