CN113565510B - 一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，井下增设煤矸分选机构和矸石储备仓；在顶煤平行于待开采煤层布置一条或两条充填巷，巷道以坚硬岩层为顶板、以煤层为底板，顶板采用预应力螺纹钢树脂锚杆支护；巷道内平行于底板铺设金属网，其上沿巷道一侧布置可伸缩胶带输送机；工作面采出的煤经过井下分选，矸石运往充填巷，随着工作面的推进采空区内形成一条或两条以矸石堆为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带。本发明首次实现井下采充机械一体化平行作业，矸石井下自给，在满足相应的地表沉陷的要求下，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

一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法

技术领域

本发明涉及一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，属于煤炭充填开采技术领域。

背景技术

建筑物、铁路下、水体下采煤，称为“三下”采煤，“三下”特厚煤层在我国分布广泛，分层开采、条带开采、放顶煤开采为特厚煤层开采常用的方法，煤炭采出后采空区自然垮落造成的地表沉陷势必影响到地面建筑与设施，地下水位下降。为解决此类问题常采用部分开采法和充填开采法，其中部分开采法与条带开采法一样需要预留煤柱支撑上覆顶板，煤炭采出率低。充填开采法可分为部分充填和全部充填，目前在特厚煤层的充填开采中，常用分层充填的方法，此方法采用分层采煤全部充填，且每完成一层，需要制造人工假顶，为安全起见要等待数月才可开采下一层，工作周期长且比较繁琐。煤矸石是煤矿开采中排放的固体废弃物，矸石处理不当，需要占用大量土地堆放，还存在自然的危险，对环境危害巨大，且危害人类安全，近年来我国在煤矸石的利用方面做了大量的工作，如利用煤矸石制砖；利用煤矸石发电；利用煤矸石自造水泥；利用煤矸石制造化工产品等，但目前看来，这些方法消耗矸石的数量较少，远远低于矸石的产出量，且多数企业由于资金、技术、管理及认识等方面的原因，使煤矸石的综合利用难以推广，煤矸石问题无法从根本上得到解决。因此急需一种新型的开采方法。本发明提供一种一种基于井下矸石堆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，将老顶假设为如图一所示的情况，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)，而后在短边的中央形成裂缝，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

为了解决深部特厚煤层综放开采中，采空区部分充填和顶煤冒放问题，本发明提供了一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法。

本发明与以往特厚煤层充填开采和矸石充填技术相比，首次实现了井下采、充机械一体化平行作业，矸石井下自给，在满足相应的地表沉陷的要求下，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。

本发明提供了一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，井下增设煤矸分选机构和矸石储备仓；在顶煤平行于待开采煤层布置一条或两条充填巷，巷道以坚硬岩层为顶板、以煤层为底板，顶板采用预应力螺纹钢树脂锚杆临时支护；巷道内平行于底板铺设金属网，其上沿巷道一侧布置可伸缩胶带输送机；工作面采出的煤经过井下分选，矸石运往充填巷，随着工作面的推进采空区内形成一条或两条以矸石堆为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带。具体包括以下步骤：

步骤一：在布置工作面之前，收集相关资料，根据矿井上覆岩层分布情况、煤层厚度、地质构造，确定采煤工作面的长度、采高、顶煤冒放的高度。

矿井直接顶为坚硬岩层，平行于待开采煤层布置一条运输平巷和一条回风平巷，井下需要设立煤矸分选机构和矸石储备仓。

步骤二：基于顶板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，确定充填巷的个数、位置和尺寸。

单充填巷布置在工作面倾向1/2节点处，双充填巷分别布置在距工作面边界煤柱1/3节点处。在顶煤与直接顶之间布置平行于待开采煤层的充填巷。

根据tanθ＝h/r可以确定矸石自然堆放高度，其中h为矸石自然堆放高度，θ是指矸石自然休止角，即矸石自然堆放时斜边与底板所形成的夹角r为矸石堆底部圆盘半径；

根据矸石自然堆放高度h，结合采空区矸石触顶后的压实量l，可确定最终有效充填高度H＝(f-k-l)(单位：m)；矸石自然堆放高度即为采空区底板到充填巷底板的距离的最大值为(f-k)(单位：m)其中f为煤层高度，k为充填巷高度，一般取θ＝29-31°，再结合tanθ＝h/r，可计算得到矸石堆底部圆盘半径为r＝8.33-17.27(单位：m)。

