CN114961726B - 小窑破坏区煤层充填复采方法 - Google Patents

小窑破坏区煤层充填复采方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种小窑破坏区煤层充填复采方法。步骤为：S1)确定充填复采区小窑空棚空巷分布情况，且将充填复采区划分为实体煤区、顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区；S2)分析黄土的侧限压缩特性；S3)向黄土中掺入预设比例的石灰，以该变黄土的塑限、液限及塑性指数；S4)确定充填关键层临界厚度；S4)制作填料：将黄土和预设比例的石灰通过制浆机制浆形成浆液，然后将浆液经由注浆泵与注浆管路分别送至顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区进行分别填充，以形成预设厚度以上的充填关键层。本发明能确保工作面安全通过小窑采空区。

Description

小窑破坏区煤层充填复采方法
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种小窑破坏区煤层充填复采方法。
背景技术
在我国西北地区存在大量乡镇和私营煤矿。这些矿井建设初期缺乏资金和技术支撑，导致建设规模小、起点低、粗放式开采，形成许多小窑滥采破坏区、盗采破坏区。
传统通常采用房柱式采煤方法对小窑破坏区进行回采，巷道布置纵横交错，杂乱无章，极不规则，其采空区一般呈蜂窝状，且遗煤较多，形成煤堆，其回收率不到五分之一，使得大量优质煤炭资源遭受破坏。
实现对小窑破坏区煤层的安全高效复采，对我国煤炭工业可持续发展具有重要的意义。
现有针对小窑破坏区进行复采一般采用综采(放)开采，该方法不可避免的会在运输顺槽与回风顺槽遇到小窑破坏区，使得复采工作面与小窑空巷贯通，造成采空区漏风，不利用风量管理与瓦斯防治工作，使得采空区瓦斯含量高，容易发生瓦斯爆炸。其次，在复采工作面掘进中遇到小窑破坏区松散煤堆和冒落的矸石及遗留巷道，工作面顶板空顶范围较大，且再生顶板形成条件差，松散破碎的顶板若控制不好则极易滑落，导致顶板的垮落或抽冒，均不利于顶板管理，容易发生顶板向下塌陷，造成安全事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小窑破坏区煤层充填复采方法，以对小窑破坏区煤层进行安全高效复采。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种小窑破坏区煤层充填复采方法，包括：
S1)确定充填复采区小窑空棚空巷分布情况，且将所述充填复采区划分为实体煤区、顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区；
S2)分析黄土的侧限压缩特性；
S3)向所述黄土中掺入预设比例的石灰，以该变所述黄土的塑限、液限及塑性指数；
S4)确定充填关键层的临界厚度；
S4)制作填料：将所述黄土和预设比例的所述石灰通过制浆机制浆形成浆液，然后将所述浆液经由注浆泵与注浆管路分别送至顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区进行分别填充，以形成预设厚度以上的充填关键层。
作为优选方案，向所述黄土中掺入7％的石灰。
作为优选方案，掺入所述石灰的所述黄土的最优含水率不超过17％。
作为优选方案，通过公式(1)计算充填关键层的临界厚度；
Figure BDA0003658600720000021
式中：M为充填关键层的临界厚度；l为液压支架控顶距；P为垮落的煤岩层重量；H为小窑采空区顶板与充填关键层的距离；Δ为矸石静止载荷压缩作用在充填体时，充填体的变形量；σs为充填体抗拉强度。
作为优选方案，所述小窑破坏区煤层充填复采方法基于制浆充填智能综合控制系统，所述制浆充填智能综合控制系统包括所述制浆机、装载机、皮带机，所述制浆机与变频给料机连接，所述黄土与所述石灰分别通过所述装载机、所述皮带机以及所述变频给料机到达所述制浆机。
作为优选方案，所述制浆充填智能综合控制系统还包括供水泵以及计算机，所述供水泵配置为给所述制浆机供水，所述计算机控制所述制浆机的搅拌速度、所述黄土与所述石灰的下料量以及水量。
