CN110761792A - 一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法 - Google Patents

一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了采矿工程技术领域的一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法，包括采煤工程系统、旧切眼充填系统和矿山压力控制系统，采煤工程系统包括采煤工作面一段、采煤工作面二段、旧切眼、新切眼、运输巷和回风巷，旧切眼充填系统包括设置于旧切眼中的垫层、持力层和柔模，矿山压力控制系统包括裂石钻孔、压力传感器、裂石剂存储装置及信号处理器，本发明能够快速通过旧切眼，不需要工作面搬家，简单易实施；旧切眼形成一体化充填材料，有效减少顶板事故；随着开采过程中，人工控制充填材料解体，减少对采煤机的损失的同时减少压架事故。

Description

一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，具体为一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法。
背景技术
采矿是自地壳内和地表开采矿产资源的技术和科学，广义的采矿还包括煤和石油的开采，因此，采矿工程分为煤矿类和非煤矿类；采矿工业是一种重要的原料工业，金属矿石是冶炼工业的主要原料，非金属矿石是重要的化工原料和建筑材料。
煤矿是人类在富含煤炭的矿区开采煤炭资源的区域，一般分为井工煤矿和露天煤矿；当煤层离地表远时，一般选择向地下开掘巷道采掘煤炭，此为井工煤矿；当煤层距地表的距离很近时，一般选择直接剥离地表土层挖掘煤炭，此为露天煤矿；我国绝大部分煤矿属于井工煤矿。
煤炭开采过程中正常只有一个切眼，但由于人为或者自然原因形成了2个及以上的切眼。过旧切眼的时候，会造成采煤工作面压力猛然增大，造成压架、冒顶等一系列的事故，产生经济损失和人员伤亡。因此，采煤工作面过旧切眼需要通过一定的装置通过。
传统的过旧切眼的装置及应用方法存在以下的问题：
(1)若采用袋装充填物过旧切眼，其承载力不足，当顶板压力较大时会造成顶板事故；
(2)若采用分段充填，分段区域之间形成了结构面，同样容易出现顶板事故；
(3)若采用大面积的高强度充填材料充填，对采煤机的磨损较大，且容易造成应力集中，可能发生压架，造成巨大经济损失。
基于此，本发明设计了一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法，包括采煤工程系统、旧切眼充填系统和矿山压力控制系统；
采煤工程系统包括采煤工作面一段、采煤工作面二段、旧切眼、新切眼、运输巷和回风巷，采煤工作面一段设置于新切眼和旧切眼之间，采煤工作面二段设置于旧切眼的另一侧，且采煤工作面一段与采煤工作面二段通过旧切眼连通，运输巷和回风巷对称设置于采煤工作面一段和采煤工作面二段的两侧，且采煤工作面一段和采煤工作面二段的侧面与运输巷和回风巷连通；
旧切眼充填系统包括设置于旧切眼中的垫层、持力层和柔模，且垫层的下方为持力层，柔模包裹在垫层和持力层的外侧；
矿山压力控制系统包括裂石钻孔、压力传感器、裂石剂存储装置及信号处理器，裂石钻孔等间距分布于旧切眼的充填体中，且压力传感器埋设于持力层的顶段，裂石剂存储装置设置于回风巷中，并与裂石钻孔连通，每个裂石钻孔与裂石剂存储装置间设置有开关，信号处理器设置于回风巷中，并与压力传感器电连接。
优选的，垫层为黏土材料和水按2:1～1:1的比例构成，黏土材料中含有蒙脱石矿物，蒙脱石矿物的含量占30～50％。
优选的，垫层的厚度占旧切眼高度的5％～20％。
