CN110410076A - 一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于采空区煤柱回收技术领域，公开了一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，利用现有的部分煤房区作为巷道，密封帘布分隔不同条梁通道；使用煤粉和水泥混凝形成充填条梁体进行部分填充；最后再利用基于现有巷道布置的综采方法将煤柱及填充梁体一并采出。本发明采出率高、设计合理、可靠性高、煤柱回收好；施工简单、易于实现、成本较低；用煤粉作为主要的充填材料，回采过程中再进行回收，不浪费资源；可实现对废弃煤炭资源的充分利用，降低井下煤炭自燃的安全隐患；采用部分水泥混合到煤粉中进行充填，提高了充填条梁体的强度，可有效支撑顶板，增加了回采过程中顶板的安全性，提高了经济效益。

Description

一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法

技术领域

本发明属于采空区煤柱回收技术领域，尤其涉及一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：传统的连续采煤机房柱式短壁开采技术始创于美国，它的主要设备有连续采煤机、锚杆钻机、运煤车等。经过50多年的不断研究与改进，已形成了自成体系的短壁机械化采煤方法。在美国，采用短壁机械化采煤法的产量在井工采煤中一直领先，近年来，由于长壁综采的发展，连续采煤机开采的产量有所回落。目前，除美国外还有澳大利亚、南非、印度及加拿大等国均广泛采用短壁机械化采煤，取得了较好的经济效益，但是采空区煤柱回收没有得到很好的解决，回采率一般为60％左右。房式、柱式和房柱式等短壁采煤方法，20世纪50～60年代，在我国使用的比较普遍。国内一般沿用传统的房式、柱式和房柱式简单开采方法，其方法简单、工艺落后、安全性差、效率低、采空区内浮煤多。特别是回收率太低，使用人工炮采的回收率一般只有30％左右，使用简单机械开采的回收率仅为50％左右。传统的房采工作面回采工艺是：在采区内开掘平巷，将煤体切割成方形煤柱，然后在方形煤柱中开掘劈柱巷，并由劈柱巷向两侧再开煤房。开掘平巷和劈柱巷时用锚杆管理顶板，而在煤柱中掘煤房时不再打锚杆。这种回采工艺的最大缺点是通风系统复杂，通风管理困难；回采率低，回采率仅为30％左右。70年代初，随着长壁机械化采煤工艺在国内的兴起和推广普及，短壁采煤方法除地方小煤窑采用外，国有大型矿井基本上不再使用这种方法。这种采煤方法由于其投入较低，煤炭生产成本低廉，因而在小煤窑中常采用这种方法。从1979年开始，我国先后引进了多种型号的连续采煤机，在条件适合的矿区进行了试验，发挥了连续采煤机采掘合一，机动灵活的优点。但当时只是采用了房式采煤方法进行回收，仅解决了落、装、运的机械化，并没有实现回收煤柱时的支护机械化问题。因此，在回收煤柱时只能采用部分回收法，在采空区留有大量残余煤柱。采用房柱式采煤法不仅煤炭回采率低，给井下煤炭自燃造成了安全隐患，而且残留煤柱的支承压力在底板传递易造成应力集中，给下层煤的开采带来不利因素。目前，我国许多老矿区存在大量老房柱采空区，受当时的技术限制，许多老房柱采空区的采煤率仅在50％左右，利用房柱式方法一次采煤后，没有进行适当的煤柱回收，遗留了大量煤柱在采空区中，造成了严重的煤炭资源浪费。

房柱式采煤法，是一种专业采集煤的方法，是柱式体系采煤法的一种。采煤时煤房间留有不同形状煤柱，采煤房时煤柱暂时支撑顶板，采完煤房后有计划地收回所留地煤柱。主要分为块状煤柱房柱式采煤法和“旺格维利”采煤法。块状煤柱房柱式采煤法通常把4-5个以上煤房组成一组同时掘进，煤房宽5-6m，煤房中心距为20-30m，每隔一定距离用联络巷贯通，形成方块或矩形煤柱，煤房掘进到预定长度后，即可回收煤柱。煤柱回收方式因工艺方式、煤柱尺寸和围岩条件的不同而异，主要有带翼式、外进式、劈柱式三种。其特点如下：