作为优选方案，所述制浆充填智能综合控制系统还包括震动除砂机和所述注浆泵，所述震动除砂机配置为对所述制浆机输出的浆液进行过滤，过滤后的浆液通过所述注浆泵进行注浆。
作为优选方案，所述制浆充填智能综合控制系统还包括储浆池和泥浆搅拌设备，所述泥浆搅拌设备用于对所述储浆池中的浆液进行搅拌，所述震动除砂机过滤后的浆液输送至所述储浆池，所述储浆池中的浆液通过所述注浆泵和所述注浆管路分别送至所述顶板未垮落区、所述顶板部分垮落区、所述顶板充分垮落区进行分别填充。
作为优选方案，所述制浆充填智能综合控制系统还包括液位传感器、流量传感器，以对填充的过程进行监测。
作为优选方案，所述制浆充填智能综合控制系统还包括压力传感器。
本发明的小窑破坏区煤层充填复采方法的有益效果在于：
通过对顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区进行填充以形成充填关键层，避免复采工作区域与之前的小窑老空区贯通，避免造成复采工作区域漏风，从而避免发生瓦斯爆炸。充填关键层能够减缓顶板垮落煤岩层对工作面顶板的冲击，并能够承载上方冒落的矸石冲击，确保工作面安全通过小窑采空区，有利于顶板控制，本发明的方法能安全地、高效地复采小窑破坏区煤炭资源、增加矿井服务年限。
附图说明
图1是本发明实施例四种不同顶板煤岩层结构示意图；
图2是本发明实施例采用区构造充填关键层示意图；
图3是本发明实施例构造充填关键层力学模型图；
图4是本发明实施例制浆充填智能综合控制系统的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本实施例公开了一种小窑破坏区煤层充填复采方法。该小窑破坏区煤层充填复采方法用于复采小窑破坏区煤矿。
本实施例的小窑破坏区煤层充填复采方法包括步骤如下：
S1)根据巷探、物探、钻探等方法以确定充填复采区小窑空棚空巷分布情况，且将充填复采区划分为实体煤区、顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区；
具体而言，小窑破坏区残留空区与残留煤柱的顶板垮落特征不同，因此，可以根据不同的特征划分出四种不同的类型：实体煤区、顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区，分别如图1中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。图1中的(b)、(c)、(d)在一层煤的上方形成有采空区，需要对采空区进行填充，以形成填充体。本申请之前采空的区域称为小窑采空区。
S2)确定浆液料的组成：分析黄土的侧限压缩特性，向黄土中掺入预设比例的石灰，以该变黄土的塑限、液限及塑性指数。作为优选方案，向黄土中掺入7％的石灰，掺入石灰的黄土的最优含水率不超过17％。
具体地，通过对采空区的充填体固结网络骨架作用、充填密实作用、转变围岩破坏机制作用分析，研究黄土的侧限压缩特性。
S3)通过分析小窑采空区注浆充填顶板控制原理，确定充填关键层1的临界厚度；
作为优选方案，通过公式(1)计算充填关键层1临界厚度；
Figure BDA0003658600720000051
如图2和图3所示，式中：式中：M为充填关键层的临界厚度；l为液压支架控顶距；P为垮落的煤岩层重量；H为小窑采空区顶板与充填关键层的距离；Δ为矸石静止载荷压缩作用在充填体时，充填体的变形量；σs为充填体抗拉强度。
充填关键层1承担上方顶冒落的矸石。当充填关键层1高度大于M时，复采工作面可安全通过小窑破坏区。充填关键层1的稳定性是保证工作面安全回采的关键。
S4)制作填料：将黄土和预设比例的石灰通过制浆机制浆形成浆液，然后将浆液经由注浆泵与注浆管路送至小窑采空区进行填充，以形成预设厚度以上的充填关键层1。
进一步地，如图2所示，本实施例的充填体与底部冒落的矸石2共同构成充填关键层1。充填体为浆液充填形成为结构。
具体地，之前的采空区注浆充填形成人工假顶后，上方顶板冒落的矸石会冲击充填关键层1。当残留空区位于工作面正上方时，上方顶板冒落的矸石对充填关键层1的影响最大，充填关键层1的强度和厚度必需达到一定的要求，使得上方顶板冒落的矸石形成的冲击载荷不至于使充填关键层1失稳，不会影响工作面正常复采。
