CN114087015A - 一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,该方法包括:通过钻探或物探确定陷落柱空间尺寸、位置、边界及富水性等特征;从工作面两巷与陷落柱临近位置,施工下向、水平和上向充填钻孔;采用矸石、粉煤灰、风积沙等矿区材料,对陷落柱进行分区分阶段充填;陷落柱内充填材料凝固后,通过钻探岩石取样,掌握其围岩力学特性及空间稳定性;调整采煤机与液压支架的截割、支护性能参数,确保工作面安全通过陷落柱。本发明可解决工作面跳过陷落柱造成的煤炭损失量、搬家工程量大的问题,提高陷落柱岩层隔水能力,确保工作面过陷落柱时不发生突水事故,同时处理矿山固废产物。此方法经济实用、安全可靠,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产技术领域,具体涉及一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法。
背景技术
受岩溶地下水与地应力影响,在煤炭开采过程中,往往存在数量多、形状尺寸各异、比较发育的陷落柱,煤系地层中的煤层及其周围的岩石常遭到严重的破坏,给煤矿生产造成了很大的困难。一方面,工作面绕过陷落柱,将造成煤炭源可采储量大幅度降低与浪费,同时工作面搬家倒面工程量大、成本高,影响采掘接替和矿井生产;另一方面,工作面直接过陷落柱存在漏顶(底)、突水等安全隐患,且陷落柱发育地区,采煤机与支架无法使用和通过。矿山充填采煤技术具有岩层移动控制效果好,固废处置量大等优势,近年来得到了政府、企业的大力宣传与推广,符合矿山绿色安全高效与“青山绿水就是金山银山”的发展理念。
现有技术CN110529151A、CN111075482A主要以陷落柱注浆防治水为目的,陷落柱注浆加固后,采煤工作面通过陷落柱。但上述现有技术并没有考虑矿山固废处置和陷落柱加固后,其内部岩石力学强度大,工作面采煤机截割困难的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,采用矸石基胶结充填材料、浆体材料或高水材料,对陷落柱进行分区分阶段充填,实现矿山固废处置与工作面安全高效过陷落柱的目的,对矿山企业提高煤炭可采量、环境保护、安全生产等具有重要意义。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,包括以下步骤:
步骤1)通过钻探或物探确定陷落柱的数量、空间尺寸、位置、边界及富水性;
步骤2)从工作面的轨道巷、运输巷与陷落柱临近的位置,分别施工下向、水平和/或上向充填钻孔,并套管护孔;
步骤3)制备下向、水平和上向充填材料,分别通过下向、水平和/或上向充填钻孔对陷落柱煤层下部区域、煤层水平区域和/或煤层上部区域进行分区分阶段泵送充填;
步骤4)待陷落柱内充填材料凝固后,通过钻探岩石取样,测试陷落柱内围岩力学特性,确保陷落柱空间围岩稳定性;
步骤5)重复步骤1)至步骤4),直至完成工作面所有陷落柱的充填作业;
步骤6)调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺,确保工作面安全后通过陷落柱。
优选地,步骤3)所述下向、上向充填材料均为矸石基胶结充填材料;所述水平充填材料为浆体材料或高水材料。
优选地,所述矸石基胶结充填材料由以下原料按质量分数组成:矸石60%、粉煤灰25%、PO42.5水泥12%、速凝剂3%,所述矸石的粒径小于10mm。
优选地,步骤3)所述下向、水平和上向充填钻孔的尺寸均为50~70mm。
优选地,步骤3)所述分区分阶段泵送充填的过程如下:根据工作面煤层与陷落柱空间位置,分别进行下向、水平和/或上向钻孔充填,且每个钻孔终孔位于陷落柱中部区域,分时多次充填。
优选地,步骤6)所述调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺的过程如下:根据陷落柱充填效果调整采煤机的截齿硬度、截深,调整支架支护强度,采煤工作面过陷落柱区域时,适当增加安全保障措施,确保采煤工作面安全通过。
优选地,所述安全保障措施包括工作面铺网、锚杆支护。
优选地,所述采煤机的截深为400~600mm。
本发明的有益效果如下:
与现有技术相比,本发明的矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,可解决工作面跳过陷落柱造成的煤炭损失量、搬家工程量大的问题,提高陷落柱岩层隔水能力,确保工作面过陷落柱时不发生突水事故,同时处理矿山固废产物。实现了矸石等固废大量处置(绿色),实现了工作面过陷落柱时岩层的高效开采(高效),避免了漏顶(底)、突水等潜在灾害(安全),煤炭采出率高、成本低、工程量小,对矿山企业提高煤炭可采量、环境保护、安全生产等具有重要意义,具备广阔的应用前景。
附图说明
图1为矿山固废处置与工作面过陷落柱的平面示意图;
图2为陷落柱1(B)的分区充填断面示意图(图1中M-M的截面);
图3为完成充填作业的工作面过陷落柱1(B)的断面示意图;
图中:1、陷落柱:A、B、C;2、采空区;3、采煤工作面;4、煤层;5、上向充填钻孔:5#;6、下向充填钻孔:6#;7、水平充填钻孔:1#、2#、3#、4#、7#;8、轨道巷;9、运输巷;10、液压支架;11、采煤机;12、浆体材料或高水材料;13、矸石基胶结充填材料;14、锚杆;15、铺网;H1、上部区域;H2、中部区域;H3、下部区域。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步详细说明。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“水平”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。
实施例1
某矿现阶段主采煤层开采深度达到-500m,煤层平均厚度3.2m,近水平煤层,煤层顶板为泥质复合顶板,煤层底板为砂质泥岩,矿井核定产能为300万吨/年,工作面采用综采一次采全高方法,工作面回采区域陷落柱较多,矸石年产量达到100万吨/年,严重影响了矿井绿色高效安全生产。根据矿井采矿地质条件,结合矿区矸石固废处置与工作面过陷落柱难题,采用本实施例的方法,实现矿山矸石固废处置与工作面安全高效过陷落柱。