(1)袋翼式，采煤时在煤柱中采出2-3条通道作为回收煤柱时的通道；回收其两翼留下的煤，通道的顶板用锚杆支护，通道不少于两条，以便采煤机和锚杆机能轮流进入通道进行采煤工作；当穿过煤柱的通道打通时，连续采煤机斜过来对着留下的侧翼煤柱采煤，侧翼采煤时不再支护，边采边退出，然后顶板冒落。

(2)外进式，当煤柱宽10-12m左右时，可直接在房内向两侧煤柱进刀。

(3)劈柱式，劈柱式是在煤柱中间形成一条通路，连续采煤机与锚杆机分别在两个煤柱通路中交叉轮流作业，然后再分别回收两侧煤柱。当煤柱尺寸较小时，一般采用劈柱。“旺格维利”采煤法针对传统的房柱式采煤法随采深的增加出现的地压增大、采出率下降等问题，澳大利亚首先在“汪格维里”煤层中发展了“汪格维里”采煤法，在巷道布置、煤体切割及煤柱回收方面有所不同。在盘区准备巷道一侧或两侧布置长条形房柱，如图2所示，因此此采煤法也叫条状煤柱房柱式采煤法。长条形房柱宽约15m，长约65-95m。条形房柱内先采房，房宽6m，到边界后，后退回出9m宽的煤柱。盘区准备巷道长度按地质条件和胶带输送机长度确定。长条房柱间的回采顺序一般用后退式两侧布置时，也可以一侧前进式，另一侧后退式。主要缺点：①采区采出率低，一般为50％-60％左右，回收煤柱时可提高到70％-75％左右；②通风条件好，进回风并列布置，通风构筑物多，漏风大，采房及回收煤柱时，出现多头串联通风。

我国有一部分煤田的地质条件较适合采用柱式体系采煤法，特别在平硐开拓的中小型矿井中，应用较为有利。一些矿井出于“三下”严重压煤的实际情况，如条件适宜，可以采用柱式采煤法。但采用柱式体系采煤法，必须解决相应的配套设备并改进布置，尽量提高采出率。我国许多老矿区存在老房柱采空区，受开采时的技术限制，许多老房柱采空区的采煤率仅在50％左右，利用房柱式方法一次采煤后，没有进行适当的煤柱回收，遗留了大量煤柱在采空区中，造成了严重的煤炭资源浪费。所以如何实现对老房柱采空区遗留煤柱合理高效回收是本发明要解决的主要问题。

现有的房柱法矿柱回采方案主要有：抽采法、削柱法、人工支柱替换、全面充填嗣后回采、崩落法回采等。抽采法：根据矿柱的分布情况，只对部分矿柱进行回采。削柱法：将矿柱削成腰形、倒锥形等形状的矿柱。人工支柱替换：在待回采矿柱周围构筑人工支柱支撑顶板，然后回采矿柱。全面充填嗣后回采：首先对空区进行全面充填，然后在充填体内掘进采切工程进行矿柱回采。

