CN110847954B - 分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，适用于煤柱间顶板冒落面积大、落石堆积采空区上覆蹬空煤层的复采，包括以下步骤：在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结刀柱式残采区积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区积水、冒落岩块以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层复采。较传统的柱旁膏体充填开采，本发明大大减少了工程量，且无需设立地面注浆材料拌和站，进行充填浆液的拌和以及泵送等工作，所有辅助工作均在井下进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，属于煤炭开采技术领域，主要适用于顶板垮落严重的刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采。
背景技术
随着社会主义现代化进程的加快，对煤炭需求增长的无限性与不可再生资源的有限性这一矛盾日趋剧烈，这就要求我们提高资源回收率，建设节约型矿区，因此，残煤复采逐渐得到人们的重视。
受早期开采的影响，现有生产矿区或矿井中，有很多采空区上方都遗弃了一些可采煤层，遗弃的煤炭储量还相当可观，随着开采技术的进步，煤矿残采区上行开采越来越成为人们关注的焦点。但受先期开采影响，残采区蹬空煤层及其底板岩层的完整性和稳定性均遭受不同程度的损伤破坏，可能引发矿井灾害，影响安全生产。因此，上行开采的先决条件为：对残采区上覆蹬空煤层能否进行安全开采进行可行性评价与判定，除“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法和数理分析法等常用的传统残采区上行开采可行性判别方法外，已授权专利：CN101109283B从层间岩层结构的角度出发，定量判别了蹬空煤层上行开采的可行性；CN103147737A提供了一种上行开采覆岩破坏规律的探测方法，揭示了上行开采过程中覆岩破坏的时空演化规律，解决了上行开采工作面和巷道布置合理确定的问题，保证了上行开采的安全性。所述的各蹬空煤层上行开采可行性判别皆基于层间岩层厚度及其稳定性，通过计算分析实现对残采区蹬空煤层上行开采可行性的预先判别与评价，指导工程实践。
刀柱式残采区煤柱群与上覆蹬空煤层及煤层底板岩层组成一个整体，所以刀柱式残采区煤柱群的稳定性制约着蹬空煤层上行开采的安全进行。此外，遗留煤柱群之间的刀柱式残采区空区逐渐被地下水充满，软化煤柱与围岩，影响蹬空开采稳定性。
因此，亟需寻找一种既能加强蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群稳定性又能解决遗留煤柱间积水的方法，保证蹬空煤层安全开采。
发明内容
本发明旨在提供一种分段冻结顶板垮落严重刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，有效解决了刀柱式残采区煤柱群在蹬空煤层上行开采过程发生局部瞬时失稳的问题。
本发明提供了一种分段冻结顶板垮落严重刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结采空区柱间积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层开采的特殊开采方法。
所述的分段冻结，是从煤柱端部起对三个煤柱间空区进行注水冻结，形成第一个冻结区，然后再向煤柱端部起第四到第七个煤柱间空区进行注水冻结，以此类推。
所述方法具体实施过程如下：
（1）判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产，结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测，同时探明空区中顶板垮落情况与矸石堆积面积与分布方位；
（3）在采空区地层沿空掘巷，掘进冻结辅助巷，同时在上覆煤层开掘蹬空煤层的回风与运输巷道，在蹬空煤层始采线附近，选择下伏采空区煤柱正上方的位置，进行蹬空煤层开切眼施工，布置蹬空煤层回采工作面；
（4）在步骤（3）中开掘的冻结辅助巷中布置冻结站，在巷道开掘的同时，率先将第一套冻结设备运抵冻结辅助巷进行安装，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；根据步骤（2）探明的采空区方位分布，在冻结辅助巷侧壁的区段煤柱段与残采区煤柱间空区对应的位置，由巷道侧壁垂直向采空区煤柱间空区钻孔，进行采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，因空区积水中的垮落顶板造成的石块堆积，会影响冻结管路的布设，采用跟管钻进法进行布置，保证冻结管路顺利穿过垮落岩块堆积体；
（5）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，第一冻结区进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满采空区的积水冻结成冰时形成的冰体充分接顶，当采空区积水较少时，在冻结工作进行的同时进行补充注水，保证结冰体充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生一定的侧护作用，采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层回采工作面推进提供稳定的支撑；