优选的，持力由水泥、水泥早强剂与水配制，固液比为1.5:1～1:1。
优选的，水泥早强剂的质量占水泥和水泥早强剂总质量的1～5％。
一种采煤工作面过旧切眼装置的应用方法，具体步骤为：
S1、对旧切眼进行充填，在柔模内注入持力层和垫层浆液，并埋设压力传感器；
S2、采用物理模拟实验，确定采煤工作面超前影响距离D和周期来压步距B；
S3、从新切眼开始，对采煤工作面一段进行回采，直至距离旧切眼3的距离为1.2D～1.5D停止；
S4、在旧切眼的充填体中实施裂石钻孔，并连通到裂石剂存储装置，裂石钻孔沿采煤工作面走向方向和倾向方法都是等间距的，其中，采煤工作面走向方向的间距为0.5B～0.9B，采煤工作面倾向方向的间距为10～20米；
S5、继续开采采煤工作面一段和旧切眼充填体，并监测充填体的应力状态，监测的频率为1小时/次～1天/次；
S6、监测得到顶板压力持续下降区域，打开顶板压力持续下降区域的开关，对顶板压力持续下降区域灌入裂石剂，当顶板压力持续下降区域充填体破裂后关闭开关；
S7、继续开采工作面，安全通过旧切眼，没有发生顶板灾害，且采煤机没有发生过度磨损。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过对旧切眼充填，在对采煤工作面一段回采后，再通过裂石剂存储装置和开关使充填体破裂，从而快速通过旧切眼，不需要工作面搬家，简单易实施；
(2)本发明通过在旧切眼中设置垫层和持力层，并在垫层和持力层外包覆有柔模，从而在旧切眼中形成一体化充填材料，充填强度较大，有效减少顶板事故；
(3)本发明在开采过程中，通过调整开关，使得裂石剂存储装置有步骤地依次向裂石钻孔中灌入裂石剂，人工控制充填材料解体，减少对采煤机的损失的同时减少压架事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的平面示意图；
图2为本发明的剖面示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-采煤工作面一段，2-采煤工作面二段，3-旧切眼，4-新切眼，5-运输巷，6-回风巷，7-裂石钻孔，8-压力传感器，9-裂石剂存储装置，10-信号处理器，11-开关，12-柔模，13-垫层，14-持力层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅附图，本发明提供一种技术方案：一种采煤工作面过旧切眼装置及应用方法，包括采煤工程系统、旧切眼充填系统和矿山压力控制系统；
采煤工程系统包括采煤工作面一段1、采煤工作面二段2、旧切眼3、新切眼4、运输巷5和回风巷6，采煤工作面一段1设置于新切眼4和旧切眼3之间，采煤工作面二段2设置于旧切眼3的另一侧，且采煤工作面一段1与采煤工作面二段2通过旧切眼3连通，运输巷5和回风巷6对称设置于采煤工作面一段1和采煤工作面二段2的两侧，且采煤工作面一段1和采煤工作面二段2的侧面与运输巷5和回风巷6连通；
旧切眼充填系统包括设置于旧切眼3中的垫层13、持力层14和柔模12，其中，垫层13为黏土材料和水按2:1～1:1的比例构成，黏土材料中含有蒙脱石矿物，蒙脱石矿物的含量占30～50％，垫层13的厚度占旧切眼3高度的5％～20％，垫层13的下方为持力层14，持力层14由水泥、水泥早强剂与水配制，固液比为1.5:1～1:1，早强剂的质量占水泥和水泥早强剂总质量的1～5％，柔模12包裹在垫层13和持力层14的外侧，，是透水不透浆的；