一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,具体步骤如下:
(1)如图1所示,采空区2的采煤工作面3回采期间,通过钻探或物探确定了采煤工作面3前方存在三个陷落柱1(A、B、C),并掌握了其空间尺寸、位置、边界及富水性等特征。
(2)如图1、图2所示,分别确定采用从采煤工作面3的运输巷9分别施工水平充填钻孔7(1#、7#),并套管护孔;从轨道巷8分别施工上向充填钻孔5(5#)、下向充填钻孔6(6#)、水平充填钻孔7(2#、3#、4#),充填钻孔有效直径设计为70mm,并套管护孔,其煤层4层位的平面图布置如图1所示。
如图2所示,以陷落柱1(B)为例,根据其探测特征,在垂直方向将其分为上部区域H1、中部区域H2、下部区域H3三段,充填钻孔终孔位于陷落柱1(B)每段区域中部,以确保陷落柱1(B)内空间密实充填。
下向、水平和上向充填钻孔的有效直径一般为50~70mm,且根据陷落柱尺寸,可进一步增加充填钻孔数量,优化充填钻孔布置方式。根据工作面煤层与陷落柱空间位置,分别进行下向、水平和上向钻孔充填,且每个钻孔分时多次充填,确保陷落柱内空间密实与围岩稳定。
(3)以矸石、风积沙、粉煤灰、水泥、水等为原料制备矸石基胶结充填材料13,具体如下:矸石60wt%、粉煤灰25wt%、PO42.5水泥12wt%、速凝剂3wt%,矸石粒径破碎至小于10mm。
按照以下工序充填:如图2所示,以陷落柱1(B)为例,采用矸石基胶结充填材料13,通过下向充填钻孔6对陷落柱1(B)下部区域H3进行分阶段泵送充填;采用矿山常用浆体材料或高水材料12,通过水平充填钻孔7对陷落柱1(B)中部区域H2进行分阶段泵送充填;采用矸石基胶结充填材料13,通过上向充填钻孔5对陷落柱1(B)上部区域H1进行分阶段泵送充填。
下向、上向钻孔充填材料一般为矸石基胶结充填材料,矸石粒径一般小于10mm;水平钻孔充填材料一般为浆体材料或高水材料,其凝结后力学特性与煤层基本相似,以便于工作面采煤机截割与工作面安全稳定。充填材料安全环保,不会造成地下水污染,工作面过陷落柱时采煤机截割的岩层,进一步制备成充填材料,实现矸石就地处理。
(4)待陷落柱1内充填材料(浆体材料或高水材料12、矸石基胶结充填材料13)凝固后,通过钻探岩石取样,测试陷落柱内围岩抗压、抗拉、抗剪等力学特性,确保陷落柱1空间围岩稳定性。
(5)重复(1)至(4),直至完成采煤工作面3所有陷落柱1(A、B、C)的充填作业。
(6)如图3所示,根据陷落柱1充填效果,调整采煤机11的截齿硬度系数、截深400~600mm,调整液压支架10的支护强度;当采煤工作面3过陷落柱1区域时,适当增加顶板铺网15、打锚杆14等安全保障措施,确保采煤工作面3安全通过。
以该矿10个采煤工作面进行估算,该方法实施后,矿井本煤层区域陷落柱矸石处理能力达100万吨以上,解放煤炭资源2500万吨以上,同时避免了工作面搬家倒面工程量大、成本高,影响采掘接替和矿井生产的情况,经济效益显著。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本领域技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)通过钻探或物探确定陷落柱的数量、空间尺寸、位置、边界及富水性;
步骤2)从工作面的轨道巷、运输巷与陷落柱临近的位置,分别施工下向、水平和/或上向充填钻孔,并套管护孔;
步骤3)制备下向、水平和上向充填材料,分别通过下向、水平和/或上向充填钻孔对陷落柱煤层下部区域、煤层水平区域和/或煤层上部区域进行分区分阶段泵送充填;
步骤4)待陷落柱内充填材料凝固后,通过钻探岩石取样,测试陷落柱内围岩力学特性,确保陷落柱空间围岩稳定性;
步骤5)重复步骤1)至步骤4),直至完成工作面所有陷落柱的充填作业;
步骤6)调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺,确保工作面安全后通过陷落柱。
2.根据权利要求1所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,步骤3)所述下向、上向充填材料均为矸石基胶结充填材料;所述水平充填材料为浆体材料或高水材料。
3.根据权利要求2所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,所述矸石基胶结充填材料由以下原料按质量分数组成:矸石60%、粉煤灰25%、PO42.5水泥12%、速凝剂3%,所述矸石的粒径小于10mm。
4.根据权利要求1所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,步骤3)所述下向、水平和上向充填钻孔的尺寸均为50~70mm。
5.根据权利要求1所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,步骤3)所述分区分阶段泵送充填的过程如下:根据工作面煤层与陷落柱空间位置,分别进行下向、水平和/或上向钻孔充填,且每个钻孔终孔位于陷落柱中部区域,分时多次充填。
6.根据权利要求1所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,步骤6)所述调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺的过程如下:根据陷落柱充填效果调整采煤机的截齿硬度、截深,调整支架支护强度,采煤工作面过陷落柱区域时,适当增加安全保障措施,确保采煤工作面安全通过。
7.根据权利要求6所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,所述安全保障措施包括工作面铺网、锚杆支护。
8.根据权利要求6所述的一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法,其特征在于,所述采煤机的截深为400~600mm。
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