根据采空区初次来压步距D、周期来压步距d确定矸石堆的位置。充填巷为双充填巷时，矸石堆投放处为初次来压步距、周期来压步距的一半即D/2,d/2处；充填巷为单充填巷时，矸石堆投放处为来压步距的两个1/3节点处即d/3，D/3,2d/3，2D/3处。

步骤二中，在确定充填巷位置以及宽度的时候，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，矸石充填的最大高度即矸石自然堆放高度的最大值为(f-k)(单位：m)，其中f为煤层高度，k为充填巷高度。顶板下沉接触矸石后矸石堆被逐渐压实，且底面半径增大，最终充填高度为H＝(f-k-l)(单位：m)。

步骤三：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，在巷道平行于底板铺设金属网用于顶煤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皮带运送至采空区；布置井下煤矸分选机构、矸石储备仓、运输平巷、回风平巷以及充填巷的协调运作，随着采煤工作面的推进，对充填巷布置完成后沿工作面走向10-40m内的锚杆依次进行回收。

步骤五：待工作面布置完成，设备协调好之后，采煤机开始工作，煤矸混合物经过刮板运输机送往煤矸分选机构，经过分选，煤炭经过溜煤眼、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；矸石经过刮板运输机运往充填巷的可伸缩胶带输送机上，再送到采空区充填；多余矸石暂存在井下矸石储备仓；随着工作面的推进，顶煤冒落到刮板运输机上。

顶煤的垮落主要取决于煤层节理的发育程度和煤的厚度，煤质较硬，煤层节理裂隙不太发育，这是造成顶煤难放的根本原因。在充填巷的作用下，顶煤可以顺利冒落，可提高顶煤采出率，提高工作效率。

步骤六：随着工作面推进，采空区应力集中区形成一条或两条以矸石堆为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带，与顶板接触后充填带逐渐被压实，随着顶煤的冒放，充填巷随采随冒。

进一步地，根据煤层厚度f＝8-12m的特厚煤层矿井，采煤机采高2.5-3m，截深0.5-1m，顶煤冒放高度5.5-9m，布置工作面长度150-200m，矿井工作面连续推进长度1000-2000m。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，可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。

进一步地，步骤二中，单充填巷布置在工作面倾向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。双充填巷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。

步骤三中，充填巷中运输矸石充填体的胶带输送机平行于巷道底板且靠近一侧0.05-0.1m布置，长度可以自由调整，适应采煤工作面持续推进的要求。

步骤四中井下设有煤矸分选机构，并设有矸石仓，矸石不出井充填所需矸石量很少可井下自给。

步骤六中，在煤层全部采出的前提下利用堆式充填代替全部充填。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)充填巷的布置，一方面实现充填体的运输，另一方面可帮助顶煤的冒放，提高顶煤的采出率。且在顶煤较硬难以冒落时，可通过充填巷采用人工水压致裂、爆破等手段保证顶煤的采出率。

(2)煤矸分选系统，设立在井下，矸石被利用充填采空区，节省地面空间，改善煤矸石污染。

(3)本方法首次实现特厚煤综放开采中采充一体化机械平行作业，优化生产结构工作效率大提高，充填巷同时提升了顶煤采出率，且充填为堆式充填节省人力物力财力，矸石可以井下自给，同时避免了矿井开采造成的地表沉陷，对建筑河流的影响。

附图说明

图1为顶板板式破断理论图；

图2为填充堆位置布置图；

图3为顶板破断形式图；

图4为实施例1中双充填巷道布置示意图；

图5为图4中沿A-A线的剖面图；

图6为图4中沿B-B线的剖面图。

图7为实施例2中单充填巷道布置示意图；

图8为图7中沿C-C线的剖面图；

图中：1-地表，2-岩层，3-工作面边界煤柱，4-坚硬岩层，5-顶煤，6-运输平巷，7-采煤工作面，8-采空区，9-矸石堆，10-充填巷，11-可伸缩胶带输送机，12-金属网，13-放顶煤液压支架，14-刮板运输机，15采煤机，16-待开采煤层，17-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：

本实施例提供了一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，具体包括以下步骤：

1.收集相关资料，根据矿井上覆岩层分布情况、煤层厚度，地质构造，直接顶为坚硬岩层4确定采煤工作面的长度、采高、顶煤冒放的高度。布置工作面长度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3(1)所示的破断形式。