第一冻结区是指刀柱式残采区端部煤柱与第四个煤柱之间的空区结冰体、冒落石块以及煤柱组成的整体；
（6）蹬空煤层回采工作面在下伏采空区第一冻结区积水冻结完成后，在冻结冰体的支撑下往前推进；同时，将第二套冻结设备运抵冻结辅助巷，在冻结辅助巷中按照步骤（4）所述方法进行下一轮的冻结管路的钻孔与冻结管路布置工作，进行冻结前的准备工作；
（7）上述步骤（6）中准备工作结束后，视蹬空煤层回采工作面推进速度和采空区积水冻结速度，进行合理的施工组织设计，保证蹬空煤层回采工作面越过第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；
（8）蹬空煤层回采工作面临近第一冻结区边界的第四个煤柱前5~10m时，第一冻结区结束冻结工作，步骤（4）中的第一套冻结设备与巷道管路开始前移，开始准备第七和第十煤柱组成的第三冻结区的冻结工作；
（9）重复步骤（6）、（7）和（8），随蹬空煤层回采工作面推进，两套冻结设备交替搬家前移，以此循环进行采空区积水的冻结工作，每次冻结煤柱间三个空区积水，与冒落石块、煤柱构成一个冻结区，保证蹬空煤层回采工作面的推进，一直是在下伏采空区积水冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成的稳定整体支撑下进行的。
上述方法中，所指的刀柱式残采区积水为不与地下暗河连通的积水，所指积水长期水量基本不变，受到地下水少量补充的同时有小规模流失，总体水量处于动态稳定状态。
上述方法中，冻结设备型号、功率以及台数选择根据步骤（2）中探明的三个刀柱式残采区空区充满积水组成的冻结区完全冻结的计算需冷量确定；盐水循环系统选择CaCl2溶液作为冷媒剂，CaCl2溶液的凝固点应低于设计盐水温度的8℃~10℃，比重不高于1.27，冷却水循环系统通过开凿水池自然冷却。
上述方法中，所述冻结站的冻结设备选择如下：
①冷冻机选用SKD136.1.H型螺杆机组，其设计单台机组工况制冷量为116960kcal/h，单台电机功率为114kW；
②每个冷冻机组配盐水循环泵（选用IS150-125-315型），单台流量为200m3/h，电机功率为37kW；
③冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量为173m3/h，电机功率为18.5kW；
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备；冻结站的相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油（或者同功效其他产品），
冻结盐水温度：积极期：-20℃~-25℃，维护期（消极期）：-15℃~-20℃，
积水结冰后平均温度：-8℃~-12℃，冻结盐水输送管：耐低温的无缝金属管。
上述方法中，所述冻结辅助巷，是根据沿空掘巷的巷道矿压显现规律，结合采空区所在地层地质条件、地应力大小、辅助巷支护难易程度，来确定冻结辅助巷的施工位置与断面尺寸，采用常规方法完成巷道掘进与支护；
各冻结管路布置至刀柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器随同管路一同布置进去采空区积水，均匀布置于刀柱式残采区积水中，对采空区积水（冻结冰体）的温度进行实时检测；
采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水区对应的冻结辅助巷侧壁垂直向采空区钻孔，钻孔数目由上述计算需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定，钻孔深度等于间隔的区段煤柱厚度，当积水中有坍落顶板堆积时钻孔直至冻结管越过堆积体；冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰，此外，需考虑是否需要进行补充注水钻孔。
上述方法中，步骤（1）的可行性判定方法为：将传统的“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法结合起来，综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
上述方法中，步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明煤柱间空区中冒落顶板石块堆积体体积、位置以及积水的深度、分布范围、水质、体积。
上述方法中，步骤(5)中的煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度，由于积水中含有较多悬浮物，结冰体更为致密，实验室实测为3MPa~6MPa，抗拉强度为抗压强度的1/2，在煤柱施加的围压作用下，有一定的增大，与现阶段常用的矸石浆体充填材料强度接近。
所述水结冰后的体积膨胀，体积变为原来的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的刀柱式残采区煤柱间积水，水面距顶板距离为采空区全高的10%时，结冰后冰体能够充分接顶；当积水较少，结冰体不能接顶时，冻结工作进行的同时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个刀柱式残采区煤柱间空区；
第一冻结区，为端部遗留煤柱到第四个刀柱式残采区煤柱间的三个空区积水、煤柱以及其中冒落石块堆组成的整体，此时采空区积水冻结距离为(3a+2b) m，冻结积水体积为3×（a×H×L）；其中，a为煤柱间空区宽度，b为刀柱式残采区煤柱宽度，L为刀柱式采空区倾向长度，H为刀柱式采空区高度。
