CN110761832A

CN110761832A - 一种采空区经纬状充填方法

Info

Publication number: CN110761832A
Application number: CN201911196060.4A
Authority: CN
Inventors: 郭忠平; 张福玉; 陈道志; 冷超; 周翔; 张笃学
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: WO2021103193A1; CN110761832B

Abstract

本发明提供了一种采空区经纬状充填方法，涉及井下充填开采技术领域，步骤包括：自开切眼开始，工作面推进后在工作面后方布置走向充填体，工作面推进距离达到周期来压步距之前构筑倾向充填体，工作面持续推进继续构筑走向充填体，循环布置倾向充填体，直至工作面推进至停采线，完成经纬状充填体的构建。该方法可依靠一种采空区经纬状充填系统实施，充填系统包括矸石膏体输送管、搅拌机、充填泵、液压支架、走向充填管、倾向充填管、木桩、走向挡板、倾向挡板，充填泵通过膏体输送管和走向充填管和倾向充填管相连。该方法操作简便，充填体构筑成本低，采空区顶板不垮落有效控制地表沉陷，还可以保护含水层，提高煤炭资源的回采率。

Description

一种采空区经纬状充填方法

技术领域

本发明涉及井下充填开采技术领域，尤其是一种采空区经纬状充填方法。

背景技术

充填采矿法是人工支护采空区的采矿方法，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采。尤其是在三下开采中，充填开采方法应用广泛，充填开采适应性强，回采率高，保护地表；但是工艺复杂，成本高，煤矿开采中采空区整体充填的施工效率低。

随着经济的快速发展，煤炭资源的需求量也迅速增长，煤炭资源的开采过程中，三下压煤问题越来越突出，这一问题对应的解决办法却相对有限。传统的煤炭开采模式会对矿区环境造成较大的破坏影响，为了保护环境，必须解决三下开采的问题，而采空区的处理是最为重要环节。采空区是将煤矿采出后所留存于地表以下的空区，采空区若不进行处理将会引起地表塌陷等危害，而地表塌陷不仅会造成地下水枯竭、道路、建筑物以及耕地破坏、生态环境恶化等问题，甚至会给煤矿工作人员及采空区上方的居民生命财产安全带来了严重的威胁。另外采空区的处理方法还有全部垮落法、充填法以及煤柱支撑法等。

采用垮落法处理空区将会造成地表塌陷引起环境问题；而煤柱支撑法将会引起煤炭资源损失；因此采用充填法处理采空区成为最有效的方法，但是现有的充填系统及充填设备的投入大，并且施工效率较低，不能满足开采接续的需求。为了充分回收煤炭资源，提高开采效率，同时达到防止地表沉陷、保护地表建筑物以及保护环境的目的，需要提供一种施工简便，成本低的高效充填方法。

发明内容

为了提供一种操作简便的充填开采方法，降低充填体构筑成本，保证采空区顶板不垮落从而有效控制地表沉陷、保护含水层，提高了煤炭资源的回采率本发明提供了一种采空区经纬状充填方法，具体技术方案如下。

一种采空区经纬状充填方法，步骤包括：

步骤一.工作面开切眼，割煤机每割两刀煤并斜切进刀后停止割煤；

步骤二.自采空区两侧回采巷道的巷帮开始，每间隔距离c沿工作面走向布置宽度为W的走向充填体；

步骤三.工作面继续推进，推进距离达到c之前沿工作面倾向布置宽度为W的倾向充填体；

步骤四.工作面持续推进，重复布置走向充填体和倾向充填体，直至工作面停采线，在采空区形成经纬状充填体。

优选的是，间隔距离c小于或等于工作面周期来压步距；所述宽度W的计算为：

其中n为充填条带数目；σ_t为充填条带材料的抗压强度，L为工作面周期来压步距，γ为直接顶的容重。

还优选的是，走向充填体和倾向充填体垂直布置，走向充填体和倾向充填体为矸石似膏体充填材料；所述走向充填体设置在走向充填空间内从底板充填至接顶，所述倾向充填体设置在倾向充填空间内从底板充填至接顶。

进一步优选的是，利用一种采空区经纬状充填系统进行充填，采空区经纬状充填系统包括矸石膏体输送管、搅拌机、充填泵、液压支架、走向充填管、倾向充填管、木桩、走向挡板、倾向挡板；所述矸石膏体输送管设置在运输平巷内，搅拌机和充填泵通过膏体输送管相连，充填泵通过膏体输送管与走向充填管和倾向充填管相连；在工作面所述液压支架后方的走向充填管沿工作面走向设置，液压支架后方的倾向充填管沿工作面倾向设置，所述走向充填管和倾向充填管间隔设置；所述走向充填管的两侧平行设置有走向挡板，倾向充填管的两侧平行设置有倾向挡板；沿所述走向挡板和倾向挡板还设置有木桩。