现有的房柱式采煤专利中，公开号CN106089205A一种适用于水体下极薄矿体的房柱法充填采矿方法，采用人工矿柱进行置换，存在成本高，构筑工艺复杂的问题。公开号CN108868878A一种房柱式膏体充填置换采煤方法，提出四个纵向煤房中的其中两个用膏体充填，然后将该排的五个纵向煤柱按顺序回采和充填。然后对这两个纵向煤房用履带式充填液压支架、堵漏橡胶进行密封、后进行填充，再对之后的煤柱进行回采，整个过程分步填充，分步对各条纵向煤柱布置回采，过程较为繁琐。公开号CN103032070A一种控界房柱式分段空场嗣后阶段充填采矿法，在房区中划分盘区，划分方法与专利CN108868878A基本相同，矿房回采完后自下而上采用不同配比的分级尾砂胶结体接顶充填，矿柱回采完后采用非胶结体充填，过程繁琐，填充成本较高，掘进难度大。公开号CN201110244649房柱式大直径深孔倒台阶状分段侧向崩矿嗣后充填采矿法，自下而上采用不同配比的分级尾砂胶结体接顶充填，矿柱回采完后主要采用尾石非胶结体充填，该专利中对煤柱的回收方法与专利CN103032070A对煤柱回收的方法基本相同。公开号CN101858217A房柱变换式盘区上向分层充填采矿法矿房矿柱回采时，遵循上向分层充填采矿法回采原则，胶结充填，采一层，充填一层，同样存在过程繁琐，填充成本高，掘进难度大等问题。公开号CN106761743A连续分条袋式充填房柱法空区回采矿柱法、公开号CN106761744A囊体预留巷主动接顶房柱法矿柱回采方法，对空区条带进行袋式胶结充填，在空区条带铺设充填袋，向充填袋内输送充填料浆，以使充填袋得到充填并自动全面接顶，在空区条带形成充填支撑条带，之后分步回采，分步填充，除填充方法不同，煤柱回收方法与之前的几个专利没有较大区别。公开号CN201110243248中央脉外房柱式联合横巷两端脉内连续分段充填采矿法采用在矿房与矿柱分界线处砌筑充填挡墙；两端矿房回采完后，直接在脉内平巷内砌筑充填挡墙；矿柱回采完后，在矿房与矿柱共用联络巷内砌筑充填挡墙的方法，掘进难度大，成本较高。CN1920255B在房柱式回采中用于后退式柱式回采的方法及单体支架、CN1482343A连续采煤机房柱式短壁机械化采煤方法及其支护设备都是使用移动机械支护，边支护边回收煤柱，成本较高，过程复杂。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)抽采类方法回采率一般为矿柱的10～50％，回采率低，回采在空区内进行，回采后空区顶板暴露面积急剧增大，安全性差。

(2)削柱类方法这种回采方法操作简单，但回收率一般只有矿柱的20％～50％，现在作为一种单独的矿柱回采方法已被淘汰。由于矿柱“瘦身”严重，稳定变差，存在安全隐患。

(3)人工支柱的构筑成本高，构筑工艺复杂，特别矿体厚度较大时，构筑难度大和成本高。

(4)由于房柱法回采后的采场空区出口多，挡墙构筑数量多，工程量大；采空区需全部进行高强度充填，充填成本高；回采矿柱的过程需掘进和倒运大量的充填体，充填体内巷道掘进、支护难度大。

(5)现有的移动机械半支护半回收类方法，主要用于房柱式采区的开采期，而对老采区遗留煤柱回收这种特殊情况不能起到高效的煤柱回收作用。

(6)现有技术大多属于分步填充，分步回收的方法，基本上都存在过程繁琐，成本较高，掘进难度大等问题。

解决上述技术问题的难度：

1.经济性。老房柱采空区遗留煤柱的回收不同于正常的煤炭开采，其回收难度较高，且回收量略少于正常煤矿开采，必须控制成本，提高投入产出比。

2.技术性。回收煤柱必须考虑对顶板的合理支护，一旦煤柱减少，必须要有其他方法支撑顶板，以减少对上部岩层乃至对地表的影响，处理不好则可能出现矿房垮塌，出现安全事故，并可能引起地表塌陷的问题。

一般的方案若考虑边填充边回收的方法，则必须采用具有足够强度以代替煤柱支撑顶板的填充材料，往往在填充材料上消耗大量成本，且这种方案下，其回采率必然受到煤柱两侧填充物的影响，而不得不遗留部分煤体。