矿山压力控制系统包括裂石钻孔7、压力传感器8、裂石剂存储装置9及信号处理器10，裂石钻孔7等间距分布于旧切眼3的充填体中，采煤工作面走向方向的间距为0.5倍～0.9倍采煤工作面周期来压步距，采煤工作面倾向方向的间距为10米～20米，且压力传感器8埋设于持力层14的顶段，裂石剂存储装置9设置于回风巷6中，并与裂石钻孔7连通，每个裂石钻孔7与裂石剂存储装置9间设置有开关11，信号处理器10设置于回风巷6中，并与压力传感器8电连接。
一种采煤工作面过旧切眼装置的应用方法，具体步骤为：
S1、对旧切眼3进行充填，在柔模12内注入持力层14和垫层13浆液，并埋设压力传感器8，由于柔模12漏水不漏浆液，在开采采煤工作面一段1的过程中凝结，并与煤层顶板结顶(垫层13中有膨胀的蒙脱石矿物)，形成良好的充填体；
S2、采用物理模拟实验，确定采煤工作面超前影响距离D和周期来压步距B；
S3、从新切眼4开始，对采煤工作面一段1进行回采，直至距离旧切眼3的距离为1.2D～1.5D停止，矿山压力开始超前压覆在充填体上，由于充填体此时充填强度较大，且垫层13可以让出部分压力，不会发生顶板事故；
S4、在旧切眼3的充填体中实施裂石钻孔7，并连通到裂石剂存储装置9，裂石钻孔7沿采煤工作面走向方向和倾向方法都是等间距的，其中，采煤工作面走向方向的间距为0.5B～0.9B，采煤工作面倾向方向的间距为10～20米；
S5、继续开采采煤工作面一段1和旧切眼3充填体，并监测充填体的应力状态，监测的频率为1小时/次～1天/次；
S6、监测得到顶板压力持续下降区域，打开顶板压力持续下降区域的开关11，使得裂石剂存储装置9有步骤地依次向顶板压力持续下降区域灌入裂石剂，解体旧切眼3中的充填体，通过控制充填体解体范围，使充填体在压力监测下有步骤的依次解体，让压力依次向前传递，同时减少采煤机的磨损，当顶板压力持续下降区域充填体破裂后关闭开关11；
S7、继续开采工作面，安全通过旧切眼3，没有发生顶板灾害，且采煤机没有发生过度磨损。
其中，S6中的顶板压力持续下降区域是指连续3次监测结果持续下降，或者2次监测结果显示压力下降30％以上，顶板压力持续下降区域充填体破裂是指形成贯通性裂隙。
实施例二
安徽省某煤矿3201采煤工作面煤层受冲刷体影响分布不稳定，在形成了一个开切眼后，继续往后巷探，发现可以形成更大的采煤工作面，可以更高效的开采煤炭资源；但从新切眼开始开采，必须要过30米宽的旧切眼，采用工作面搬家过旧切眼需要近1000万的费用。
针对上述情况，可采用本技术方案中的充填方法过旧切眼，具体的方法步骤如下：
S1、对旧切眼3进行充填，在柔模12内注入持力层14和垫层13浆液，并埋设压力传感器8；其中，垫层13为黏土材料和水按1.5:1的比例构成，且黏土材料中蒙脱石矿物含量占38％，垫层的厚度占旧切眼高度的10％；垫层13下为持力层14，持力层14由水泥、水泥早强剂与水配制，固液比为1.2:1，早强剂占总质量2％；柔模12将垫层13和持力层14包裹，是透水不透浆的。
S2、采用物理模拟实验，确定采煤工作面超前影响距离D为14米，周期来压步距B为24米。
S3、从新切眼4开始，对采煤工作面一段1进行回采，直至距离旧切眼3的距离为19米时停止。
S4、在旧切眼3的充填体中实施裂石钻孔7，并连通到裂石剂存储装置9，裂石钻孔7沿采煤工作面走向方向和倾向方法都是等间距的；其中，采煤工作面走向方向的间距为15米，采煤工作面倾向方向的间距为15米。
S5、继续开采采煤工作面一段1和旧切眼3充填体，并监测充填体的应力状态，监测的频率为1小时/次～1天/次，其中在采煤工作面超前影响距离外的传感器监测频率为1天/次，采煤工作面超前影响距离内的传感器监测频率为1小时/次。
S6、在步骤五的过程中，监测得到顶板压力持续下降区域，打开顶板压力持续下降区域的开关11，对顶板压力持续下降区域灌入裂石剂，当顶板压力持续下降区域充填体破裂后关闭开关11。
S7、继续开采工作面，安全通过旧切眼3，没有发生顶板灾害，且采煤机没有发生过度磨损。
