CN113565509B - 一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，在平行于待开采煤层两侧布置运输平巷和回风巷，在煤层与直接顶连接面布置平行于待开采煤层的充填巷，充填巷底部铺设金属网，其上布置靠近巷道一侧的可伸缩胶带输送机；井下增设煤矸分选机构和矸石储备仓，工作面采出的煤矸混合物经分选后矸石转运至充填巷由胶带输送机运往采空区。随着工作面的推进，采空区内形成一条或两条平行于运输平巷的充填带支撑顶板破断空间内应力集中区。本方法首次实现井下采充机械一体化平行作业，矸石需求量低，可实现井下自给，在满足相应地表沉陷要求下，不仅能有效防止上覆岩层垮落，抑制地表下沉，还能够优化生产结构，节省成本，大大提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，亦适用于“三下”特厚煤层的开采，属于煤炭充填开采技术领域。
背景技术
随着浅部矿产资源的减少甚至枯竭，煤炭资源开采深度日益增加，我国厚及特厚煤层可采储量约占现生产矿井总储量45％，广泛赋存于我国中西部地区。随着采深和煤厚的增大，煤层开采难度日益加大，大规模的开采对矿山及其周围环境灾害主要有，土地塌陷和积水、农田减产或绝产、道路坍塌、房屋变形破坏，村庄搬迁等。建筑物下，铁路下，水体下呆滞煤的开采日益成为我国煤矿开采的紧迫问题，目前常用部分开采法和充填法解决类似问题，充填采煤法是从根本上解决“三下”采煤问题的方法。然而，目前充填开采普遍适用于厚度较薄的煤层，对于特厚煤层充填开采只是停留在分层开采充填阶段。
特厚煤层综放开采中顶煤的采出率至关重要，目前特厚煤层综放开采常用的方法有预采顶分层网下放顶煤、倾斜分层房顶煤、急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤。现有的开采方法对特厚煤层的综放充填无法实现一次性完成，顶煤的采出率无法得到有效保证、没有涉及到对特厚煤层的一次性充填开采。且开采充填为采空区全部充填，成本较高的情况下并没有直接解决矸石问题。煤矸石问题是关乎绿色生态的重要因素之一。本发明提供一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法。
一般老顶的岩层厚2-4米，按照薄板的假设，将老顶假设为如图四所示的情况，随着板中部及边界上的弯矩的增长，老顶岩层达到强度极限时，将形成断裂。以四边固支的板为例，弯矩的绝对值最大发生在长边的中心部位，因而首先将在此形成断裂，如图1(1)，而后在短边的中应形成裂缝，如图1(2)待四周裂缝贯通而呈O形后，板中应的弯矩又达到最大值，超过强度极限而形成裂缝，最后形成X型破坏，如图1(3)所示。此时在板的支撑边四周形成上部张开下部闭合的裂缝，而在X型破断部分则形成上部闭合而下部张开的裂缝。
发明内容
本发明旨在提供一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，比以往分层开采放顶煤等技术更加简单机械化，节省人力物力财力，首次实现井下采充机械一体化平行作业，矸石需求量低几乎可实现井下自给，能有效防止地表下沉等地质灾害的发生。
本发明适用于顶板岩层为坚硬岩层的情况；基于顶板板式破断理论、悬臂梁理论提出在煤层上顶板与基本顶量接触处平行于待开采煤层布置一条或两条充填巷，充填巷底部铺设金属网，其上布置靠近巷道一侧的可伸缩胶带输送机；并在井下设立有煤矸分选机构和矸石储备仓；采煤工作面装有采煤机、放顶煤液压支架、刮板运输机等设备，采煤工作面开采后，煤矸混合物经刮板运输机通过运输巷道，到达井下煤矸分选机构，分选完成后，煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面，矸石则运往充填巷道通过可伸缩胶带运输机运往采空区，完成采空区的部分充填。采空区形成的充填带覆盖顶板应力集中区域，可实现对上覆岩层的支撑，对比于全部充填，所需矸石量大大降低，工作效率却大幅提升；另外，由于充填巷的布置有利于顶煤的冒放，且煤质较硬时可以通过充填巷对顶煤进行人工打眼注水软化或爆破措施，对顶煤的采出率有良好的保证。充填巷道采用预应力螺纹钢树脂锚杆支护，随着工作面的推进对工作面沿走向(推进方向)10-40m内锚杆循环回收。