少数方案移动机械式半支护半回采方法，该类方法操作难度更大且出煤率没有保证。所以必须有一种适当的方案可以实现程序简单，操作难度低，回采率高。

3.生产周期。过长的生产周期往往大量消耗人力物力，且过长的生产周期也会影响采区顶板的稳定性。

边填充边回收的方案需要填充，回收一列煤柱，再填充，再回收的方法的进行循环填采，方案操作复杂，等待填充物逐条固结会大大加长回采周期。

解决上述技术问题的意义：

以更加经济合理的方法，将遗留房柱的全部采出，可实现废弃的煤炭资源充分利用，降低井下煤炭自燃的安全隐患。

发明内容

为解决老房柱采空区遗留煤柱合理高效回收问题，本发明提供了一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法。

本发明是这样实现的，一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，所述用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法包括：分隔不同条梁通道的密封帘布、主材料为煤粉和水泥的充填条梁体、基于现有巷道布置的综采系统。可实现遗留房柱的全部采出，经济合理，采出率高，可实现废弃的煤炭资源充分利用，降低井下煤炭自燃的安全隐患。

进一步，所述分隔不同条梁通道的密封帘布，包括材料为一定厚度的高密涤纱、涤纶防水布；使用铆钉固定于通道两端煤柱和顶底板，用于密封煤柱间的倾斜通道。

进一步，所述充填条梁体为煤粉和水泥为主(例如80％煤粉，15％水泥和5％水分)混合而成的混凝体，在倾斜方向通道密封完成后，在不同通道逐一进行充填。

进一步，所述用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法经济体包括：

步骤一，使用帘布密封煤柱间的倾斜方向通道，划分出不同的走向通道，且预留出走向长壁综采面；

步骤二，分步间隔对各走向通道进行填充，形成填充条梁体；

步骤三，布置综采工作面回风巷和运输巷；

步骤四，在长壁综采工作面布置液压支架、刮板输送机、滚筒采煤机，在回风巷布置上端头支架、液压安全绞车，在运输巷布置下端头支架、顺槽转载机、可伸缩带式输送机、配电箱、乳化液泵站、设备列车、移动变电站、喷雾泵车、集中控制台；

步骤五，进行综合机械化回采作业，将遗留煤柱和填充条梁体一并采出。

进一步，所述充填条梁体材料为煤粉和水泥为主(例如80％煤粉，15％水泥和5％水分)的充填材料；所述密闭帘布材料为高密涤纱、涤纶防水布；固定密闭帘布为铆钉固定，由铆钉枪打入煤岩体以固定密封帘布。

本发明在充填形成充填条梁体后，借助现有的综合机械化开采设备和系统，对房柱和充填条梁体进行综采回收。所述综采系统包括滚筒采煤机、刮板运输机、液压支架、下端头支架、上端头支架、转载机、可伸缩带式输送机、配电箱、乳化液泵站、设备列车、移动变电站、喷雾泵车、液压安全绞车、集中控制台组成。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明解决了煤矿老采区遗留煤柱资源浪费且存在自燃危险的问题。

与现有工艺相比较，本发明具有以下优势：

(1)采出率高，可将回采工作面内遗留煤柱全部采出。采出率接近85％，比现有技术提高20％以上。

(2)该方案施工简单，易于实现，成本较低。所用煤粉来自该矿井内部，填充成本可节省70％以上，经一次填充后利用综采方法，一次将遗煤和填充跳梁体采出。所以该方案对填充材料的强度要求并没有以往的回采方案那么高。

(3)用煤粉作为主要的充填材料，回采过程中再进行回收，不浪费资源。

(4)采用部分水泥混合到煤粉中进行充填，提高了充填条梁体的强度，强度约为1.2-1.35MPa，与现有的煤柱结合可有效支撑顶板，保证了回采过程中顶板的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法的实施流程图。

