CN110593874B - 一种煤矿强弱强全采全充方法 - Google Patents

一种煤矿强弱强全采全充方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿强弱强全采全充方法，尤其适用于煤矿“三下”压煤和矿井水难以处理的煤层开采。将长壁工作面开采煤体沿运输平巷至回风平巷划分若干条带，间隔开采条带并充填，以矸石胶结与高水材料间隔充填，形成支撑顶板的强弱强结构，矸石胶结充填为强支撑结构，原料为煤矸石与特定配比水泥或粉煤灰和胶结剂，利用泵将材料从地面输送至井下充填；高水材料充填为弱支撑结构，采用矿井水与凝固剂形成凝固体，并利用泵将井下矿井水和凝固剂输送至采空条带中充填。从而实现煤矿“三下”压煤安全开采，为高矿化度矿井水井下处理提供了新的技术途径，减少充填成本，对传统矿井水地面排放造成的生态环境影响意义重大，推广应用价值较高。

Description

一种煤矿强弱强全采全充方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿强弱强全采全充方法，尤其适用于煤矿“三下”压煤和矿井水难以处理的煤层开采。
背景技术
随着煤炭资源的逐渐开采，矿井面临资源枯竭的困境。造成这一现象的根本原因并不是煤炭资源缺失，而是由于矿井“三下”压煤问题不断突出，显著影响矿山企业的正常生产。其次随着环保要求的提供，国家对外排矿井水质量要求越来越高；尤其在我国西部矿区，地下水矿化度较高，部分矿山企业矿井水只能深度净化后才允许外排，给企业运营增加了大量成本。
现如今，国内外还没有一种能同时解决“三下”压煤和矿井水处理的开采方法，本文利用矸石胶结充填与高水充填循环开采。其中胶结充填材料强度高的特性控制岩层移动，防止地表沉降，高水充填材料用来处理矿井水，解决矿井污水外排问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对“三下”压煤和矿井水难以处理的煤层开采问题，结合充填开采优势，提供一种在井下同时完成充填开采及矿井污水处理的开采方法。
技术方案：本发明的一种煤矿强弱强全采全充方法，包括掘进自采区运输上山区段运输平巷和采区回风上区段回风平巷至区段工作面边界；在区段工作边界施工联络巷将区段运输平巷与区段回风平巷连通，形成通风回路，其特征在于，包括如下步骤：
a.在区段工作面边界一侧留设宽度约为5m的护巷煤柱，沿区段掘进方向，将待开采区段工作面沿区段回风平巷方向划分为若干个条带，每个条带的宽度约为5m；
b.先自区段工作面边界一侧的五个条带沿采区上山方向采用连采机进行巷道开采和充填作业；
c.然后在开采充填后的五个条带前方，对区段工作面未开采条带按每4个条带为一个区段，靠近条带
Figure BDA0002226768170000011
的为分区L1，自未开采区段作面边界采区上山方向区段依次编为分区L2、L3、…、Ln，对于任一个区段Li内的4个条带，未开采区段作面边界至采区上山方向依次编为
Figure BDA0002226768170000012
开采顺序从分区L1至分区Ln依次开采；
d.对每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业，直至完成整个开采区段工作面，总体构成强弱强支撑结构。
所述步骤b中五个条带的巷道开采和充填作业具体步骤如下：
①在靠近区段工作面边界的五个条带沿开采方向依次编为条带
Figure BDA0002226768170000013
②先开采条带
Figure BDA0002226768170000021
由区段运输平巷一侧向区段回风平巷一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷一侧的皮带输送机运出，直至掘出条带
Figure BDA0002226768170000022
③条带
Figure BDA0002226768170000023
掘出后撤出采掘设备，在条带
Figure BDA0002226768170000024
入口处靠区段运输平巷一侧构筑密闭墙，并在条带
Figure BDA0002226768170000025
出口处靠区段回风平巷一侧布置充填设备和充填材料输送管路，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA0002226768170000026
进行充填，构成强支撑结构；
④重复步骤②、步骤③开采条带
Figure BDA0002226768170000027
条带
Figure BDA0002226768170000028
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA0002226768170000029
入口处靠区段运输平巷一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000210
出口处靠区段回风平巷一侧布置充填设备和管路，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000211
进行充填，构成强支撑结构；
⑤采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000212
条带
Figure BDA00022267681700000213
掘出并撤出采掘设备后，在采条带
Figure BDA00022267681700000214
入口处靠区段运输平巷一侧构筑密闭墙，在采条带
Figure BDA00022267681700000215
出口处靠区段回风平巷一侧布置充填设备和管路，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000216
进行充填，构成强支撑结构；
⑥采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000217
条带
Figure BDA00022267681700000218
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA00022267681700000219