针对研究问题，小窑采空区未充填上部煤岩层冒落，对工作面端面距顶板冲击，由于端面距小于工作面倾斜方向暴露顶板的长度，因此，导致顶板前后发生剪切破坏，并且假设充填材料与煤层间摩擦力非常大，不出现层间滑移，材料参数几乎相同，建立力学分析模型如图3所示。模型左侧为煤壁支撑，右侧液压支架支撑，前侧(煤机沿倾斜方向前进方向一侧)为煤壁支撑，后侧(煤机沿倾斜方向前进方向的反侧)为液压支架支撑，所以前后左右边界为固支。
在图3中，F表示小窑采空区冒落的矸石对充填关键层1的冲击力。由于模型左右长度小于前后的长度，因此冲击载荷对工作面端面距顶板冲击，若顶板破坏，顶板前后侧应先发生剪切破坏。
若工作面端面距顶板前后侧发生剪切破坏，应有工作面端面距顶板前后侧所受剪应力：
τ＝τs                              (3)
工作面端面距顶板前后两侧所受的剪应力：
Figure BDA0003658600720000061
式中，M为充填关键层的临界厚度，F表示小窑采空区冒落的矸石对充填关键层1的冲击力，l为液压支架控顶距。
顶板充填层所受的冲击载荷：
F＝KdP                              (5)
式中，P为垮落的煤岩层重量，Kd为动载荷因素。由材料力学知识可求得Kd：
Figure BDA0003658600720000062
式中：H为小窑采空区顶板与充填关键层1的距离；Δ为矸石静止载荷压缩作用在充填体时，充填体的变形量，m。
根据Tresca屈服准则有：
2τs＝σs                              (7)
式中：σs充填体抗拉强度，MPa。
由式(3)～式(7)得：
Figure BDA0003658600720000071
若工作面端面距顶板不破坏，则：
Figure BDA0003658600720000072
即在构建充填关键层1时，当充填高度大于M时，复采工作面可安全通过小窑破坏区。
本实施例根据黄土和石灰的比例以及充填关键层1设计自动化的制浆充填过程，通过制浆充填智能综合控制系统实现。具体而言，如图4所示，作为优选方案，小窑破坏区煤层充填复采方法基于制浆充填智能综合控制系统，以实现自动化制浆以及填充的过程。制浆充填智能综合控制系统包括制浆机、装载机、皮带机，制浆机与变频给料机连接，储土场的黄土与石灰场的石灰分别通过装载机、皮带机以及变频给料机到达制浆机。与此同时，供水泵向制浆机供水。具体而言，作为优选方案，制浆充填智能综合控制系统还包括供水泵以及计算机，供水泵配置为给制浆机供水，计算机控制制浆机的搅拌速度、黄土与石灰的下料量以及水量，以调节浆液密度。
作为优选方案，制浆充填智能综合控制系统还包括震动除砂机和注浆泵，震动除砂机配置为对制浆机输出的浆液进行过滤，以去除大粒径废料，防止注浆泵堵塞。过滤后的浆液通过注浆泵进行注浆。
作为优选方案，制浆充填智能综合控制系统还包括储浆池和泥浆搅拌设备，泥浆搅拌设备用于对储浆池中的浆液进行搅拌，防止浆液沉淀。震动除砂机过滤后的浆液输送至储浆池，储浆池中的浆液通过注浆泵和注浆管路分别送至顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区进行分别填充。
作为优选方案，制浆充填智能综合控制系统还包括液位传感器、流量传感器、压力传感器，以对填充的过程进行监测。
本实施例采用石灰以改良黄土性质，达到既改变颗粒结构又改变黄土塑性特性的目的。在黄土中掺入不同比例的石灰，分别为0％、7％、9％、11％、13％.充分混合后，再按相差2％的含水率制备不同含水率的石灰黄土试样，如表1所示。
表1试验配比方案
Figure BDA0003658600720000081
塑性是表征粘性土物理性能一个重要特征，一般用塑性指数Ip来表示，由液限含水量wL和塑限含水量wP的差值来表示，即：
IP＝wL-wp                 (2)
液限含水量wL和塑限含水量wP可以采用光电式液塑限联合测定仪进行测定，同时用搓条法测塑限进行校核，并计算出塑性指数，如表2示。
表2液限含水率和塑性指数测试值
Figure BDA0003658600720000082
Figure BDA0003658600720000091
由表2可知，在掺入7％的石灰后可大幅提高黄土的塑限wP，但增加石灰的掺入量塑限wP变化不大，而掺入不同比例石灰的黄土液限wL基本没有变化，这说明掺入石灰后黄土颗粒发生了各种复杂性的物理化学变化，黄土粘粒含量减少、土颗粒的亲水性变弱。随着石灰的比重增加，由式2可知，塑性指数Ip随之减小，即缩小了黄土可塑性范围，石灰改良黄土的塑限、液限、塑性指数的变化在超过7％以后就趋于平缓，黄土可塑性变化不大。
