CN110984987A - 一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法及系统，在大倾角综采工作面中，照一定量的长度对工作面液压支架进行模块化分区布置，上部为普通支架，下部为采‑充一体化液压支架；沿运输平巷加设联合挡矸支护；随工作面回采，在采空区下部进行人工充填并在运输平巷围岩注浆充填，保留运输平巷；开采完成后，保留的运输平巷可为下区段工作面的回风平巷，实现开采系统布置；重复以上工序，从而连续开采，直至该煤层开采完毕。本发明改善运输平巷围岩状态，保障沿空留巷稳定性，实现大倾角煤层无煤柱开采，提高作业效率，提高资源回收率，减小矿压显现强度，提高工作面支架稳定性，保障工作面安全高效开采。

Description

一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法及系统

技术领域

本发明设计一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，具体涉及大倾角煤层长壁工作面的无煤柱沿空留巷开采方法及系统。

背景技术

大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，已探明储量约为1800～3600亿吨，产量约为1.5～3亿吨，分别占全国煤炭储量和产量的10～20％和5～8％，是我国西部四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等地众多矿井的主采煤层，该类煤层的安全高效开采已成为亟待解决的重大工程问题。故而，研究大倾角煤层长壁工作面区段无煤柱护巷技术，对区域经济发展具有重要意义。目前，大倾角煤层的无煤柱开采多是借鉴近水平、缓倾斜等煤层无煤柱开采方法，但由于大倾角煤层的采场矿压显现规律与近水平、缓倾斜等煤层相比有较大差别，因而在实施时往往会存在巷道围岩破碎、煤壁易片帮、巷道顶板间易发生剪切错动、运输平巷顶板跨距较大等现象，实际应用效果不佳。

因此，要实现大倾角煤层的无煤柱开采，必须从大倾角煤层开采矿压规律特点出发，转变沿空巷道围岩控制思路，创新工作面开采方法、巷道系统布置、巷道施工技术，研发工作面与巷道充填设备、工艺。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种大倾角煤层长壁工作面的无煤柱开采方法及系统，其开采、充填工艺可行，运输平巷围岩控制理论新颖，工作面巷道布置与支护技术设计合理，可有效控制采空区围岩“关键域”，改善运输平巷围岩采动应力及运输平巷上方顶板状态，保障沿空留巷稳定性，实现大倾角煤层无煤柱开采，提高作业效率，提高资源回收率，同时可减小覆岩垮落高度及工作面上部空顶区范围，减小矿压显现强度，提高工作面支架稳定性，保障工作面安全高效开采。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，包括如下步骤：

步骤1：工作面开采系统布置：

选择一个倾角35°～55°的可采煤层，沿煤层倾斜上部底板布置回风平巷，在煤层倾斜下部沿煤层顶板布置运输平巷，沿煤层布置开切眼，安装液压支架、采煤机和刮板输送机，工作面下部布置采-充一体化液压支架，形成大倾角煤层走向长壁综采一次采全高工作面开采系统；

步骤2：沿运输平巷加设联合挡矸支护：

加设包括柔性挡矸支护、柔模护浆密闭和刚性防散支护；

步骤3：工作面回采：

工作面开采，形成采空区，矸石垮落冲击挡矸支护，实际开采时，采煤机下行单向割煤，上行走空刀时自下而上推移大倾角工作面综采液压支架，支架到位后，分步顺序实现整体推刮板输送机，与此同时，采煤机完成进刀；

