CN112554941A - 一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其是涉及一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统及方法，包括：矸石仓、粉煤灰仓、矸石地下传送带、矸石投料井、抛矸机、矸石地面传送带、矸石输送带、粉煤灰输送带、混合仓、液压站、搅拌器、加压泵、注浆填充管、水仓、输水管道、挡墙、采空区、出浆管；该方法尤其适用于存在大量的“三下”压煤资源与边角煤柱资源的矿区，可达到提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限和保护生态环境的多重目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其是涉及一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统及方法。
背景技术
目前，房柱式采煤法作为一种常用的采煤手段，有着设备投资少、建设周期短、支护简单的优点，在许多矿井得到了广泛的推广应用。然而，房柱式开采的煤炭采出率较低，一般只有50％—60％左右，在造成大量资源浪费的同时，也会引起地质灾害(山体滑坡)、矿井安全(煤层自燃)、生态破坏(土地沙漠化)等一系列问题。同时，采用传统的方法(如劈柱式回采方法、仓翼式回采方法等)对房柱式开采遗留煤柱进行回收，往往存在着工序复杂、底板易坍塌、通风系统设计困难等问题。因此，亟需一种新的煤柱回收方法对大量的房柱式开采遗留煤柱进行有效回收，从而实现房柱式采空区的有效治理。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统及方法，该方法将多参数综合物探、多态化填充、智能化精准开采等技术进行优化和集成创新，突破传统技术瓶颈，通过重复的“探—充—探—采—充”的技术流程，最终实现房柱式开采采空区煤柱资源的高效回收。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，包括：矸石仓、粉煤灰仓、矸石地下传送带、矸石投料井、抛矸机、矸石地面传送带、矸石输送带、粉煤灰输送带、混合仓、液压站、搅拌器、加压泵、注浆填充管、水仓、输水管道、挡墙、采空区、出浆管；
所述矸石仓通过矸石地面传送带、矸石投料井、矸石地下传送带与抛矸机相连，依次运送矸石至采空区；所述抛矸机设置于井下的采空区，用于定向填充矸石；所述矸石仓通过矸石输送带与混合仓相连；所述粉煤灰仓通过粉煤灰输送带与混合仓相连；所述水仓通过输水管道与混合仓相连；所述搅拌器设置于所述混合仓的底部，用于对混合仓中按配比混合的填充浆体进行搅拌；所述加压泵设置于所述混合仓的底部且与液压站相连，所述加压泵用于对混合仓中搅拌后的填充浆体进行加压；所述注浆填充管的一端与地面上的加压泵相连，另一端在井下穿过挡墙下部送至采空区；所述挡墙上设有出浆管。
作为一种进一步的技术方案，所述地面上设置矸石投料井；
所述矸石投料井的上端与矸石地面传送带相连；
所述矸石投料井的下端与矸石地下传送带相连。
作为一种进一步的技术方案，所述采空区中设置有填充区。
作为一种进一步的技术方案，所述挡墙设置在填充区的外侧。
作为一种进一步的技术方案，所述挡墙上设置有注浆填充管与出浆管的孔位，所述注浆填充管的孔位位于挡墙的下端部，所述出浆管的孔位位于挡墙的上端部。
第二方面，本发明还提供一种采用所述房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统的方法，包括如下步骤：
S1、利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测；
S2、依据初次探测所得基本信息，在采空区中规划填充区，同时定点布置矸石地下传送带与抛矸机，在地面上设置矸石投料井，其下部与矸石地下传送带相连；
S3、打开矸石仓仓门，开启矸石地面传送带、矸石地下传送带与抛矸机，将煤矸石抛至采空区中所设置的填充区内部；
S4、完成填充后，关闭矸石地面传送带、矸石地下传送带与抛矸机，在填充区的外侧设置挡墙，保证顶板的稳定，同时在挡墙上设置注浆填充管与出浆管的孔位；
S5、利用高密度电阻率法对采空区的矸石填充效果进行评价，所设监测点与初次探测相同；通过将探测结果与初次探测结果进行对比，综合分析电阻率的异常变化特征，利用矸石填充工程前后岩层的电阻率变化特征对工程质量进行评价；若电阻率变化稳定且高阻空洞消失，电阻率等值线由扭曲趋于稳定平直，即判断填充效果符合要求，则进行到下一步骤S6；
S6、利用多种综合机械化采煤方式对所设填充区挡墙内部的遗留煤柱进行回采，直至挡墙内所有遗留煤柱均被采出，停止采煤作业；