本发明提供了一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，具体包括以下步骤：
步骤一：根据地理条件，矿井地质构造和上覆岩层分布规律以及生产设备条件，确定采煤工作面尺寸、采放比、煤层夹矸量；沿平行于待开采煤层布置运输大巷和回风巷，另外需要在井下设立煤矸分选机构；根据矿井矿压观测预测工作面顶板的破断形式。
步骤二：分析顶板破断形式后，基于顶板板式破断理论结合工作面布置情况预测顶板的破坏形式以及顶板的应力集中区，确定掘进充填巷数量、尺寸与位置；
若为双充填巷，双充填巷分别布置在距工作面两边边界煤柱1/3节点处，并结合工作面长度、矿井地里位置、顶煤性质的实际情况，判断两个充填巷具体尺寸；单充填巷布置在工作面倾向长度1/2节点处；
步骤三：进行充填巷道的开挖，为维护工作区域安全，，应对充填巷进行支护，开挖完成后，在巷道底部铺设金属网用于顶煤冒放时煤与矸石的隔离，在充填巷内平行于底板靠近一侧0.05-0.1m处布置可伸缩胶带输送机用于矸石充填物的运输。
步骤四：充填巷布置完成后，调整刮板运输机与可伸缩胶带输送机的位置，使矸石能顺利地从刮板运输机再经胶带输送机运送至采空区；对支护工具进行回收，并随着采煤工作面的推进，依次循环回收。
步骤五：在井下设立矸石仓，采出的煤经过煤矸分选机构分选后，矸石经充填巷由可伸缩胶带输送机运到采空区充填，经过分选的煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面；多余的矸石暂存在矸石仓内。布置井下煤矸分选机构、运输平巷、充填巷、矸石储备仓的协调运作；
步骤六：待采煤工作面、煤矸分选系统、充填巷工作都准备充分后，采煤机开始采煤，采出的煤经刮板运输机运送至煤矸分选系统，待分选完成，矸石通过可伸缩胶带输送机运送到充填巷，再运往采空区进行充填，随着工作面的推进，采空区会形成一条或两条填充带来支撑上覆顶板，填充带会充填顶板应力集中区沿工作面推进方向形成的断裂区域。填充带的结构：高为f-k的近似倒三棱柱充填带，能够有效支撑顶板与顶板接触后矸石带受压变形形成近似四棱柱带。
步骤一中若直接顶岩层不够坚硬且厚度较薄，基本顶为坚硬岩层的情况下，选择基本顶为充填巷上覆岩层，直接顶在工作面推进过程中随顶煤冒放。
步骤二中，在确定充填巷位置以及宽度时，可根据理论满足覆盖上覆岩层应力集中带，也可以根据实际情况适当加宽充填巷，达到有利于顶煤冒放和后续维修施工等用途，且加宽充填带更有利于维护采空区顶板稳定。采空区即采即充的最大充填高度为(f-k)；其中f为煤层厚度，k为充填巷高度，单位：m。以布置工作面长度150-200m为例，矿井工作面连续推进长度1000-2000m；选择单充填巷时，距工作面边界煤柱75-100m，巷道高d＝2.5-3m，宽3m；选择双充填巷时，分别布置在距工作面两边边界煤柱1/3节点处；即50-67m，巷道高2.5-3m，宽2.8-3m。结合矸石最终压实量l，可确定最终有效充填高度H＝f-d-l。
步骤三中，充填巷中运输矸石的可伸缩胶带输送机可以调整长短，适应采煤工作面持续推进，充填巷随采随冒的要求，胶带输送机布置于充填巷一侧，边距0.05-0.1m，另一侧距离较宽便于后续维修施工作业。
步骤三中的支护：一般采用预应力螺纹钢树脂锚杆，锚杆排距为0.6-1.5m，间距为0.6-1.5m；并在步骤四中，充填巷布置完成后对沿工作面走向(推进方向)10-40m内的锚杆进行回收。特别地，由于矿井巷道的服务类型不同，服务年限不同，矿压不同，岩石构造不同等因素影响，采取哪种支护方式要根据实际情况而定。