上述方法中，根据蹬空煤层回采工作面推进距离与速度，推算蹬空煤层开采工作面越过第一冻结区所需时间，同时根据第一采空区冻结时间作为一个采空区冻结完成的基准，本着节能和节约采掘时间原则，进行合理的施工组织设计，使第二冻结区的冻结工作与蹬空煤层在第一冻结区上的推进平行进行，保证蹬空煤层回采工作面越过步骤（5）中第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；步骤(7)中第一冻结区冻结工作完成后，该冻结区由积极冻结期进入消极冻结期，结冰体只需维持现有冻结状态，循环盐水的温度升高5~10℃。循环盐水的温度小范围升高即可，尽量做到节能、经济，此后各冻结区积水亦是按照上述方式进行冻结。
本发明的有益效果：
（1）该发明在矿井生产资料和探查资料的基础上判别蹬空煤层上行开采可行性，采用冻结法冻结刀柱式残采区煤柱间积水，液相的水冻结后成为固态的冰，以固态的冰代替充填材料，充满整个刀柱式残采区空区，以全部充填的方式，依次侧护蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源，回收矿产资源，促进矿产资源可持续发展。
（2）较传统的柱旁膏体充填开采，无需处理刀柱式残采区煤柱间积水，大大减少工程量，且无需设立地面注浆材料拌和站，进行充填浆液的拌和以及泵送等工作，所有辅助工作均在井下进行。
（3）刀柱式残采区煤柱间积水冻结成冰的同时将遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，组成共同承载体，为上覆蹬空煤层回采工作面推进提供一个更加稳定的底板环境。
（4）本发明为受上覆采老空区积水影响的煤层，提供了一种新的治理老空区水害的思路。
附图说明
图1为刀柱式残采区第二冻结区冻结示意图；
图2为冻结站和冻结管路布置示意图；
图中：1—蹬空煤层巷道，2—刀柱式残采区煤柱间空区，3—第二冻结区，4—刀柱式残采区煤柱；5—第一冻结区，6—层间岩层，7—蹬空煤层回采工作面，8—蹬空煤层采空区，9—煤柱间积水中冻结管路，10—间隔岩柱，11—冻结辅助巷，12—冻结站，13—蹬空煤层，14—垮落顶板岩块堆积体。
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：
为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法作进一步详细的说明。
某矿为追求高效益，在前期开采中越过矸石含量较大的6号煤层而优先开采了下部8号煤层，6号煤层36703工作面下部为38502刀柱式采空区，属于典型的刀柱式残采区上覆蹬空煤层，且38502刀柱式残采区煤柱群间采空区有大量的老采空区积水，积水不与地下暗河连通，水量基本保持不变。8号煤层38502刀柱式残采区煤柱群的稳定性严重地制约着6号煤层36703工作面蹬空资源上行开采的安全进行。针对上述情况，下面结合附图对本发明的实施过程作进一步的详细说明，具体实施步骤如下：
步骤一，采用“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法（定量判别法可参考已授权中国专利CN101109283B中所述的方法），对该矿6号蹬空煤层13上行开采的可行性作综合判别。由该矿井生产资料可得：蹬空煤层13位于层间岩层6的弯曲下沉带中，结构破坏程度较小，只发生了整体移动；8号煤层刀柱式残采区上方具有能起到平衡作用的厚硬石灰岩，其能保障蹬空煤层13不发生台阶错动；蹬空煤层13与8号煤层的采动影响倍数为6.8；上行开采必要的层间距为10.4m，明显小于蹬空煤层13与8号煤层层间岩层6的厚度27.9m；蹬空煤层13上行开采符合定量判别法所述的可采情形。综上，该矿8号煤层36502刀柱式残采区上覆蹬空煤层13上行开采是可行的。
步骤二，根据该矿井的原有地质、技术资料知，8号煤层38502刀柱式残采区煤柱4群和刀柱式残采区空区群的宽度分别为5m—15m和15—25m，高度均为5.2m。采用三维激光扫描仪精准勘查38502刀柱式残采区煤柱群与刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，钻孔探明刀柱式残采区煤柱间积水距离顶板平均距离为0.8m。
步骤三，38502刀柱式残采区同水平，且不受先前采掘影响的岩层中，沿空掘巷，与采空区中间有20~25m的区段间隔煤柱，充当冻结辅助巷11与采空区的间隔岩柱10，开掘冻结辅助巷11；于蹬空煤层13中开掘蹬空煤层巷道1，在下伏采空区煤柱正上方进行蹬空煤层开切眼施工，布置蹬空煤层回采工作面7。
步骤四，在步骤三中开掘的冻结辅助巷11中布置冻结站12，第一套冻结设备运抵冻结辅助巷11进行安装，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；根据步骤二中探明的采空区方位分布，在冻结辅助巷与采空区间间隔岩柱10与残采区刀柱间空区对应的位置，由巷道侧壁垂直向采空区煤柱间空区钻孔，进行采空区煤柱间积水中冻结管路9的布置，因空区积水中的垮落顶板造成的石块堆积，会影响冻结管路的布设，冻结管采用跟管钻进法布置。
步骤五，步骤四中布置的冻结站12开始制冷，刀柱式残采区端部煤柱与第四个煤柱之间的三处煤柱间空区积水组成的第一冻结区5，进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满的采空区积水冻结成的冰体时充分接顶，由于水结冰的体积膨胀率为110%，本例中积水结冰时并不能完全接顶，冻结进行的同时通过步骤四中的钻孔向采空区进行补充注水，使刀柱式残采区煤柱间积水结冰的同时充分接顶，对掘进蹬空煤层13的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生一定的侧护作用，采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层回采工作面7推进提供一个有支撑的稳定环境。