通过本实施例的工程应用，不需要工作面搬家，可减少近千万的搬家费用，且没有发生顶板灾害，经济和社会效益显著。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种采煤工作面过旧切眼装置，其特征在于，包括采煤工程系统、旧切眼充填系统和矿山压力控制系统；
所述采煤工程系统包括采煤工作面一段(1)、采煤工作面二段(2)、旧切眼(3)、新切眼(4)、运输巷(5)和回风巷(6)，采煤工作面一段(1)设置于新切眼(4)和旧切眼(3)之间，采煤工作面二段(2)设置于旧切眼(3)的另一侧，且采煤工作面一段(1)与采煤工作面二段(2)通过旧切眼(3)连通，运输巷(5)和回风巷(6)对称设置于采煤工作面一段(1)和采煤工作面二段(2)的两侧，且采煤工作面一段(1)和采煤工作面二段(2)的侧面与运输巷(5)和回风巷(6)连通；
所述旧切眼充填系统包括设置于旧切眼(3)中的垫层(13)、持力层(14)和柔模(12)，且垫层(13)的下方为持力层(14)，柔模(12)包裹在垫层(13)和持力层(14)的外侧；
所述矿山压力控制系统包括裂石钻孔(7)、压力传感器(8)、裂石剂存储装置(9)及信号处理器(10)，所述裂石钻孔(7)等间距分布于旧切眼(3)的充填体中，且压力传感器(8)埋设于持力层(14)的顶段，所述裂石剂存储装置(9)设置于回风巷(6)中，并与裂石钻孔(7)连通，每个所述裂石钻孔(7)与裂石剂存储装置(9)间设置有开关(11)，信号处理器(10)设置于回风巷(6)中，并与压力传感器(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的采煤工作面过旧切眼装置，其特征在于，所述垫层(13)为黏土材料和水按2:1～1:1的比例构成，黏土材料中含有蒙脱石矿物，蒙脱石矿物的含量占30～50％。
3.根据权利要求1所述的采煤工作面过旧切眼装置，其特征在于，所述垫层(13)的厚度占旧切眼(3)高度的5％～20％。
4.根据权利要求1所述的采煤工作面过旧切眼装置，其特征在于，所述持力层(14)由水泥、水泥早强剂与水配制，固液比为1.5:1～1:1。
5.根据权利要求4所述的采煤工作面过旧切眼装置，其特征在于，所述水泥早强剂的质量占水泥和水泥早强剂总质量的1～5％。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的采煤工作面过旧切眼装置的应用方法，其特征在于，具体步骤为：
S1、对旧切眼(3)进行充填，在柔模(12)内注入持力层(14)和垫层(13)浆液，并埋设压力传感器(8)；
S2、采用物理模拟实验，确定采煤工作面超前影响距离D和周期来压步距B；
S3、从新切眼(4)开始，对采煤工作面一段(1)进行回采，直至距离旧切眼(3)的距离为1.2D～1.5D停止；
S4、在旧切眼(3)的充填体中实施裂石钻孔(7)，并连通到裂石剂存储装置(9)，裂石钻孔(7)沿采煤工作面走向方向和倾向方法都是等间距的，其中，采煤工作面走向方向的间距为0.5B～0.9B，采煤工作面倾向方向的间距为10～20米；
S5、继续开采采煤工作面一段(1)和旧切眼(3)充填体，并监测充填体的应力状态，监测的频率为1小时/次～1天/次；
S6、监测得到顶板压力持续下降区域，打开顶板压力持续下降区域的开关(11)，对顶板压力持续下降区域灌入裂石剂，当顶板压力持续下降区域充填体破裂后关闭开关(11)；
S7、继续开采工作面，安全通过旧切眼(3)，没有发生顶板灾害，且采煤机没有发生过度磨损。
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