图2是本发明实施例提供的帘布密封煤柱间布置方式示意图。

图3是本发明实施例提供的煤柱区填充过程示意图。

图4是本发明实施例提供的综采工作面设备布置示意图；

图中：1、遗留煤柱区；2、房区；3、密封帘布；4、充填条梁体；5、回风巷；6、运输巷；7、长壁综采工作面；8、铆钉；9、滚筒采煤机；10、刮板运输机；11、液压支架；12、下端头支架；13、上端头支架；14、转载机；15、可伸缩带式输送机；16、配电箱；17、乳化液泵站；18、设备列车；19、移动变电站；20、喷雾泵车；21、液压安全绞车；22、集中控制台。

具体实施方式

针对老房柱采空区遗留煤柱如何合理高效回收问题，本发明提供了一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法步骤包括：

S101：使用帘布密封煤柱间的倾斜方向通道，划分出不同的走向通道，且预留出走向长壁综采面。

S102：分步间隔对各走向通道进行填充，形成填充条梁体。

S103：布置综采工作面回风巷和运输巷。

S104：在长壁综采工作面布置液压支架、刮板输送机、滚筒采煤机，在回风巷布置上端头支架、液压安全绞车，在运输巷布置下端头支架、顺槽转载机、可伸缩带式输送机、配电箱、乳化液泵站、设备列车、移动变电站、喷雾泵车、集中控制台。

S105：进行综合机械化回采作业，将遗留煤柱1和填充条梁体一并采出。

本发明实施例提供的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，主要包括：分隔不同条梁通道的密封帘布3、主材料为煤粉和水泥的充填条梁体4、基于现有巷道布置的综采系统。

所述分隔不同条梁通道的密封帘布3，主材料为一定厚度的高密涤纱、涤纶防水布，具体规格视煤柱间距及煤层厚度而定，要求宽度多于煤柱间距40cm，高度多于煤层厚度40cm。使用铆钉8固定，具体固定方式如图2和图3所示，主要固定于煤柱间的倾斜向通道。所述铆钉8为击芯铆钉，由铆钉枪打入煤岩体以固定密封帘布，具体布置数量及方式视具体情况而定，并保证其帘布固定强度在充填过程中不脱落。在老房柱式采空区边侧和上下侧预留出长壁综采面和回风巷5、运输巷6。

所述充填条梁体4为煤粉和水泥为主(例如80％煤粉，15％水泥和5％水分)混合而成的混凝体，在倾斜方向上通道密封完成后，在不同走向通道逐一进行充填，由于主成分为煤，可以使用综采方法直接连同煤柱一并采出，15％的水泥使充填条梁体强度增加，但对整体出煤的质量影响较小。

如图4所示，所述综采系统由滚筒采煤机9、刮板运输机10、液压支架11、下端头支架12、上端头支架13、转载机14、可伸缩带式输送机15、配电箱16、乳化液泵站17、设备列车18、移动变电站19、喷雾泵车20、液压安全绞车21、集中控制台22组成，可高效采出煤柱及充填条梁体。

所述滚筒采煤机9主要由电动机、牵引部、截割部和附属装置等部分组成，为现有常规综合机械化采煤法所用的采煤机，用于开采遗留煤柱1及充填条梁体4。

所述刮板运输机10由机头、中间部和机尾部三个部分组成。用刮板链牵引，在槽内运送散料，用以对滚筒运输机切割下的煤体运输至运输巷6；再由转载机14、可伸缩带式输送机15将煤体运出。