入口处靠区段运输平巷一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000220
出口处靠区段回风平巷一侧布置充填设备和管路，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000221
内进行充填，构成弱支撑结构；
⑦采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000222
条带
Figure BDA00022267681700000223
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA00022267681700000224
入口处靠区段运输平巷一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000225
出口处靠区段回风平巷一侧布置充填设备和管路，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000226
进行充填，构成弱支撑结构；
⑧五个条带
Figure BDA00022267681700000227
开采及充填完成构成强弱强支撑结构后，对护巷煤柱进行开采回收。
所述步骤d中每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业的步骤如下：
(1)首先开采分区L1内的巷道
Figure BDA00022267681700000228
由区段运输平巷一侧向区段回风平巷一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷一侧的皮带输送机运出，直至掘出巷道
Figure BDA00022267681700000229
(2)首条巷道
Figure BDA00022267681700000230
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure BDA00022267681700000231
区段运输平巷一侧构筑密闭墙，并在巷道
Figure BDA00022267681700000232
区段回风平巷一侧布置充填设备和充填材料输送管路，用矸石胶结材料进行充填，构成强支撑结构；
(3)确认巷道
Figure BDA00022267681700000233
内的矸石胶结充填物凝固后，重复步骤(1)、步骤(2)开采及充填巷道
Figure BDA00022267681700000234
(4)确认巷道
Figure BDA00022267681700000235
内的矸石胶结充填物凝固后，在分区L1内，重复步骤(1)开采巷道
Figure BDA00022267681700000236
巷道
Figure BDA00022267681700000237
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure BDA00022267681700000238
区段运输平巷一侧构筑密闭墙，在巷道
Figure BDA00022267681700000239
区段回风平巷一侧布置充填设备和充填材料输送管路，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料进行充填，弱支撑结构；
(5)确认巷道
Figure BDA0002226768170000031
内的高水充填物凝固后，重复步骤开采及充填巷道
Figure BDA0002226768170000032
(6)重复步骤(1)～(5)，直至分区L1内的所有煤体采出并充填，构成强弱强支撑结构。
所述矸石胶结材料来源于地面洗选矸石和井下掘进矸石，通过矸石投料井和矸石运输巷运输至采区内搅拌泵站，经搅拌后由充填材料输送管道输送至充填巷道。
所述矸石胶结材料的质量配比为：粉煤灰为35～45％、矸石为40.5～50.5％、速凝剂12.5～16.5％，料浆浓度为70～80％。
所用的矿井水来源于矿井水仓，经管子道、充填材料输送管路、矸石运输巷运输至采区内搅拌泵站，在搅拌泵站内将矿井水与速凝剂混合，质量配比：水：速凝剂为9:1，制成高水充填材料，并由充填材料输送管路输送至充填巷道。
在用高水充填材料进行充填的巷道内，利用木垛、单体支护方式简单支护顶板，确保工作面顶板控制效果满足要求。
有益效果：本发明综合运用了高水充填和逐巷胶结充填两种充填工艺，既能控制顶板变形，防止地表沉降，又能处理矿井高矿化度水，为西北矿区高矿化度富水煤层的开采提供了一种全新的施工方法。本发明通过胶结充填形成强支撑结构支撑上覆岩层，为地表构筑物、铁路、水体安全提供了保障；通过高水充填消耗大量矿井废水，减少了矿井处理废水的成本，从而产生较大的经济和社会效益。通过本方法每年可处理矿井水28万吨，消耗矸石13.6万吨，是解决高矿化度富水煤层“三下”压煤开采的有效手段，其方案设计合理，实际操作性强，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的井下布置结构示图；
图2为本发明具体充填开采工作面的开采-充填方法示意图。
图中：1-区段运输平巷，2-区段回风平巷，3-区段联络巷，4-护巷煤柱，5-充填材料输送管路，6矸石投料井，7-矸石运输巷；8-采区搅拌泵站；9-矿井水仓；10-管子道。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
以西北某矿区“三下”压煤开采为例，该矿某采区地表有多个村庄，所在煤层属于建筑物下压煤。如果以传统垮落法处理采空区顶板，则需对地表村庄进行搬迁，消耗大量人力和物力成本。同时，该矿水文地质条件复杂，矿井水量大且矿化度较高，不能直接排放在地表，必须经过深度处理才能满足环保排放要求，增加了煤矿运营成本和负担。针对上述情况，采用本发明的煤矿强弱强全采全充方法，具体实施步骤如下：
a.首先掘进自采区运输上山区段运输平巷1和采区回风上区段回风平巷2至区段工作面边界；在区段工作边界施工联络巷3将区段运输平巷1与区段回风平巷2连通，形成通风回路，在区段工作面边界一侧留设宽度约为5m的护巷煤柱4，沿区段掘进方向，将待开采区段工作面沿区段回风平巷2方向划分为若干个条带，每个条带的宽度约为5m；