步骤五中井下设有煤矸分选机构，并设有矸石储备仓，经过分选后的矸石储存在矸石仓内，因为充填所用矸石量少，基本实现了井下矸石自给。
步骤六中，采空区充填，在结合采空区矸石压实量、充填高度满足相应的地表沉陷要求时，由一条或两条充填带代替了全部充填。且当煤质较硬无法随采随冒，可利用充填巷对顶煤打孔注水软化或爆破致裂提高顶煤的采出率。
本发明的有益效果：
(1)利用煤矸分选系统得到的矸石直接在在井底矸石仓通过充填巷经可伸缩胶带输送机运输到采空区充填，首次实现特厚煤层充填开采的采充机械一体化平行作业，大大提升了工作效率；
(2)紧挨上覆岩层的充填巷道，一方面实现充填体的运输，另一方面可用于帮助顶煤的冒放，提高顶煤的采出率；
(3)煤矸分选系统，设立在井下，节省地面空间，矸石不出井随采随充，改善煤矸石污染；
(4)避免了特厚煤层开采造成的地表沉陷对地面建筑、河流的影响。
附图说明
图1是顶板板式破断理论示意图；
图2是本发明的顶板不同破断形式图；
图3是采煤工作面示意图；
图4是实施例1矿井上覆岩层与双充填巷道布置示意图；
图5是沿图4中A-A线的剖面图；
图6是沿图4中B-B线的剖面图；
图7是实施例2矿井上覆岩层与单充填巷布置图；
图8是沿图7中C-C线的剖面图。
图中：1-工作面边界煤柱，2-采煤机，3-矸石带，4-放顶煤液压支架，5-刮板运输机，6-待开采煤层，7-地表，8-上覆岩层，9-充填巷，10-顶煤，11-运输平巷，12-采空区，13-可伸缩胶带输送机，14-金属网，15-采煤工作面，16-回风平巷。a、b、c分别代表顶板破断理论应力集中点。
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：
(1)布置采煤工作面15的长度150-200m，矿井工作面连续推进长度1000-2000m，根据工作面布置情况以及上覆顶板性质预测顶板断裂形式，当工作面长度b与推进距离a满足a/b＜1，顶板破断呈图2(1)所示的破断形式。
(2)本发明煤层上覆顶板8应为坚硬岩层，为了在采空区形成悬臂梁结构保证充填巷道的安全工作。根据竖顶板破断形式，应布置两条充填巷9(如图4～6)，双充填巷分别布置在距工作面两边边壁1/3节点处即50-67m，并结合工作面长度、矿井地里位置、顶煤性质等实际情况，判断两个充填巷9的尺寸。巷道高2.5-3m，宽2.8-3m。
(3)在充填巷道开挖过程中，为维护工作区域安全，一般采用预应力螺纹钢树脂锚杆临时支护，锚杆排距为0.6-1.5m,间距为0.6-1.5m。充填巷开挖完成后，在巷道底部铺设金属网14用于顶煤10冒放时煤与矸石的隔离，在充填巷内布置可伸缩胶带输送机13用于矸石充填物的运输。
(4)充填巷9布置完成后，调整刮板运输机5与可伸缩胶带输送机的13的位置使矸石能顺利的从刮板运输机再经胶带输送机运送至采空区12。布置井下煤矸分选机构、矸石储备仓、回风巷16、运输平巷11、充填巷9的协调运作，对工作面沿走向方向10-40m充填巷内锚杆进行回收，并随着采煤工作面的推进，依次循环回收。
(5)通常，井下只设有煤仓，为煤与矸石的混合物，本发明则需要另外设立矸石仓，采出的煤经过煤矸分选系统分选后，矸石存放在矸石仓，后经充填巷9由可伸缩胶带输送机13运到采空区12充填，经过分选的煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面。
(6)待采煤工作面15、煤矸分选系统、充填巷9工作都准备充分后，采煤机2开始采煤(如图3)，采出的煤经刮板运输机5运送至煤矸分选系统，待分选完成，矸石通过可伸缩胶带输送机13运送到充填巷，再运往采空区进行充填，随着工作面的推进，采空区12会形成两条填充带3来支撑上覆顶板，填充带会充填由a、b应力集中区沿工作面推进方向形成的断裂区域。如图5