S7、打开矸石输送带、粉煤灰输送带与输水管道，使煤矸石、粉煤灰与水按比例进入混合仓中混合，混合完成后，开启搅拌器进行搅拌，打开液压站与加压泵，使浆体通过注浆填充管进入填充区内部进行填充；
S8、待出浆管中有浆体流出，关闭矸石输送带、粉煤灰输送带、输水管道、搅拌器与加压泵，同时将注浆填充管与出浆管从挡墙内拔出，同时对其孔位进行封孔，完成注浆填充作业；
S9、再次利用高密度电阻率法对采空区的注浆效果进行评价，所设监测点与前两次探测相同；将本次探测结果与S5中的探测结果进行对比，若电阻率整体降低且变化稳定，电阻率等值线更加趋于稳定平直，即判断为注浆效果符合要求；
S10、在下一段可回采区域设置新的填充区，重新布置矸石地下传送带与抛矸机的位置，依次重复步骤S2至S9若干次，直至采空区中可采遗留煤柱回采完毕，完成采空区填充开采作业。
作为一种进一步的技术方案，在步骤S1中，利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测，包括如下：
未采空正常地层电阻率分布为明显完整、连续水平的层状特征；
采空区完整未充水则电阻率呈现圆形或横向椭圆形特高阻；
采空区垮落则电阻率呈现中低阻；采空区充水则呈现特低阻。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明针对房柱式开采后遗留煤柱的资源浪费与生产安全问题，利用多态化充填技术安全性高、对环境影响小的特点，提出一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统及方法。该系统既能实现对遗留煤炭资源的高效回采，又能保证采空区的稳定性，在显著提高资源采出率的同时，保证了施工作业的安全性，同时对生态进行了一定的修复。即首先利用多种物探手段对采空区进行探测，规划填充区，而后利用固体填充与浆体填充技术对所设填充区进行填充，同时通过多种评价指标参数对填充效果进行及时评价，接下来通过综合机械化采煤方法对遗留煤柱进行回收，最后再利用煤矸石、粉煤灰进行回填作业，避免了地表的沉降，同时处理了煤矸石等污染物，对环境生态达到了一定的修复作用。本发明提出的一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统既能对采空区遗留煤柱进行全面、高效的回采，提高资源利用率，又能通过填充技术，解决了煤矸石等废物的污染问题，达到提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限和保护生态环境的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的在进行注浆填充时采空区的俯视图；
图3为本发明实施例提供的挡墙的孔位布置示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
结合图1至图3所示，本实施例提供一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其包括：矸石仓1、粉煤灰仓2、矸石地下传送带4、矸石投料井5、抛矸机6、矸石地面传送带7、矸石输送带8、粉煤灰输送带9、混合仓10、液压站11、搅拌器12、加压泵13、注浆填充管14、水仓15、输水管道16、挡墙17、采空区19、出浆管20；所述矸石仓1通过矸石地面传送带7、矸石投料井5、矸石地下传送带4与抛矸机6相连，依次运送矸石至采空区19；所述抛矸机6设置于井下的采空区19，用于定向填充矸石；所述矸石仓1通过矸石输送带8与混合仓10相连；所述粉煤灰仓2通过粉煤灰输送带9与混合仓10相连；所述水仓15通过输水管道16与混合仓10相连；所述搅拌器12设置于所述混合仓10的底部，用于对混合仓10中按配比混合的填充浆体进行搅拌；所述加压泵13设置于所述混合仓10的底部且与液压站11相连，所述加压泵13用于对混合仓10中搅拌后的填充浆体进行加压；所述注浆填充管14的一端与地面3上的加压泵13相连，另一端在井下穿过挡墙17下部送至采空区19；所述挡墙17上设有出浆管20。
本实施中，所述地面3上设置矸石投料井5；所述矸石投料井5的上端与矸石地面传送带7相连；所述矸石投料井5的下端与矸石地下传送带4相连。可以理解的是，本实施例中，对于矸石仓1、粉煤灰仓2、矸石地下传送带4、矸石投料井5、抛矸机6、矸石地面传送带7、矸石输送带8、粉煤灰输送带9、混合仓10、液压站11、搅拌器12、加压泵13的具体形式，例如型号等并不局限，可根据实际需要灵活配置。