步骤六，蹬空煤层回采工作面7在下伏采空区第一冻结区5积水冻结完成后，在冻结冰体的支撑下往前推进，此时，第一冻结区的冻结工作进入消极冻结期，盐水温度升高5℃，维持现有结冰体冻结状态即可；蹬空煤层回采工作面7推进的同时，第二套冻结设备及时运抵冻结辅助巷11，在冻结辅助巷11中按照步骤四所述方法进行下一轮的钻孔与煤柱间积水中冻结管路9的布置工作，进行冻结前的准备工作。
步骤七，上述步骤六中准备工作结束后，视蹬空煤层回采工作面7的推进速度和采空区积水冻结速度，适时使第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区3进行入积极冻结期，保证蹬空煤层回采工作面7越过步骤五中第一冻结区5时，第二冻结区3完成冻结工作。
步骤八，蹬空煤层回采工作面7临近第一冻结区5边界煤柱（第四个煤柱）前5~10m时，第一冻结区结束冻结工作，步骤四中的第一套冻结设备与巷道管路前移搬家，开始第七到第十煤柱间的第三冻结区的冻结工作。
步骤九，重复步骤七和八，随蹬空煤层回采工作面7推进，两套冻结设备交替前移，以此循环进行采空区煤柱间空区积水的冻结工作，每次冻结三个煤柱间空区积水构成的一个冻结区，保证蹬空煤层回采工作面7的推进，一直是在下伏采空区积水冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成的稳定整体支撑下进行的。
Claims (9)
1.一种分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：适用于煤柱间顶板冒落面积大、落石堆积的采空区，包括以下步骤：
在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结刀柱式残采区积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区积水、冒落岩块以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层复采；
所述的分段冻结，是从煤柱端部起对三个煤柱间空区进行补充注水与冻结，形成第一个冻结区，然后再向煤柱端部起第四到第七个煤柱间空区进行补充注水与冻结，以此类推；
所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，具体包括以下步骤：
（1）判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产，结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测，同时探明空区中顶板垮落情况和矸石堆积面积与分布方位；
（3）在采空区地层沿空掘巷，掘进冻结辅助巷，同时在上覆煤层开掘蹬空煤层的回风与运输巷道，在蹬空煤层始采线附近，选择下伏采空区煤柱正上方的位置，进行蹬空煤层开切眼施工，布置蹬空煤层回采工作面；
（4）在步骤（3）中开掘的冻结辅助巷中布置冻结站，在巷道开掘的同时，率先将第一套冻结设备运抵冻结辅助巷进行安装，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；根据步骤（2）探明的采空区方位分布，在冻结辅助巷侧壁的区段煤柱段与残采区煤柱间空区对应的位置，由巷道侧壁垂直向采空区煤柱间空区钻孔，进行采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，因采空区积水中的垮落顶板造成的石块堆积，影响冻结管路的布设时，采用跟管钻进法进行布置，保证冻结管路顺利穿过垮落岩块堆积体；
（5）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，第一冻结区进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满采空区的积水冻结成冰时形成的冰体充分接顶，当采空区积水较少时，在冻结工作进行的同时进行补充注水，保证结冰体充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生一定的侧护作用，采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层回采工作面推进提供稳定的支撑；
第一冻结区是指刀柱式残采区端部煤柱与第四个煤柱之间的空区结冰体、冒落石块以及煤柱组成的整体；
（6）蹬空煤层回采工作面在下伏采空区第一冻结区积水冻结完成后，在冻结冰体的支撑下往前推进；同时，将第二套冻结设备运抵冻结辅助巷，在冻结辅助巷中按照步骤（4）所述方法进行下一轮的冻结管路的钻孔与冻结管路布置工作，进行冻结前的准备工作；
（7）上述步骤（6）中准备工作结束后，视蹬空煤层回采工作面推进速度和采空区积水冻结速度，进行合理的施工组织设计，保证蹬空煤层回采工作面越过第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；
（8）蹬空煤层回采工作面临近第一冻结区边界的第四个煤柱前5~10m时，第一冻结区结束冻结工作，步骤（4）中的第一套冻结设备与巷道管路开始前移，开始准备第七和第十煤柱间组成的第三冻结区的冻结工作；
（9）重复步骤（6）、（7）和（8），随蹬空煤层回采工作面推进，两套冻结设备交替搬家前移，以此循环进行采空区积水的冻结工作，每次冻结煤柱间三个空区积水，与冒落石块、煤柱构成的一个冻结区，保证蹬空煤层回采工作面的推进，一直是在下伏采空区积水冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成的稳定整体支撑下进行的。