步骤4：采空区充填作业：

包括工作面采空区下部密实充填、采空区下部及留巷围岩注浆充填；

步骤5：重复步骤3～4，形成循环，直至上区段工作面开采结束，矿压现象停止，所留运输平巷即可作为下一开采面的上回风平巷；

步骤6：以所留上区段的运输平巷作为下区段的上回风平巷，并进行下区段的工作面开采系统布置，形成新的工作面；

步骤7：重复步骤1～6，连续开采，直至该煤层开采完毕。

进一步，所述步骤1中，安装液压支架包括大倾角工作面端头液压支架和大倾角工作面综采液压支架。

进一步，所述步骤1中，布置采-充一体化液压支架范围与采空区局部充填区域倾向下部充填长度相等。

进一步，所述步骤4中，工作面采空区下部密实充填、采空区下部及留巷围岩注浆充填工艺流程为：

1)当工作面刮板输送机推前后，将多孔底卸式输送机与注浆充填送料管移至采-充一体化液压支架后顶梁后部，沿多孔底卸式输送机机尾向机头方向进行依次充填；

2)当下方的卸料孔卸料到一定高度后，关闭卸料孔，用采-充一体化液压支架后部的压实机千斤顶推动压实板，对已卸下的充填材料进行接顶并压实；

3)如此2～3个循环，停止第一轮充填；将多孔底卸式输送机拉移至支架后顶梁前部，进行第二轮充填；再开启下一个卸料孔进行卸料，沿工作面向上依次充填，如此往复，使设计的工作面充填区全部充满。

进而，本发明所述方法的大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采系统，包括沿采空区矸石和采空区下部充填体工作面两端部安装的大倾角工作面端头液压支架，在大倾角工作面端头液压支架之间依次安装大倾角工作面综采液压支架、采煤机和刮板输送机，工作面下部布置采-充一体化液压支架；

在采空区下部充填体上、下方伪顶和伪底之间设柔性挡矸支护、柔模护浆密闭和刚性防散支护；刚性防散支护在采空区下部充填体下端部，刚性防散支护下方设锚索和锚杆；在采空区下部充填体端部伪顶和伪底上分别设挡矸网顶锚杆和挡矸网底锚杆。

进一步，在采-充一体化液压支架上设有多孔底卸式输送机；在采空区下部充填体上设有通过压实机千斤顶支撑的压实板。

进一步，在采空区矸石和采空区下部充填体的运输平巷上设钻室，在钻室上打走向超前注浆钻孔，且通过倾向采空区离层注浆钻孔进行注浆。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明中每两个开采面之间是连续的，无煤柱支撑，节省资源，开采率高，且成巷过程无须长时间等待，作业效率提高。

2.采空区下部密实充填后，充填体可作为承载体，对下部顶板岩层产生约束作用，令采场“关键域”范围减少并向倾斜上部移动，保障下部顶板岩体结构稳定，使支承压力峰值转移至下部充填承载体上，改善运输平巷围岩采动应力及运输平巷上方顶板状态，保障沿空留巷稳定性。

3.采空区下部的局部充填，可减小覆岩垮落高度及工作面上部空顶区范围，减小矿压显现强度，提高工作面支架稳定性，保障工作面安全高效开采。

4.在运输平巷中钻孔，对采空区下部覆岩及留巷围岩进行注浆充填，可保证沿空巷道上方覆岩关键层的稳定；且可充填岩层离层裂隙，隔绝上下区段采场，防止上区段采场漏风与老溏突水。

综上所述，本大倾角煤层长壁工作面局部充填的无煤柱开采方法设计合理、工艺清晰、技术简单、施工方便，能够实现大倾角煤层沿空留巷开采，有效改善大倾角煤层沿空巷道稳定性，提高工作面支架稳定性，保障工作面安全高效开采。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明大倾角煤层沿空留巷开采巷道布置图；

图2为本发明开采充填工艺侧向示意图；

图3a为本发明工作面设备布置及开采充填工艺示意图；

图3b为图3a的A-A剖面图；

图3c为图3a的B-B剖面图；

图4为本发明运输平巷巷旁联合挡矸支护图；

图5为本发明沿煤层走向超前注浆钻孔布置图；

图6为本发明沿煤层倾向采空区离层注浆钻孔布置图。

1、采空区矸石；2、采空区下部充填体；3、运输平巷；4、煤层；5、大倾角工作面端头液压支架；6、大倾角工作面综采液压支架；7、采煤机；8、刮板输送机；9、采-充一体化液压支架；10、伪顶；11、伪底；12、锚索；13、锚杆；14、柔性挡矸支护(柔性挡矸网)；15、挡矸网顶锚杆；16、挡矸网底锚杆；17、柔模护浆密闭；18、刚性放散支护(废旧钢轨)；19、走向超前注浆钻孔；20、钻室；21、倾向采空区离层注浆钻孔；22、多孔底卸式输送机；23、压实板；24、压实机千斤顶。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明(其中采空区充填以固体淋浆充填为例)，但并不作为对本发明的限定。