实施例2
(1)布置采煤工作面15长度150-200m，矿井工作面连续推进长度1000-2000m，根据工作面布置情况以及上覆顶板性质预测顶板断裂形式，当工作面长度b与推进距离a满足a/b＝1，基本顶的破断呈图2(2)所示破断形式。
(2)根据顶板破断形式，应布置一条充填巷9(如图7～8)，充填巷距离工作面边壁1/2左右，即距工作面边壁75-100m,并结合工作面长度、矿井地里位置、顶煤性质等实际情况，判断充填巷9的尺寸，巷道高d＝2.5-3m，宽3m。
(3)在充填巷道开挖过程中，为维护工作区域安全，一般采用预应力螺纹钢树脂锚杆临时支护，锚杆排距为0.6-1.5m,间距为0.6-1.5m。充填巷开挖完成后，在巷道底部铺设金属网14用于顶煤10冒放时煤与矸石的隔离，在充填巷内布置可伸缩胶带输送机13用于矸石充填物的运输。
(4)充填巷9布置完成后，调整刮板运输机5与可伸缩胶带输送机的13的位置使矸石能顺利的从刮板运输机再经胶带输送机运送至采空区。布置井下煤矸分选机构、运输平巷11、回风巷16、矸石储备仓、充填巷9的协调运作，对工作面沿走向10-40m充填巷内锚杆进行回收，并随着采煤工作面的推进，依次循环回收。
(5)通常，井下只设有煤仓，为煤与矸石的混合物，本发明则需要另外设立矸石仓，采出的煤经过煤矸分选系统分选后，矸石存放在矸石仓，后经充填巷9由可伸缩胶带输送机13运到采空区12充填，经过分选的煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面。。
(6)待采煤工作面15、煤矸分选系统、充填巷9工作都准备充分后，采煤机2开始采煤(如图3)，采出的煤经刮板运输机5运送至煤矸分选系统，待分选完成，矸石通过可伸缩胶带输送机13运送到充填巷9，再运往采空区12进行充填，随着工作面的推进，采空区会形成一条填充带3来支撑上覆顶板，填充带会充填由c应力集中区沿工作面推进方向形成的断裂区域如图8。
实施例3
当工作面长度b与推进距离a满足a/b＞1，基本顶的破断呈图2(3)所示的破断形式。此实施方式后续步骤与具体实施例2相同，此处不再赘述。
Claims (9)
1.一种基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：基于顶板板式破断理论、悬臂梁理论，在煤层上顶板与基本顶接触处平行于待开采煤层布置一条或两条充填巷，充填巷底部铺设金属网，其上布置靠近巷道一侧的可伸缩胶带输送机；并在井下设立有煤矸分选机构和矸石储备仓；采煤工作面开采后，煤矸混合物经刮板运输机通过运输巷道，到达井下煤矸分选机构，分选完成后，煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面，矸石则运往充填巷道通过可伸缩胶带输送机运往采空区，完成采空区的部分充填；
所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，包括以下步骤：
步骤一：根据地理条件，矿井地质构造和上覆岩层分布规律以及生产设备条件，确定采煤工作面尺寸、采放比、煤层夹矸量；沿平行于待开采煤层布置运输大巷和回风巷，另外需要在井下设立煤矸分选机构；根据矿井矿压观测预测工作面顶板的破断形式；
步骤二：分析顶板破断形式后，基于顶板板式破断理论结合工作面布置情况预测顶板的破坏形式以及顶板的应力集中区，确定掘进充填巷数量、尺寸与位置；
步骤三：进行充填巷道的开挖，为维护工作区域安全，采用锚杆进行支护，开挖完成后，在巷道底部铺设金属网用于顶煤冒放时煤与矸石的隔离，在充填巷内平行于底板靠近一侧0.05-0.1m处布置可伸缩胶带输送机用于矸石充填物的运输；
步骤四：充填巷布置完成后，调整刮板运输机与可伸缩胶带输送机的位置，使矸石能顺利地从刮板运输机再经胶带输送机运送至采空区；对步骤三中充填巷内锚杆进行部分回收，并随着采煤工作面的推进，依次循环回收；