还进一步的，走向充填管设置在平行走向挡板围成的走向充填空间上部，所述倾向充填管设置在平行倾向挡板围成的倾向充填空间上部。

还进一步的，走向挡板和倾向挡板为竹片或荆笆；所述木桩设置在走向充填空间或倾向充填空间的外部，木桩之间的间距小于1m。

还进一步的，走向充填管和倾向充填管上设置有多个出浆口，走向充填管和倾向充填管上还设置有阀门。

本发明的有益效果是：

(1)提供了一种采空区经纬状充填方法，在采空区形成经纬状的充填体，可以有效的控制顶板垮落和地表沉降，该方法相对于充填开采施工方法操作更加简便，充填体的面积更小构筑成本低，通过采空区顶板不垮落有效控制地表沉陷，还可以保护含水层，提高了煤炭资源的回采率。

(2)该方法可以利用常规的充填开采系统实现，也可以利用采空区经纬状充填系统更加方便高效的施工经纬状充填体，该系统可以在采空区施工构筑经纬状的充填体，通过矸石膏体输送管、搅拌机和充填泵来制造矸石似膏体充填材料；走向充填管和倾向充填管分别沿走向和倾向布置，用于制造纵向充填体和倾向充填体，分段依次向采空区注浆；走向挡板和倾向挡板保证来浆液在预设的充填区域形成充填体；该系统还具有充填体体积小构筑效率高、操作简便、成本低等优点。

附图说明

图1是采空区经纬状充填方法流程示意图；

图2是采空区经纬状充填系统结构示意图；

图3是实施例3中的走向充填管和倾向充填管布置示意图；

图中：1-矸石膏体输送管；2-搅拌机；3-充填泵；4-液压支架；5-走向充填管；6-倾向充填管；7-木桩；8-走向挡板；9-倾向挡板；10-运输平巷；11-轨道平巷。

具体实施方式

结合图1至图3所示，本发明提供的一种采空区经纬状充填方法具体实施方式如下。

实施例1

由于现有的充填开采方法，充填施工操作复杂，并且充填成本高；为了简化充填操作步骤，降低充填体构筑成本，保证采空区顶板不垮落从而有效控制地表沉陷、保护含水层，提高了煤炭资源的回采率；提供了采空区经纬状充填方法，步骤包括：

步骤一.工作面开切眼，割煤机每割两刀煤并斜切进刀后停止割煤。

步骤二.自采空区两侧回采巷道的巷帮开始，每间隔距离c沿工作面走向布置宽度为W的走向充填体。

步骤三.工作面继续推进，推进距离达到c之前沿工作面倾向布置宽度为W的倾向充填体。

其中间隔距离c小于或等于工作面周期来压步距；宽度W的计算为：

另外走向充填体和倾向充填体垂直布置，走向充填体和倾向充填体为矸石似膏体充填材料；走向充填体设置在走向充填空间内从底板充填至接顶，倾向充填体设置在倾向充填空间内从底板充填至接顶。

实施例2

一种采空区经纬状充填方法，能够在采空区充填形成经纬状，保证采空区顶板不垮落，有效地控制地表沉陷，步骤包括：

步骤一.在工作面运输平巷中铺设矸石膏体输送管，同时布置充填泵以及搅拌机；随后工作面开切眼，割煤机每割两刀煤并斜切进刀后停止割煤。

步骤二.自采空区两侧回采巷道的巷帮开始，每间隔距离c沿工作面走向布置宽度为W的走向充填体。具体是沿倾向方向每隔一定距离布置一个走向充填空间，空间的设立可以利用常规的充填开采挡板结构围成，可以在走向充填空间的走向两侧以及沿走向靠近工作面方向一侧布置充填体挡板，充填体挡板采用木桩以及竹片或荆笆设置，挡板布置完成后，打开充填泵，通过矸石膏体输送管于挡板上方充填矸石似膏体至接顶，完成此部分走向充填体的充填。其中矸石膏体输送管可以现场接长管路方便送入充填空间，有可以临时挂至顶板，完成送料后收回，继续下一充填空间的充填。其中，间隔距离c小于或等于工作面周期来压步距。