本发明开采方法的工艺步骤为：

步骤1：工作面开采系统布置。结合图1、2所示，选择一个倾角α为5°～5°的可采煤层4，其中，采空区矸石1在采空区下部充填体2上方；沿煤层4倾斜上部底板布置回风平巷，在倾斜下部沿煤层顶板布置运输平巷3，沿煤层4布置开切眼，如图3a所示，沿采空区矸石1和采空区下部充填体2工作面两端部安装大倾角工作面端头液压支架5，在大倾角工作面端头液压支架5之间依次安装大倾角工作面综采液压支架6、采煤机7和刮板输送机8，工作面下部布置采-充一体化液压支架9(采充一体化支架布置范围与采空区局部充填区域倾向下部充填长度相等，具体计算方法见步骤四)，形成大倾角煤层走向长壁综采一次采全高工作面开采系统。

如图3b、3c所示，采煤机7布置在大倾角工作面综采液压支架6附近，刮板输送机8布置在采煤机7下方。在采-充一体化液压支架9上设有多孔底卸式输送机22；在采空区下部充填体2上设有通过压实机千斤顶24支撑的压实板23。

步骤2：如图4所示，沿运输平巷3加联合挡矸支护。根据现场实践，并参考国内外相关开采经验，加设联合挡矸支护，其中，在采空区下部充填体2上下方伪顶10和伪底11之间设柔性挡矸支护14、柔模护浆密闭17和刚性防散支护18；刚性防散支护18在采空区下部充填体2下端部，刚性防散支护18下方设锚索12和锚杆13；在采空区下部充填体2端部伪顶10和伪底11上分别设挡矸网顶锚杆15和挡矸网底锚杆16。

柔性挡矸支护14可在开采时，防止垮落矸石对运输平巷3旁采空区侧设备及巷道支护产生冲击破坏；柔模护浆密闭17可在工作面采空区注浆充填时，借助柔性模板高强度、透水不透浆、质量轻的特点，防止采空区的注浆沿巷旁充填矸石的缝隙透出，流入运输平巷；刚性防散支护18可在工作面采空区充填时，防止巷旁充填材料及跨落矸石挤毁支护、冲击破坏运输平巷，造成充填体散落、支承失效、留巷变形等问题。

步骤3：工作面回采。工作面开采，形成采空区，矸石垮落冲击挡矸支护。

实际开采工艺流程为：

采煤机7下行单向割煤，上行走空刀时自下而上推移液压支架6，支架到位后，分步顺序实现整体推刮板输送机8，与此同时，采煤机7完成进刀。

步骤4：采空区充填作业，包括：工作面采空区下部密实充填、采空区下部及留巷围岩注浆充填。

其充填工艺流程为：

1)当工作面刮板输送机8推前后，将多孔底卸式输送机22与注浆充填送料管移至采-充一体化液压支架9后顶梁后部，沿多孔底卸式输送机22机尾向机头方向(即工作面下端头至局部充填区倾斜上方)进行依次充填。

2)当下方的卸料孔卸料到一定高度后，关闭卸料孔，用采-充一体化液压支架9后部的压实机千斤顶24推动压实板23，对已卸下的充填材料进行压实，使充填材料接顶并压实，

3)如此2～3个循环，停止第一轮充填。将多孔底卸式输送机22拉移一个步距,移至支架后顶梁前部，进行第二轮充填。再开启下一个卸料孔进行卸料，沿工作面向上依次充填，如此往复，使设计的工作面充填区全部充满。本发明工作面设备布置及开采充填工艺示意图如图3a、3b、3c所示。