所述喷雾泵车20为采煤机提供喷雾灭尘，冷却用水和摇臂液压抬高的设备。

本发明公开的是一种用于老房柱采空区遗留煤柱的充填开采工艺，对于本发明说明书所述的通道密闭、填充及综采方法等方案，其替代方案如下：

(1)充填条梁体材料比例不仅限于80％煤粉，15％水泥和5％的水，可根据顶板支撑情况更改材料配比，也可添加其他不影响产煤质量的材料，只要强度适当，经济合理即可。

(2)密闭帘布材料不仅限于高密涤纱、涤纶防水布，厚度也不仅限于3mm，材料可达到密闭煤柱间倾斜向通道，并保证充填期间具有一定的强度且不脱落即可。

(3)固定密闭帘布的方式不仅限于铆钉固定，其他构造合理，实施简易，经济性强的方式亦可。

下面结合对比对本发明的技术效果作详细的描述。

(1)用煤粉、水泥及水对填充条梁体进行配比，按比例不同分为5组，分组情况如表1，注入φ50mm×100mm标准圆柱件模具，固结后取出，进行单轴压缩实验，每组测试3个试样，得到数据如表2。

表1试件配比

表2试件的单轴抗压强度及弹性模量

综合考虑填充后回收煤的质量，选取第四组方案，即80％煤粉，15％煤粉，5％水作为充填条梁体的配比。

(2)由图4可见，综采系统工作的主要过程有：

(1)割煤：滚筒采煤机沿顶底板双向割煤，往返一次进两刀，煤机速度要适宜，且保证顶底板平整，煤壁齐直，不得随意割底或留伞檐。

(2)移架：采用及时移架支护方式，移动液压支架，移架滞后采煤机后滚筒3～5架，追机作业，移架步距0.6米。若顶板破碎，端面距过大应拉移超前架及时支护顶。

(3)推溜：随移架后顺序推溜，严禁相向操作，滞后移架5～10米，弯曲段长度不小于15米，且要均匀过渡，推移步距0.6米，并保持平、直、稳。

滚筒采煤机在长臂综采工作面切割煤体，将煤块放置于刮板运输机。

刮板运输机将切割下的煤体经过转载机运至可伸缩带式输送机，后运出采区。

乳化液泵站是用来向综采工作的液压支架或普采工作面的单体液压支柱输送压力液体的动力设备。它主要由乳化液箱和乳化液泵组(两组)及液压控制系统组成。

设备列车是综合机械化采煤系统中的一个运输设备。安装在采煤工作面的正巷或副巷。

喷雾泵车主要为采煤、掘进工作面及其他需要喷雾灭尘的地方提供动力源。

液压绞车用于物料的升降或平拖。

集中控制台对综采情况进行集中显示和控制。

充填效果如图3。方案实施效果如图4，近似于普通矿井综采效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，其特征在于，所述用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法包括：分隔不同条梁通道的密封帘布、主材料为煤粉和水泥的充填条梁体、基于现有巷道布置的综采系统。

2.如权利要求1中所述的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，其特征在于，所述分隔不同条梁通道的密封帘布，包括材料为3mm厚高密涤纱、涤纶防水布；使用铆钉固定于通道两端煤柱和顶底板，用于密封煤柱间的倾斜通道。

3.如权利要求1中所述的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，其特征在于，所述充填条梁体以煤粉和水泥为主混合而成的混凝体，在倾斜方向通道密封完成后，在不同通道逐一进行充填。

4.如权利要求1中所述的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，其特征在于，所述用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法经济体包括：

步骤一，使用帘布密封煤柱间的倾斜方向通道，划分出不同的走向通道，且预留出走向长壁综采面；

步骤二，分步间隔对各走向通道进行填充，形成填充条梁体；

步骤三，布置综采工作面回风巷和运输巷；

步骤四，在长壁综采工作面布置液压支架、刮板输送机、滚筒采煤机，在回风巷布置上端头支架、液压安全绞车，在运输巷布置下端头支架、顺槽转载机、可伸缩带式输送机、配电箱、乳化液泵站、设备列车、移动变电站、喷雾泵车、集中控制台；

步骤五，进行综合机械化回采作业，将遗留煤柱和填充条梁体一并采出。

5.如权利要求1中所述的用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法，其特征在于，所述密闭帘布材料为高密涤纱、涤纶防水布；固定密闭帘布为铆钉固定，由铆钉枪打入煤岩体以固定密封帘布。