步骤三.工作面继续推进，推进距离达到c之前沿工作面倾向布置宽度为W的倾向充填体。具体是在可以工作面后方布置一条连接两侧平巷帮的倾向充填空间，在充填空间的倾向两侧布置充填体挡板，挡板布置完成后，打开充填泵，通过矸石似膏体充填管路在挡板上方充填矸石料浆至接顶，完成此部分倾向充填体的充填。其中，间隔距离c小于或等于工作面周期来压步距，宽度W的计算为：

步骤四.工作面持续推进，重复布置走向充填体和倾向充填体，直至工作面停采线，在采空区形成经纬状充填体。其走向充填体和倾向充填体垂直布置，走向充填体和倾向充填体均为矸石似膏体充填材料。走向充填体设置在走向充填空间内从底板充填至接顶，倾向充填体设置在倾向充填空间内从底板充填至接顶。

为了更好的施工经纬状充填体，提供一种采空区经纬状充填系统，能够采空区构建经纬状的充填体，包括矸石膏体输送管1、搅拌机2、充填泵3、液压支架4、走向充填管5、倾向充填管6、木桩7、走向挡板8、倾向挡板9，通过矸石膏体输送管1、搅拌机2和充填泵3来制造矸石似膏体充填材料；走向充填管5和倾向充填管6分别沿走向和倾向布置，用于制造纵向充填体和倾向充填体，分段依次向采空区注浆；走向挡板8和倾向挡板9保证来浆液在预设的充填区域形成充填体。

矸石膏体输送管1设置在运输平巷内，在运输平巷内输送物料，并输送制作好的矸石似膏体充填材料。搅拌机2和充填泵3通过膏体输送管相连，充填泵3通过膏体输送管1与走向充填管5和倾向充填管6相连，搅拌机2对物料进行搅拌制作矸石似膏体充填材料，通过充填泵3向工作面泵送充填材料。在工作面液压支架4后方的走向充填管沿工作面走向设置，液压支架4后方的倾向充填管6沿工作面倾向设置；倾向充填管6没间隔一定的距离充填一次，走向充填管5随工作面推进沿工作面走向充填。走向充填管5和倾向充填管6间隔设置，走向充填管5和倾向充填管6上设置有多个出浆口，走向充填管5和倾向充填管6上还设置有阀门，从而方便走向和倾向上的经纬状充填体构建。

走向充填管5的两侧平行设置有走向挡板，倾向充填管6的两侧平行设置有倾向挡板，挡板挡设从而可以保证充填体按预定的区域构筑。走向挡板8和倾向挡板9设置在顶板和底板之间，走向充填管的两侧平行的走向挡板之间宽度为1-5m，倾向充填管6的两侧平行的倾向挡板之间宽度为1-5m，具体宽度根据所需构建充填体的宽度需要确定。走向充填管5设置在平行走向挡板围成的走向充填空间上部，倾向充填管6设置在平行倾向挡板围成的倾向充填空间上部，方便膏体充填材料接顶。走向充填空间中轴线之间的距离小于或等于工作面的周期来压步距，保证充填安全。走向挡板8和倾向挡板9为竹片或荆笆，材料成本低廉，使用效果好；沿所述走向挡板8和倾向挡板9还设置有木桩7，木桩7设置在走向充填空间或倾向充填空间的外部，木桩7之间的间距小于1m，木桩7保证挡板稳固，方便施工。

该采空区经纬状充填系统还具有充填体体积小构筑效率高、操作简便、成本低等优点。

实施例3

本实施例对采空区经纬状充填系统的结构及施工方法做进一步的说明。

采空区经纬状充填系统，能够采空区构建经纬状的充填体，包括矸石膏体输送管1、搅拌机2、充填泵3、液压支架4、走向充填管5、倾向充填管6、木桩7、走向挡板8、倾向挡板9。矸石膏体输送管设置在运输平巷10内，在运输平巷10内输送物料。搅拌机2和充填泵3通过膏体输送管相连，充填泵3通过膏体输送管1与走向充填管5和倾向充填管6相连，搅拌机2对物料进行搅拌制作矸石似膏体充填材料，通过充填泵3向工作面泵送充填材料。在工作面液压支架后方的走向充填管沿工作面走向设置，液压支架4后方的倾向充填管沿工作面倾向设置，可以选用带有后顶梁的液压支架4。走向充填管5和倾向充填管6间隔设置，走向充填管5和倾向充填管6上设置有多个出浆口，走向充填管5和倾向充填管6上还设置有阀门。