2.在布置采煤工作面7时，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，确定应布置两条充填巷10(如图4～6所示)，充填巷布置在顶煤与直接顶之间平行于待开采煤层16。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，巷道高k＝2.5-3m，宽2.8-3m。根据矸石自然休止角tanθ＝h/r可以确定矸石自然堆放高度，结合采空区矸石压实量l，可确定充填最终有效充填高度H。其中h为矸石堆放高度，最大高度为(f-k)其中f为煤层厚度，一般取θ＝29-31°则可计算出r＝8.33-17.27m为矸石堆底部圆盘半径。H＝(f-k-l)。根据采空区初次来压步距D、周期来压步距d确定矸石堆的位置。矸石堆投放处为初次来压、周期来压步距的一半即D/2，d/2处。

本发明实例中出现的长度计量单位为m。

3.在充填巷10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，在巷道平行于底板铺设金属网12用于顶煤5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11用于矸石充填物的运输。

4.充填巷布置完成后，调整刮板运输机14与可伸缩胶带输送机11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8。布置井下煤矸分选机构与运输平巷6、矸石储备仓、充填巷10的协调运作，对工作面沿走向(推进方向)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.待采煤工作面7布置完成，设备协调好之后，采煤机15开始工作，煤矸混合物经过刮板运输机送往井下煤矸分选机构，经过分选，煤炭经过溜煤眼、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。矸石经过刮板运输机运往充填巷的可伸缩胶带输送机上，再送到采空区充填。多余矸石暂存在井下矸石储备仓。随着工作面的推进，顶煤冒落到刮板运输机上。顶煤的垮落主要取决于煤层节理的发育程度和煤的厚度，煤质较硬，煤层节理裂隙不太发育，这是造成顶煤难放的根本原因。在充填巷的作用下，顶煤可以顺利冒落，可提高顶煤采出率，提高工作效率。

6.随着工作面推进，采空区应力集中区形成两条以矸石堆9为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带与顶板接触受压后形成近似棱台组成充填带，随着顶煤的冒放，充填巷随采随冒。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。

实施例2

本实施例提供了一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，具体包括以下步骤：

1.收集相关资料，根据矿井上覆岩层分布情况、煤层厚度，地质构造，直接顶为坚硬岩层4确定采煤工作面的长度、采高、顶煤冒放的高度。布置工作面长度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3(2)所示破断形式。

2.在布置采煤工作面7时，基于顶板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，确定应布置一条充填巷10，充填巷距离工作面边界煤柱3(1/2)左右，即距工作面边界煤柱375-100m，并结合工作面长度、矿井地里位置、顶煤性质等实际情况，判断充填巷的尺寸，巷道高k＝2.5-3m，宽3m，根据矸石自然休止角tanθ＝h/r可以确定矸石自然堆放高度，结合采空区矸石压实量l，可确定充填最终有效充填高度H。其中h为矸石堆放高度，最大高度为(f-k)，其中f为煤层厚度。一般取θ＝29-31°则可计算出r＝8.33-17.27m为矸石堆底部圆盘半径。H＝(f-k-l)。根据采空区初次来压步距D、周期来压步距d确定矸石堆的位置。矸石堆9投处为来压步距的两个1/3节点处即d/3，D/3，2d/3，2D/3处。

3.在充填巷10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，在巷道平行于底板铺设金属网12用于顶煤5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11用于矸石充填物的运输。

4.充填巷布置完成后，调整刮板运输机14与可伸缩胶带输送机11的位置使矸石能顺利的从刮板运输机再经皮带运送至采空区。布置井下煤矸分选机构与运输平巷6、充填巷10的有效连接，对工作面沿走向方向(推进方向)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.待采煤工作面7布置完成，设备协调好之后，采煤机15开始工作，煤矸混合物经过刮板运输机送往井下煤矸分选机构，经过分选，煤炭经过溜煤眼、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。矸石经过刮板运输机运往充填巷的可伸缩胶带输送机上，再送到采空区8充填。多余矸石暂存在井下矸石储备仓。随着工作面的推进，顶煤冒落到刮板运输机上。顶煤的垮落主要取决于煤层节理的发育程度和煤的厚度，煤质较硬，煤层节理裂隙不太发育，这是造成顶煤难放的根本原因。在充填巷的作用下，顶煤可以顺利冒落，可提高顶煤采出率，提高工作效率。

6.随着工作面推进，采空区应力集中区形成一条或两条以矸石堆9为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带与顶板接触后形成近似棱台组成充填带，随着顶煤的冒放，充填巷随采随冒。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。