b.先自区段工作面边界一侧的五个条带沿采区上山方向采用连采机进行巷道开采和充填作业；所述五个条带的巷道开采和充填作业具体步骤如下：
①在靠近区段工作面边界的五个条带沿开采方向依次编为条带
Figure BDA0002226768170000041
②先开采条带
Figure BDA0002226768170000042
由区段运输平巷1一侧向区段回风平巷2一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷1一侧的皮带输送机运出，直至掘出条带
Figure BDA0002226768170000043
③条带
Figure BDA0002226768170000044
掘出后撤出采掘设备，在条带
Figure BDA0002226768170000045
入口处靠区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，并在条带
Figure BDA0002226768170000046
出口处靠区段回风平巷2一侧布置充填设备和充填材料输送管路5，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA0002226768170000047
进行充填，构成强支撑结构；
④重复步骤②、步骤③开采条带
Figure BDA0002226768170000048
条带
Figure BDA0002226768170000049
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA00022267681700000410
入口处靠区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000411
出口处靠区段回风平巷2一侧布置充填设备和管路5，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000412
进行充填，构成强支撑结构；
⑤采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000413
条带
Figure BDA00022267681700000414
掘出并撤出采掘设备后，在采条带
Figure BDA00022267681700000415
入口处靠区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，在采条带
Figure BDA00022267681700000416
出口处靠区段回风平巷2一侧布置充填设备和管路(5)，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000417
进行充填，构成强支撑结构；
⑥采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000418
条带
Figure BDA00022267681700000419
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA00022267681700000420
入口处靠区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000421
出口处靠区段回风平巷2一侧布置充填设备和管路5，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000422
内进行充填，构成弱支撑结构；
⑦采用步骤②中的方法开采条带
Figure BDA00022267681700000423
条带
Figure BDA00022267681700000424
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure BDA00022267681700000425
入口处靠区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，在条带
Figure BDA00022267681700000426
出口处靠区段回风平巷2一侧布置充填设备和管路5，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure BDA00022267681700000427
进行充填，构成弱支撑结构；
⑧五个条带
Figure BDA00022267681700000428
开采及充填完成构成强弱强支撑结构后，对护巷煤柱4进行开采回收。
c.然后在开采充填后的五个条带前方，对区段工作面未开采条带按每4个条带为一个区段，靠近条带
Figure BDA00022267681700000429
的为分区L1，自未开采区段作面边界采区上山方向区段依次编为分区L2、L3、…、Ln，对于任一个区段Li内的4个条带，未开采区段作面边界至采区上山方向依次编为
Figure BDA00022267681700000430
开采顺序从分区L1至分区Ln依次开采；
d.对每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业，直至完成整个开采区段工作面，总体构成强弱强支撑结构，所述对每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业的步骤如下：
(1)首先开采分区L1内的巷道
Figure BDA0002226768170000051
由区段运输平巷1一侧向区段回风平巷2一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷1一侧的皮带输送机运出，直至掘出巷道
Figure BDA0002226768170000052
(2)首条巷道
Figure BDA0002226768170000053
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure BDA0002226768170000054
区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，并在巷道