走向充填管5的两侧平行设置有走向挡板8，倾向充填管6的两侧平行设置有倾向挡板9。走向挡板8和倾向挡板9设置在顶板和底板之间，走向充填管5的两侧平行的走向挡板8之间宽度W为1-5m，倾向充填管6的两侧平行的倾向挡板9之间宽度W为1-5m。走向充填管5设置在平行走向挡板围成的走向充填空间上部，倾向充填管6设置在平行倾向挡板围成的倾向充填空间上部。走向充填空间中轴线之间的距离c小于或等于工作面的周期来压步距。走向挡板8和倾向挡板9为竹片或荆笆，沿所述走向挡板8和倾向挡板9还设置有木桩7，木桩7设置在走向充填空间或倾向充填空间的外部，木桩7之间的间距小于1m。

其中走向充填管5和倾向充填管6的安装结构如图3所示，倾向充填管6沿工作面布置，倾向充填管6分段连接，倾向充填管6连接处为三通管，还与走向充填管相连；倾向充填管6上可以设置1-2个出浆口并设置开关阀门，走向充填管5上靠近三通管的位置也设置有阀门，走向充填管5上也可以设置1-2个出浆口。在充填过程中，先进行倾向充填，充填完成后形成倾向的充填区域，随着工作面推进间隔进行走向的充填，推进设定的距离后在达到来压步距之前再进行倾向充填。

以某矿的3301工作面为例，对采空区经纬状充填系统的施工做进一步的说明：

首先在工作面运输平巷中铺设矸石膏体输送管，同时布置充填泵以及搅拌机；

其次自开切眼起，割煤机每割完两刀煤并斜切进刀后停止割煤，于采空区两侧平巷帮开始，沿倾向方向每隔距离c，其中c小于等于工作面的周期来压步距L，布置一个走向充填区域，充填区域的位置及范围通过走向挡板确定。充填体挡板采用木桩以及竹片或荆笆的组合布置，挡板布置完成后，打开充填泵，通过矸石膏体输送管于挡板上方充填矸石似膏体至接顶，完成此部分走向充填体的充填；

然后当工作面推进距离达到c时，于工作面后方布置一条连接两侧平巷帮的倾向充填区域，在充填区域的倾向两侧布置充填体挡板，挡板布置完成后，打开充填泵，通过矸石膏体输送管在挡板上方充填矸石似膏体至接顶，完成倾向充填区域的充填，在采空区构建经纬状充填体结构。

其中，自倾向充填体开始，重复上述的充填方式，直至工作面停采线，构筑采空区经纬状充填体。其工作面周期来压步距L、充填体宽度W可分别由以下公式确定：

式中：m_z—直接顶厚度，m；σ_c—直接顶抗拉强度，MPa；γ—直接顶容重，t/m³。

式中：n—充填条带条数，条；σ_t—充填条带材料的抗压强度，MPa。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，所述间隔距离c小于或等于工作面周期来压步距；所述宽度W的计算为：

3.根据权利要求1所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，所述走向充填体和倾向充填体垂直布置，走向充填体和倾向充填体为矸石似膏体充填材料；所述走向充填体设置在走向充填空间内从底板充填至接顶，所述倾向充填体设置在倾向充填空间内从底板充填至接顶。

4.根据权利要求1所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，利用一种采空区经纬状充填系统进行充填，采空区经纬状充填系统包括矸石膏体输送管、搅拌机、充填泵、液压支架、走向充填管、倾向充填管、木桩、走向挡板、倾向挡板；所述矸石膏体输送管设置在运输平巷内，搅拌机和充填泵通过膏体输送管相连，充填泵通过膏体输送管与走向充填管和倾向充填管相连；在工作面所述液压支架后方的走向充填管沿工作面走向设置，液压支架后方的倾向充填管沿工作面倾向设置，所述走向充填管和倾向充填管间隔设置；所述走向充填管的两侧平行设置有走向挡板，倾向充填管的两侧平行设置有倾向挡板；沿所述走向挡板和倾向挡板还设置有木桩。

5.根据权利要求1所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，所述走向充填管设置在平行走向挡板围成的走向充填空间上部，所述倾向充填管设置在平行倾向挡板围成的倾向充填空间上部。

6.根据权利要求5任一项所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，所述走向挡板和倾向挡板为竹片或荆笆；所述木桩设置在走向充填空间或倾向充填空间的外部，木桩之间的间距小于1m。

7.根据权利要求6所述的一种采空区经纬状充填方法，其特征在于，所述走向充填管和倾向充填管上设置有多个出浆口，走向充填管和倾向充填管上还设置有阀门。