步骤五：在井下设立矸石仓，采出的煤经过煤矸分选机构分选后，矸石经充填巷由可伸缩胶带输送机运到采空区充填，经过分选的煤经过溜煤眼、运输平巷、采区上山、采区煤仓、运输大巷、井底车场、主井一系列步骤运到地面；多余的矸石暂存在矸石仓内；布置井下煤矸分选机构、运输平巷、充填巷、矸石储备仓的协调运作；
步骤六：待采煤工作面、煤矸分选系统、充填巷工作都准备充分后，采煤机开始采煤，采出的煤经刮板运输机运送至煤矸分选系统，待分选完成，矸石通过可伸缩胶带输送机运送到充填巷，再运往采空区进行充填，随着工作面的推进，采空区会形成一条或两条填充带来支撑上覆顶板，填充带会充填顶板应力集中区沿工作面推进方向形成的断裂区域。
2.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤一中若直接顶岩层不够坚硬且厚度较薄，基本顶为坚硬岩层的情况下，选择基本顶为充填巷上覆岩层，直接顶在工作面推进过程中随顶煤冒放。
3.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤二中，选择双充填巷时，双充填巷分别布置在距工作面两边边界煤柱1/3节点处，并结合工作面长度、矿井地里位置、顶煤性质的实际情况，判断两个充填巷具体尺寸；选择单充填巷时，单充填巷布置在工作面倾向长度1/2节点处。
4.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤二中，采空区即采即充的最大充填高度为f-k，其中f为煤层厚度，k为充填巷高度，单位：m；结合矸石最终压实量l，确定最终有效充填高度H=f-k-l；
布置工作面长度为150-200m，矿井工作面连续推进长度1000-2000m；选择单充填巷时，布置在工作面倾向长度1/2节点处即距工作面边界煤柱75-100m，巷道高d=2.5-3m，宽3m；选择双充填巷时，分别布置在距工作面两边边界煤柱1/3节点处；即50-67m，巷道高d=2.5-3m，宽2.8-3m。
5.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤三中，充填巷中运输矸石的可伸缩胶带输送机可以调整长短，适应采煤工作面持续推进，充填巷随采随冒的要求，胶带输送机布置于充填巷一侧，边距0.05-0.1m，另一侧距离较宽便于后续维修施工作业。
6.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤三中的支护为：采用预应力螺纹钢树脂锚杆，锚杆排距为0.6-1.5m，间距为0.6-1.5m；并在步骤四中，充填巷布置完成后对沿工作面推进方向10-40m内的锚杆进行回收。
7.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤五中井下设有煤矸分选机构，并设有矸石储备仓，经过分选后的矸石储存在矸石仓内，因为充填所用矸石量少，基本实现了井下矸石自给。
8.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤六中，采空区充填，在结合采空区矸石压实量、充填高度满足相应地表沉陷要求时，由一条或两条充填带代替了全部充填；当煤质较硬无法随采随冒，利用充填巷对顶煤打孔注水软化或爆破致裂提高顶煤的采出率。
9.根据权利要求1所述的基于井下矸石条带的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：填充带的结构为：高为f-k的近似倒三棱柱充填带，能够有效支撑顶板与顶板接触后矸石带受压变形形成近似四棱柱充填带。
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