为考察黄土充填开采中最优含水率，分别计算各试样在应力为2MPa和4MPa时的应变ε情况，如表3所示。
表3应力为2MPa和4MPa时的应变ε
Figure BDA0003658600720000092
Figure BDA0003658600720000101
从表3可知，应力由0MPa加载到4MPa的应变范围为0.3733-0.4847，0MPa加载到2MPa的应变范围为0.3251-0.4429，即应力加载到2MPa时应变变化占整个变化的87％以上。同时，当掺入石灰的黄土在含水率小于17％时，应变变化不明显。
综上所述，可知在黄土中掺入7％的石灰，且在实际充填中掺入石灰的黄土的最优含水率w不超过17％时，黄土和石灰形成的充填体具有良好的性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于，包括：
S1)确定充填复采区小窑空棚空巷分布情况，且将所述充填复采区划分为实体煤区、顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区；
S2)分析黄土的侧限压缩特性；
S3)向所述黄土中掺入预设比例的石灰，以改变所述黄土的塑限、液限及塑性指数；
S4)确定充填关键层的临界厚度，通过公式(1)计算充填关键层的临界厚度；
Figure QLYQS_1
式中：M为充填关键层的临界厚度；l为液压支架控顶距；P为垮落的煤岩层重量；H为小窑采空区顶板与充填关键层的距离；Δ为矸石静止载荷压缩作用在充填体时，充填体的变形量；σs为充填体抗拉强度；
S5)制作填料：将所述黄土和预设比例的所述石灰通过制浆机制浆形成浆液，然后将所述浆液经由注浆泵与注浆管路分别送至顶板未垮落区、顶板部分垮落区、顶板充分垮落区进行分别填充，以形成预设厚度以上的充填关键层。
2.根据权利要求1所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：向所述黄土中掺入7％的石灰。
3.根据权利要求2所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：掺入所述石灰的所述黄土的最优含水率不超过17％。
4.根据权利要求1所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述小窑破坏区煤层充填复采方法基于制浆充填智能综合控制系统，所述制浆充填智能综合控制系统包括所述制浆机、装载机、皮带机，所述制浆机与变频给料机连接，所述黄土与所述石灰分别通过所述装载机、所述皮带机以及所述变频给料机到达所述制浆机。
5.根据权利要求4所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述制浆充填智能综合控制系统还包括供水泵以及计算机，所述供水泵配置为给所述制浆机供水，所述计算机控制所述制浆机的搅拌速度、所述黄土与所述石灰的下料量以及水量。
6.根据权利要求4所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述制浆充填智能综合控制系统还包括震动除砂机和所述注浆泵，所述震动除砂机配置为对所述制浆机输出的浆液进行过滤，过滤后的浆液通过所述注浆泵进行注浆。
7.根据权利要求6所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述制浆充填智能综合控制系统还包括储浆池和泥浆搅拌设备，所述泥浆搅拌设备用于对所述储浆池中的浆液进行搅拌，所述震动除砂机过滤后的浆液输送至所述储浆池，所述储浆池中的浆液通过所述注浆泵和所述注浆管路分别送至所述顶板未垮落区、所述顶板部分垮落区、所述顶板充分垮落区进行分别填充。
8.根据权利要求4所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述制浆充填智能综合控制系统还包括液位传感器、流量传感器，以对填充的过程进行监测。
9.根据权利要求4所述的小窑破坏区煤层充填复采方法，其特征在于：所述制浆充填智能综合控制系统还包括压力传感器。
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