其中，采空区局部充填区域倾向下部充填长度L的计算方法为：

L＝max{L₁,L₂}

式中，L₁为根据大倾角长壁采场自然充填压实区长度；L₂为根据大倾角长壁采场采空区运输平巷侧煤壁支承压力增压区宽度。

大倾角长壁采场自然充填压实区长度L₁的计算方法为：

式中，∑h为直接顶厚度；M为煤层厚度；α为煤层倾角，(°)；K_p为直接顶碎胀系数；R_T为直接顶岩梁的抗拉强度极限；h_i(i＝1,2,…,n)为各岩层的厚度,m；γ_i(i＝1,2,…,n)为各岩层的体积力,KN/m³；E_i(i＝1,2,…,n)为各岩层的弹性模量。

大倾角长壁采场采空区运输平巷侧煤壁支承压力增压区宽度L₂的计算方法为：

式中，M为煤层厚度；α为煤层倾角，(°)；λ、k、a为充填材料等效常数，

a＝1-λσ_t/k(0≤a≤1)，

为岩石内摩擦角；η为侧压系数；σ_t为材料抗拉强度；c、c′分别为充填体与顶底板、充填体接触面的粘聚力，Mpa；f、f′分别为充填体与顶底板、充填体接触面的摩擦力系数；k₁γH为支承压力增压区的峰值，P₁为充填体受矸石的侧压力。

然后结合图5、图6所示，在钻室20处，打走向超前注浆钻孔19，进行采空区下部及留巷围岩注浆充填，可保证沿空巷道上方覆岩关键层的稳定；且通过倾向采空区离层注浆钻孔21进行注浆，可充填岩层的离层和冒落空间，隔绝上下区段采场，防止上区段采场漏风与老溏突水。

步骤5：重复所述步骤3、4，形成循环，直至上区段工作面开采结束，矿压现象停止，所留运输平巷3即可作为下一工作面的回风平巷。

步骤6：以所留上区段的运输平巷作为下区段的上回风平巷，并进行下区段的工作面开采系统布置，形成新的工作面。

步骤7：重复所述各步骤，连续开采，直至该煤层开采完毕。

本发明可有效控制采空区围岩“关键域”，改善运输平巷围岩采动应力及运输平巷上方顶板状态，保障沿空留巷稳定性，实现大倾角煤层无煤柱开采，提高作业效率，提高资源回收率，同时可减小覆岩垮落高度及工作面上部空顶区范围，减小矿压显现强度，提高工作面支架稳定性，保障工作面安全高效开采。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征(如充填方式)作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：工作面开采系统布置：

选择一个倾角35°～55°的可采煤层(4)，沿煤层(4)倾斜上部底板布置回风平巷，在煤层(4)倾斜下部沿煤层顶板布置运输平巷(3)，沿煤层(4)布置开切眼，安装液压支架、采煤机(7)和刮板输送机(8)，工作面下部布置采-充一体化液压支架(9)，形成大倾角煤层走向长壁综采一次采全高工作面开采系统；

步骤2：沿运输平巷加设联合挡矸支护：

加设包括柔性挡矸支护(14)、柔模护浆密闭(17)和刚性防散支护(18)；

步骤3：工作面回采：

工作面开采，形成采空区，矸石垮落冲击挡矸支护，实际开采时，采煤机(7)下行单向割煤，上行走空刀时自下而上推移大倾角工作面综采液压支架(6)，支架到位后，分步顺序实现整体推刮板输送机(8)，与此同时，采煤机(7)完成进刀；

步骤4：采空区充填作业：

包括工作面采空区下部密实充填、采空区下部及留巷围岩注浆充填；

步骤5：重复步骤3～4，形成循环，直至上区段工作面开采结束，矿压现象停止，所留运输平巷(3)即可作为下一开采面的上回风平巷；

步骤6：以所留上区段的运输平巷作为下区段的上回风平巷，并进行下区段的工作面开采系统布置，形成新的工作面；

步骤7：重复步骤1～6，连续开采，直至该煤层开采完毕。

2.根据权利要求1所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤1中，安装液压支架包括大倾角工作面端头液压支架(5)、大倾角工作面综采液压支架(6)和大倾角工作面采-充一体化液压支架(9)。