Figure BDA0002226768170000055
区段回风平巷2一侧布置充填设备和充填材料输送管路5，用矸石胶结材料进行充填，构成强支撑结构；
(3)确认巷道
Figure BDA0002226768170000056
内的矸石胶结充填物凝固后，重复步骤(1)、步骤(2)开采及充填巷道
Figure BDA0002226768170000057
(4)确认巷道
Figure BDA0002226768170000058
内的矸石胶结充填物凝固后，在分区L1内，重复步骤(1)开采巷道
Figure BDA0002226768170000059
巷道
Figure BDA00022267681700000510
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure BDA00022267681700000511
区段运输平巷1一侧构筑密闭墙，在巷道
Figure BDA00022267681700000512
区段回风平巷2一侧布置充填设备和充填材料输送管路5，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料进行充填，弱支撑结构；
(5)确认巷道
Figure BDA00022267681700000513
内的高水充填物凝固后，重复步骤(5)开采及充填巷道
Figure BDA00022267681700000514
(6)重复步骤(1)～(5)，直至分区L1内的所有煤体采出并充填，构成强弱强支撑结构。
所述矸石胶结材料来源于地面洗选矸石和井下掘进矸石，通过矸石投料井6和矸石运输巷7运输至采区内搅拌泵站8，经搅拌后由充填材料输送管道5输送至充填巷道；所述矸石胶结材料的质量配比为：粉煤灰为35～45％、矸石为40.5～50.5％、速凝剂12.5～16.5％，料浆浓度为70～80％。
所用的矿井水来源于矿井水仓9，经管子道10、充填材料输送管路5、矸石运输巷运输至采区内搅拌泵站8，在搅拌泵站内将矿井水与速凝剂混合，质量配比：水：速凝剂为9:1，制成高水充填材料，并由充填材料输送管路5输送至充填巷道；在用高水充填材料进行充填的巷道内，利用木垛、单体支护方式简单支护顶板，确保工作面顶板控制效果满足要求。

Claims (6)

1.一种煤矿强弱强全采全充方法，包括掘进自采区运输上山区段运输平巷(1)和采区回风上区段回风平巷(2)至区段工作面边界；在区段工作边界施工联络巷(3)将区段运输平巷(1)与区段回风平巷(2)连通，形成通风回路，其特征在于，包括如下步骤：
a.在区段工作面边界一侧留设宽度约为5m的护巷煤柱(4)，沿区段掘进方向，将待开采区段工作面沿区段回风平巷(2)方向划分为若干个条带，每个条带的宽度约为5m；
b.先自区段工作面边界一侧的五个条带沿采区上山方向采用连采机进行巷道开采和充填作业；所述的五个条带的巷道开采和充填作业具体步骤如下：
①在靠近区段工作面边界的五个条带沿开采方向依次编为条带
Figure FDA0002626575080000011
②先开采条带
Figure FDA0002626575080000012
由区段运输平巷(1)一侧向区段回风平巷(2)一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷(1)一侧的皮带输送机运出，直至掘出条带
Figure FDA0002626575080000013
③条带
Figure FDA0002626575080000014
掘出后撤出采掘设备，在条带
Figure FDA0002626575080000015
入口处靠区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，并在条带
Figure FDA0002626575080000016
出口处靠区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和充填材料输送管路(5)，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure FDA0002626575080000017
进行充填，构成强支撑结构；
④重复步骤②、步骤③开采条带
Figure FDA0002626575080000018
条带
Figure FDA0002626575080000019
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure FDA00026265750800000110
入口处靠区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，在条带
Figure FDA00026265750800000111
出口处靠区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和管路(5)，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure FDA00026265750800000112
进行充填，构成强支撑结构；
⑤采用步骤②中的方法开采条带
Figure FDA00026265750800000113
条带
Figure FDA00026265750800000114
掘出并撤出采掘设备后，在采条带
Figure FDA00026265750800000115
入口处靠区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，在采条带
Figure FDA00026265750800000116
出口处靠区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和管路(5)，用矸石胶结材料向掘出的条带
Figure FDA00026265750800000117
进行充填，构成强支撑结构；
⑥采用步骤②中的方法开采条带
Figure FDA00026265750800000118
条带
Figure FDA00026265750800000119