2.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所指的刀柱式残采区积水为不与地下暗河连通的积水，所指积水长期水量基本不变，受到地下水少量补充的同时有小规模流失，总体水量处于动态稳定状态。
3.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：冻结设备型号、功率以及台数选择根据步骤（2）中探明的三个刀柱式残采区空区充满积水组成的冻结区完全冻结的计算需冷量确定；盐水循环系统选择CaCl2溶液作为冷媒剂，CaCl2溶液的凝固点应低于设计盐水温度的8℃~10℃，比重不高于1.27，冷却水循环系统通过开凿水池自然冷却。
4.根据权利要求3所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所述冻结站的冻结设备选择如下：
①冷冻机选用SKD136.1.H型螺杆机组，其设计单台机组工况制冷量为116960kcal/h，单台电机功率为114kW；
②每个冷冻机组配盐水循环泵，单台流量为200m3/h，电机功率为37kW；
③冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量为173m3/h，电机功率为18.5kW；
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备；冻结站的相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油，
冻结盐水温度：积极期：-20℃~-25℃，维护期：-15℃~-20℃，
积水结冰后平均温度：-8℃~-12℃，冻结盐水输送管：耐低温的无缝金属管。
5.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所述冻结辅助巷，是根据沿空掘巷的巷道矿压显现规律，结合采空区所在地层地质条件、地应力大小、辅助巷支护难易程度，来确定冻结辅助巷的施工位置与断面尺寸，采用常规方法完成巷道掘进与支护；
各冻结管路布置至刀柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器随同管路一同布置进去采空区积水，均匀布置于刀柱式残采区积水中，对采空区积水的温度进行实时检测；
采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水区对应的冻结辅助巷侧壁垂直向采空区钻孔，钻孔数目由上述计算需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定，钻孔深度等于间隔的区段煤柱厚度，当积水中有坍落顶板堆积时钻孔直至冻结管越过堆积体；冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰，此外，需考虑是否需要进行补充注水钻孔。
6.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤（1）的可行性判定方法为：将传统的“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法结合起来，综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
7.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明煤柱间空区中冒落顶板石块堆积体体积、位置以及积水的深度、分布范围、水质、体积。
8.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(5)中的煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度为3MPa~6MPa，抗拉强度为抗压强度的1/2；
所述水结冰后的体积膨胀，体积变为原来的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的刀柱式残采区煤柱间积水，水面距顶板距离为采空区全高的10%时，结冰后冰体能够充分接顶；当积水较少，结冰体不能接顶时，冻结工作进行的同时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个刀柱式残采区煤柱间空区；
第一冻结区，为端部遗留煤柱到第四个刀柱式残采区煤柱间的三个空区积水、煤柱以及其中冒落石块堆组成的整体，此时采空区积水冻结距离为(3a+2b) m，冻结积水体积为3×（a×H×L）；其中，a为煤柱间空区宽度，b为刀柱式残采区煤柱宽度，L为刀柱式采空区倾向长度，H为刀柱式采空区高度。
9.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：根据蹬空煤层回采工作面推进距离与速度，推算蹬空煤层开采工作面越过第一冻结区所需时间，同时根据第一采空区冻结时间作为一个采空区冻结完成的基准，本着节能和节约采掘时间原则，进行合理的施工组织设计，使第二冻结区的冻结工作与蹬空煤层在第一冻结区上的推进平行进行，保证蹬空煤层回采工作面越过步骤（5）中第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；步骤(7)中第一冻结区冻结工作完成后，该冻结区由积极冻结期进入消极冻结期，结冰体只需维持现有冻结状态，循环盐水的温度升高5~10℃。
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