3.根据权利要求1所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤1中，布置采-充一体化液压支架(9)范围与采空区局部充填区域倾向下部充填长度相等。

4.根据权利要求3所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，采空区局部充填区域倾向下部充填长度L的计算方法为：

L＝max{L₁,L₂}

式中，L₁为根据大倾角长壁采场自然充填压实区长度；L₂为根据大倾角长壁采场采空区运输平巷侧煤壁支承压力增压区宽度。

5.根据权利要求4所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，大倾角长壁采场自然充填压实区长度L₁的计算方法为：

式中，∑h为直接顶厚度；M为煤层厚度；α为煤层倾角，K_p为直接顶碎胀系数；R_T为直接顶岩梁的抗拉强度极限；h_i为各岩层的厚度,i＝1,2,…,n；γ_i为各岩层的体积力；E_i为各岩层的弹性模量。

6.根据权利要求4所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，大倾角长壁采场采空区运输平巷侧煤壁支承压力增压区宽度L₂的计算方法为：

式中，M为煤层厚度；α为煤层倾角；λ、k、a分别为充填材料等效常数，

a＝1-λσ_t/k，0≤a≤1，

为岩石内摩擦角；η为侧压系数；σ_t为材料抗拉强度；c、c′分别为充填体与顶底板、充填体接触面的粘聚力；f、f′分别为充填体与顶底板、充填体接触面的摩擦力系数；k₁γH为支承压力增压区的峰值，P₁为充填体受矸石的侧压力。

7.根据权利要求1所述的一种大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采方法，其特征在于，所述步骤4中，工作面采空区下部密实充填、采空区下部及留巷围岩注浆充填工艺流程为：

1)当工作面刮板输送机(8)推前后，将多孔底卸式输送机(22)与注浆充填送料管移至采-充一体化液压支架(9)后顶梁后部，沿多孔底卸式输送机(22)机尾向机头方向进行依次充填；

2)当下方的卸料孔卸料到一定高度后，关闭卸料孔，用采-充一体化液压支架(9)后部的压实机千斤顶(24)推动压实板(23)，对已卸下的充填材料进行接顶并压实；

3)如此2～3个循环，停止第一轮充填；将多孔底卸式输送机(22)拉移至支架后顶梁前部，进行第二轮充填；再开启下一个卸料孔进行卸料，沿工作面向上依次充填，如此往复，使设计的工作面充填区全部充满。

8.一种权利要求1-7任一项所述的大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采系统，其特征在于，包括沿采空区矸石(1)和采空区下部充填体(2)工作面两端部安装的大倾角工作面端头液压支架(5)，在大倾角工作面端头液压支架(5)之间依次安装大倾角工作面综采液压支架(6)、采煤机(7)和刮板输送机(8)，工作面下部布置采-充一体化液压支架(9)；

在采空区下部充填体(2)上、下方伪顶(10)和伪底(11)之间设柔性挡矸支护(14)、柔模护浆密闭(17)和刚性防散支护(18)；刚性防散支护(18)在采空区下部充填体(2)下端部，刚性防散支护()18下方设锚索(12)和锚杆(13)；在采空区下部充填体(2)端部伪顶(10)和伪底(11)上分别设挡矸网顶锚杆(15)和挡矸网底锚杆(16)。

9.根据权利要求8所述的大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采系统，其特征在于，在采-充一体化液压支架(9)上设有多孔底卸式输送机(22)；在采空区下部充填体(2)上设有通过压实机千斤顶(24)支撑的压实板(23)。

10.根据权利要求8所述的大倾角煤层工作面局部充填的无煤柱开采系统，其特征在于，在采空区矸石(1)和采空区下部充填体(2)的运输平巷(3)上设钻室(20)，在钻室(20)上打走向超前注浆钻孔(19)，且通过倾向采空区离层注浆钻孔(21)进行注浆。

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