实施例3

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时，基本顶的破断呈图3(3)所示破断形式。本实施例与实施例2中步骤相同，此处不再赘述。

Claims (9)

1.一种基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：井下增设煤矸分选机构和矸石储备仓；在顶煤平行于待开采煤层布置一条或两条充填巷，巷道以坚硬岩层为顶板、以煤层为底板，顶板采用预应力螺纹钢树脂锚杆支护；巷道内平行于底板铺设金属网，其上沿巷道一侧布置可伸缩胶带输送机；工作面采出的煤经过井下分选，矸石运往充填巷，随着工作面的推进采空区内形成一条或两条以矸石堆为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带；

所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，包括以下步骤：

步骤一：在布置工作面之前，收集相关资料，根据矿井上覆岩层分布情况、煤层厚度、地质构造，确定采煤工作面的长度、采高、顶煤冒放的高度；平行于待开采煤层布置一条运输平巷和一条回风平巷，井下需要设立煤矸分选机构和矸石储备仓；

步骤二：基于顶板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，确定充填巷的个数、位置和尺寸；

步骤三：在充填巷道开挖过程中，为维护工作区域安全，采用锚杆进行支护，充填巷开挖完成后，在巷道平行于底板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皮带运送至采空区；布置井下煤矸分选机构、矸石储备仓、运输平巷、回风平巷以及充填巷的协调运作，随着采煤工作面的推进，对步骤三中充填巷内锚杆进行部分回收，并随着工作面的推进依次循环回收；

步骤五：待工作面布置完成，设备协调好之后，采煤机开始工作，煤矸混合物经过刮板运输机送往煤矸分选机构，经过分选，煤炭经过溜煤眼、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；矸石经过刮板运输机运往充填巷的可伸缩胶带输送机上，再送到采空区充填；多余矸石暂存在井下矸石储备仓；随着工作面的推进，顶煤冒落到刮板运输机上；

步骤六：随着工作面推进，采空区应力集中区形成一条或两条以矸石堆为单位来支撑破断空间应力集中区域的充填带，与顶板接触后充填带逐渐被压实，随着顶煤的冒放，充填巷随采随冒。

2.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆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，可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堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：在顶煤与直接顶之间布置平行于待开采煤层的充填巷；单充填巷布置在工作面倾向长度1/2节点处，双充填巷分别布置在距工作面两边边界煤柱1/3节点处。

4.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：根据采空区初次来压步距D、周期来压步距d确定矸石堆的位置；充填巷为双充填巷时，矸石堆投放处为初次来压步距、周期来压步距的一半即D/2,d/2处；充填巷为单充填巷时，矸石堆投放处为来压步距的两个1/3节点处即d/3，D/3,2d/3，2D/3处。

5.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：根据tanθ＝h/r确定矸石自然堆放高度，其中h为矸石自然堆放高度，单位：m，θ是指矸石自然休止角即矸石自然堆放时斜边与底板所形成的夹角，r为矸石堆底部圆盘半径，单位：m；

根据矸石自然堆放高度h，结合采空区矸石触顶后的压实量l，单位：m，确定最终有效充填高度H＝(f-k-l)；矸石自然堆放高度即为采空区底板到充填巷底板的距离的最大值为(f-k)，其中f为煤层高度，k为充填巷高度，取θ＝29-31°，再结合tanθ＝h/r，计算得到矸石堆底部圆盘半径为r＝8.33-17.27m；

根据f＝8-12m特厚煤层矿井，采煤机采高2.5-3m，截深0.5-1m，顶煤冒放高度5.5-9m，布置工作面长度150-200m，矿井工作面连续推进长度1000-2000m。

6.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤三中，采用预应力螺纹钢树脂锚杆进行支护，锚杆排距为0.6-1.5m，间距为0.6-1.5m；并在步骤四中，对充填巷布置完成后对沿工作面走向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堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤三中，充填巷中运输矸石充填体的胶带输送机器平行于巷道底板且靠近一侧0.05-0.1m布置，皮带长度能调整，适应采煤工作面持续推进的要求。

8.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤四中，井下设有煤矸分选机构，并设有矸石仓，矸石不出井，充填所需矸石量很少时能实现井下自给。

9.根据权利要求1所述的基于井下矸石堆的特厚煤层综放充填开采方法，其特征在于：步骤六中，在煤层全部采出的前提下利用堆式充填代替全部充填；且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。