本实施中，所述采空区19中设置有填充区21。利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测(未采空正常地层电阻率分布为明显完整、连续水平的层状特征；采空区完整未充水则电阻率呈现圆形或横向椭圆形特高阻；采空区垮落则电阻率呈现中低阻；采空区充水则呈现特低阻)，依据初次探测所得基本信息，在采空区19中规划填充区21。
本实施中，，所述挡墙17设置在填充区21的外侧。所述挡墙17上设置有注浆填充管14与出浆管20的孔位，所述注浆填充管14的孔位位于挡墙17的下端部，所述出浆管20的孔位位于挡墙17的上端部。
本实施例提出的一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统既能对采空区遗留煤柱进行全面、高效的回采，提高资源利用率，又能通过填充技术，解决了煤矸石等废物的污染问题，达到提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限和保护生态环境的目的。
实施例二
结合图1至图3所示，实施例二提供了一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填方法，该实施例是在实施例一的基础上增加了一种针对方法的另一技术方案，实施例一所公开的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的技术特征不再重复描述。
实施例二的方法包括如下步骤：
S1、利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测；未采空正常地层电阻率分布为明显完整、连续水平的层状特征；采空区完整未充水则电阻率呈现圆形或横向椭圆形特高阻；采空区垮落则电阻率呈现中低阻；采空区充水则呈现特低阻。
S2、依据初次探测所得基本信息，在采空区19中规划填充区21，同时定点布置矸石地下传送带4与抛矸机6，在地面上设置矸石投料井5，其下部与矸石地下传送带4相连；
S3、打开矸石仓1仓门，开启矸石地面传送带7、矸石地下传送带4与抛矸机6，将煤矸石抛至采空区19中所设置的填充区21内部；
S4、完成填充后，关闭矸石地面传送带7、矸石地下传送带4与抛矸机6，在填充区21的外侧设置挡墙17，保证顶板的稳定，同时在挡墙17上设置注浆填充管14与出浆管20的孔位；
S5、利用高密度电阻率法对采空区的矸石填充效果进行评价，所设监测点与初次探测相同；通过将探测结果与初次探测结果进行对比，综合分析电阻率的异常变化特征，利用矸石填充工程前后岩层的电阻率变化特征对工程质量进行评价；若电阻率变化稳定且高阻空洞消失，电阻率等值线由扭曲趋于稳定平直，即判断填充效果符合要求，则进行到下一步骤S6；
S6、利用多种综合机械化采煤方式对所设填充区21挡墙17内部的遗留煤柱进行回采，直至挡墙17内所有遗留煤柱均被采出，停止采煤作业；
S7、打开矸石输送带8、粉煤灰输送带9与输水管道16，使煤矸石、粉煤灰与水按比例进入混合仓10中混合，混合完成后，开启搅拌器12进行搅拌，打开液压站11与加压泵13，使浆体通过注浆填充管14进入填充区21内部进行填充；
S8、待出浆管20中有浆体流出，关闭矸石输送带8、粉煤灰输送带9、输水管道16、搅拌器12与加压泵13，同时将注浆填充管14与出浆管20从挡墙17内拔出，同时对其孔位进行封孔，完成注浆填充作业；
S9、再次利用高密度电阻率法对采空区的注浆效果进行评价，所设监测点与前两次探测相同；将本次探测结果与S5中的探测结果进行对比，若电阻率整体降低且变化稳定，电阻率等值线更加趋于稳定平直，即判断为注浆效果符合要求；增加第三次探测，与初次探测、二次探测起到对比分析的作用，同时对注浆效果进行评价。
S10、在下一段可回采区域设置新的填充区21，重新布置矸石地下传送带4与抛矸机6的位置，依次重复步骤S2至S9若干次，直至采空区19中可采遗留煤柱回采完毕，完成采空区填充开采作业。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其特征在于，包括：矸石仓(1)、粉煤灰仓(2)、矸石地下传送带(4)、矸石投料井(5)、抛矸机(6)、矸石地面传送带(7)、矸石输送带(8)、粉煤灰输送带(9)、混合仓(10)、液压站(11)、搅拌器(12)、加压泵(13)、注浆填充管(14)、水仓(15)、输水管道(16)、挡墙(17)、采空区(19)、出浆管(20)；