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure FDA00026265750800000120
入口处靠区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，在条带
Figure FDA00026265750800000121
出口处靠区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和管路(5)，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure FDA00026265750800000122
内进行充填，构成弱支撑结构；
⑦采用步骤②中的方法开采条带
Figure FDA00026265750800000123
条带
Figure FDA00026265750800000124
掘出并撤出采掘设备后，在条带
Figure FDA00026265750800000125
入口处靠区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，在条带
Figure FDA00026265750800000126
出口处靠区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和管路(5)，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料向掘出的条带
Figure FDA00026265750800000127
进行充填，构成弱支撑结构；
⑧五个条带
Figure FDA00026265750800000128
开采及充填完成构成强弱强支撑结构后，对护巷煤柱(4)进行开采回收；
c.然后在开采充填后的五个条带前方，对区段工作面未开采条带按每4个条带为一个区段，靠近条带
Figure FDA00026265750800000129
的为分区L1，自未开采区段作面边界采区上山方向区段依次编为分区L2、L3、…、Ln，对于任一个区段Li内的4个条带，未开采区段作面边界至采区上山方向依次编为
Figure FDA0002626575080000021
开采顺序从分区L1至分区Ln依次开采；
d.对每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业，直至完成整个开采区段工作面，总体构成强弱强支撑结构。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿强弱强全采全充方法，其特征在于：
所述步骤d中对每个区段进行巷道开采和充填渐进循环作业的步骤如下：
(1)首先开采分区L1内的巷道
Figure FDA0002626575080000022
由区段运输平巷(1)一侧向区段回风平巷(2)一侧掘进，采出的煤通过布置在运输平巷(1)一侧的皮带输送机运出，直至掘出巷道
Figure FDA0002626575080000023
(2)首条巷道
Figure FDA0002626575080000024
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure FDA0002626575080000025
区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，并在巷道
Figure FDA0002626575080000026
区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和充填材料输送管路(5)，用矸石胶结材料进行充填，构成强支撑结构；
(3)认巷道
Figure FDA0002626575080000027
内的矸石胶结充填物凝固后，重复步骤(1)、步骤(2)开采及充填巷道
Figure FDA0002626575080000028
(4)确认巷道
Figure FDA0002626575080000029
内的矸石胶结充填物凝固后，在分区L1内，重复步骤(1)开采巷道
Figure FDA00026265750800000210
巷道
Figure FDA00026265750800000211
掘出并撤出采掘设备后，在巷道
Figure FDA00026265750800000212
区段运输平巷(1)一侧构筑密闭墙，在巷道
Figure FDA00026265750800000213
区段回风平巷(2)一侧布置充填设备和充填材料输送管路(5)，用由矿井水和添加剂制作的高水充填材料进行充填，弱支撑结构；
(5)确认巷道
Figure FDA00026265750800000214
内的高水充填物凝固后，重复步骤(5)开采及充填巷道
Figure FDA00026265750800000215
(6)重复步骤(1)～(5)，直至分区L1内的所有煤体采出并充填，构成强弱强支撑结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿强弱强全采全充方法，其特征在于：所述矸石胶结材料来源于地面洗选矸石和井下掘进矸石，通过矸石投料井(6)和矸石运输巷(7)运输至采区内搅拌泵站(8)，经搅拌后由充填材料输送管道(5)输送至充填巷道。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿强弱强全采全充方法，其特征在于：所述矸石胶结材料的质量配比为：粉煤灰为35～45％、矸石为40.5～50.5％、速凝剂12.5～16.5％，料浆浓度为70～80％。
5.根据权利要求1或2所述的一种煤矿强弱强全采全充方法，其特征在于：所用的矿井水来源于矿井水仓(9)，经管子道(10)、充填材料输送管路(5)、矸石运输巷运输至采区内搅拌泵站(8)，在搅拌泵站内将矿井水与速凝剂混合，质量配比：水：速凝剂为9:1，制成高水充填材料，并由充填材料输送管路(5)输送至充填巷道。
6.根据权利要求5所述的一种煤矿强弱强全采全充方法，其特征在于：在用高水充填材料进行充填的巷道内，利用木垛、单体支护方式简单支护顶板，确保工作面顶板控制效果满足要求。
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