所述矸石仓(1)通过矸石地面传送带(7)、矸石投料井(5)、矸石地下传送带(4)与抛矸机(6)相连，依次运送矸石至采空区(19)；所述抛矸机(6)设置于井下的采空区(19)，用于定向填充矸石；所述矸石仓(1)通过矸石输送带(8)与混合仓(10)相连；所述粉煤灰仓(2)通过粉煤灰输送带(9)与混合仓(10)相连；所述水仓(15)通过输水管道(16)与混合仓(10)相连；所述搅拌器(12)设置于所述混合仓(10)的底部，用于对混合仓(10)中按配比混合的填充浆体进行搅拌；所述加压泵(13)设置于所述混合仓(10)的底部且与液压站(11)相连，所述加压泵(13)用于对混合仓(10)中搅拌后的填充浆体进行加压；所述注浆填充管(14)的一端与地面(3)上的加压泵(13)相连，另一端在井下穿过挡墙(17)下部送至采空区(19)；所述挡墙(17)上设有出浆管(20)。
2.根据权利要求1所述的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其特征在于，所述地面(3)上设置矸石投料井(5)；
所述矸石投料井(5)的上端与矸石地面传送带(7)相连；
所述矸石投料井(5)的下端与矸石地下传送带(4)相连。
3.根据权利要求1所述的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其特征在于，所述采空区(19)中设置有填充区(21)。
4.根据权利要求3所述的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其特征在于，所述挡墙(17)设置在填充区(21)的外侧。
5.根据权利要求4所述的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统，其特征在于，所述挡墙(17)上设置有注浆填充管(14)与出浆管(20)的孔位，所述注浆填充管(14)的孔位位于挡墙(17)的下端部，所述出浆管(20)的孔位位于挡墙(17)的上端部。
6.一种采用权利要求1至5中任一项所述的房柱式开采遗留煤柱协同固废充填系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测；
S2、依据初次探测所得基本信息，在采空区(19)中规划填充区(21)，同时定点布置矸石地下传送带(4)与抛矸机(6)，在地面上设置矸石投料井(5)，其下部与矸石地下传送带(4)相连；
S3、打开矸石仓(1)仓门，开启矸石地面传送带(7)、矸石地下传送带(4)与抛矸机(6)，将煤矸石抛至采空区(19)中所设置的填充区(21)内部；
S4、完成填充后，关闭矸石地面传送带(7)、矸石地下传送带(4)与抛矸机(6)，在填充区(21)的外侧设置挡墙(17)，保证顶板的稳定，同时在挡墙(17)上设置注浆填充管(14)与出浆管(20)的孔位；
S5、利用高密度电阻率法对采空区的矸石填充效果进行评价，所设监测点与初次探测相同；通过将探测结果与初次探测结果进行对比，综合分析电阻率的异常变化特征，利用矸石填充工程前后岩层的电阻率变化特征对工程质量进行评价；若电阻率变化稳定且高阻空洞消失，电阻率等值线由扭曲趋于稳定平直，即判断填充效果符合要求，则进行到下一步骤S6；
S6、利用多种综合机械化采煤方式对所设填充区(21)挡墙(17)内部的遗留煤柱进行回采，直至挡墙(17)内所有遗留煤柱均被采出，停止采煤作业；
S7、打开矸石输送带(8)、粉煤灰输送带(9)与输水管道(16)，使煤矸石、粉煤灰与水按比例进入混合仓(10)中混合，混合完成后，开启搅拌器(12)进行搅拌，打开液压站(11)与加压泵(13)，使浆体通过注浆填充管(14)进入填充区(21)内部进行填充；
S8、待出浆管(20)中有浆体流出，关闭矸石输送带(8)、粉煤灰输送带(9)、输水管道(16)、搅拌器(12)与加压泵(13)，同时将注浆填充管(14)与出浆管(20)从挡墙(17)内拔出，同时对其孔位进行封孔，完成注浆填充作业；
S9、再次利用高密度电阻率法对采空区的注浆效果进行评价，所设监测点与前两次探测相同；将本次探测结果与S5中的探测结果进行对比，若电阻率整体降低且变化稳定，电阻率等值线更加趋于稳定平直，即判断为注浆效果符合要求；
S10、在下一段可回采区域设置新的填充区(21)，重新布置矸石地下传送带(4)与抛矸机(6)的位置，依次重复步骤S2至S9若干次，直至采空区(19)中可采遗留煤柱回采完毕，完成采空区填充开采作业。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，利用瞬变电磁法与高密度电阻率法两种物探技术，对采空区的分布情况、充水情况与垮落情况进行初次探测，包括如下：
未采空正常地层电阻率分布为明显完整、连续水平的层状特征；
采空区完整未充水则电阻率呈现圆形或横向椭圆形特高阻；
采空区垮落则电阻率呈现中低阻；采空区充水则呈现特低阻。
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