CN102562069B - 高承压水体上煤层流体充填置换开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高承压水体上煤层充填置换开采技术通过充填注浆站选址、井下送料钻孔及输浆管路设计、工作面巷道布置等工艺可以达到胶结充填体浓度高，流动性能好，整个地面***从物料的添加、搅拌、输送均实现了自动化控制，具备操作简单、实时监控、不易堵管、强度适当等特点，可操作性强，实现了一条巷道服务一个采区，降低了掘进率，提高了资源回收率，既安全采出了受水威胁煤层，又解决了煤矸石占地、环境污染、地表塌陷等问题，提高了煤炭资源回收率，经济效益、社会效益和生态效益显著。

Description

高承压水体上煤层流体充填置换开采方法

一、所属方法领域

本发明型涉及一种矿井开采方法，具体的说是一种防治水害的开采方法。

二、背景方法

随矿井开采水平的延伸及服务年限的延长，受水威胁煤量比例逐年增加，受水威胁程度愈加严重。以肥城煤田为例，肥城煤田为水文地质条件极其复杂，是全国知名的大水矿区，自1965年开采下组煤以来，发生底板突水300余次，水量大于1000m³/h的8次，最大突水量为32970m³/h，淹井4次，淹水平一次，淹采区一次，水量大于30m³/h的有125次，造成了巨大的经济损失。截止2010年末，受水威胁煤量占矿区可采储量的70.2％。在水害治理方面尽管做了大量的工作，探索了一些做法，取得了一些经验，但仍存在着许多难题，还不能从根本上解决水害威胁，时刻存在淹井的危险，分析原因有以下几点：

（1）水文地质条件复杂：一是构造发育，尤其是隐伏构造发育，断裂构造使煤层和主要含水层对口接触，威胁程度大。二是主要含水层（徐家庄灰岩、奥陶系灰岩）富水性强，间距小，水力联系密切，补给水源充足，治理难度大。三开采标高深、水压大、矿压破坏深度大（2003年由山东科技大学实测曹庄矿8812、9604工作面底板最大破坏深度分别达到36.5m、14.2m），突水机率大。四是开采煤层下距徐家庄灰岩间距小，一般 18m左右，在水压和矿压的作用下开采直接突水，奥灰间距小，遇有隐伏裂隙或断层可导致奥灰水直接突出，威胁矿井安全生产。

（2）水文地质条件不清，随着矿井开采水平的延深，勘探程度低，水文资料少，构造不清，含水层的富水性极不均一，裂隙的联通性差，防治水工作难度大。

（3）防治水措施还不能完全适应复杂的水文地质条件，尽管采取了扩大排水能力、建立防水隔离设施、底板注浆加固、留足防水煤柱、局部块段帷幕截流及疏干降压等措施，但仍不能保证不出水，矿井仍然受到水害威胁。但现有的防治水措施已不能完全适应深部复杂的水文地质条件，受深部高水压及含水层裂隙发育规律的制约，现有的注浆设备不能满足注浆的要求，向孔内压水不进，无法注浆改造；疏降又难以找到富水裂隙；深部矿压显现剧烈，底板破坏深度大，易造成突水；奥灰顶部岩溶发育规律及富水性不清，目前还没有找到有效的治理奥灰的防治水方法。因此探索新的防治水方法迫在眉睫。实行充填开采能减少矿压显现及对底板的破坏深度，对水害治理起到关键作用。

多年来对承压水上开采煤层引起的底板突水问题的研究，国内外学者进行了一些有益的探索和尝试。在国外充填法应用较广， 从20世纪30年代起至今，加拿大、澳大利亚、前苏联、德国、南非等国先后将充填法应用于金属矿山开采中，主要目的防止地表沉降，取得了显著效果。但利用充填开采解决防治水问题目前在有关文献上还没有找到。

目前国内充填开采一种是以矸石、粉煤灰等固体为充填物。河北邢台矿是以半饱和矸石与粉煤灰进行充填，目的是回收工业广场煤柱，减少对地面建筑物的影响，该方法对控制地表沉降效果较差。 二是以高浓度膏体充填为充填物。目前成功使用的有济宁太平煤矿、新矿集团孙村煤矿、淄博市王庄煤矿。济宁太平煤矿膏体充填***于2006年5月正式投入使用，采用德国的料浆制备和输送方法，投资6000多万元，以泗河河砂、电厂粉煤灰加专用胶结料和水配制成膏状料浆，膏体浓度控制在75％～80％，泵送至井下充填采区；新矿集团孙村煤矿似膏体自流充填方法，该项目于2006年3月开工建设，经地表事故坑***标定试验阶段、井下废弃巷道半工业试验阶段、走向长壁似膏体充填工业试验阶段、仰斜长壁似膏体充填开采4个阶段的开发研究，最后取得了成功。该方法以水泥、粉煤灰、煤矸石及早强剂为充填料，按一定配比制成72%～75%的高浓度的似稿体浆体，实现了3倍充填倍线的自流输送，有效控制了地表下沉。淄博市王庄煤矿近年来开展了以粉煤灰为主的高水膨胀材料研究，充填材料主要为粉煤灰、水及膨化剂，浆体浓度60％，膨胀率8～10%，实现了长距离自流输送和主动接顶问题，充填效果较好。

上述方法均用于“三下”采煤，目的是解决地表沉降问题，但真正意义上利用充填开采解决高承压水体上煤层安全开采方法及在此充填状态下底板破坏深度、矿压显现规律、地表岩移规律等理论在国内尚属首例。

肥城矿区开展高承压水体上煤层流体充填置换开采方法研究，不仅是充填开采研究与科学实践相结合的典范，其充填开采理论研究成果将构建深部煤层开采高承压水体上岩溶水防治的综合方法途径，为我国北方煤田底板岩溶水防治提供宝贵的借鉴经验和参考资料，丰富和发展我国矿井水防治理论和方法。

三、发明内容

为解决以上方法问题本发明采用以下方法方案

1、一种高承压水体上煤层充填置换开采方法采用如下步骤：

a:充填注浆站选址的确定；

b:充填材料及充填工艺确定；充填材料: 胶固料、矸石粉、粉煤灰，三者比例关系为：1.8：6：6；充填浆液质量百分比浓度：60％，比重：1.56；充填工艺为：充填准备→充水清管→灰浆推水→矸石浆推灰浆→灰浆推矸石浆→水推灰浆→充水清管→高压风吹管，充填***分为地面及井下两部分;地面***由制料***、储料***、供电供水***、自动控制及计量***、监控通讯***、应急处置***共六部分组成；井下***由管路输送***及工作面档浆***共两部分组成

c:井下送料钻孔及输浆管路设计；

d:工作面巷道布置

e:采煤工艺采煤工艺采用：端头机窝及工作面压炮打眼、装药→***→开机窝、割煤→***压炮→松机装煤→移刮板输送机→支基本支柱→回柱（采煤4刀，回柱3排）→压挡浆帘→回最后一排支柱→制作挡浆墙→充填→充填体凝固。

上述方法方案中充填***中地面***主要由以下组成：

(1) 制料***：由一台破碎机、一台筛分机、一台立式提升机、7部矸石破碎料输送皮带、一部铲车组成；

(2) 储料***：粉煤灰罐2个；胶固料罐一个，；矸石粉罐一个，；矸石粉储料棚一个；

(3) 供电供水***；

(4) 自动控制及计量***：包括主控设备、集控设备、气动控制设备、搅拌机、螺旋输送机、计量控制设备；

(5) 监控通讯***：包括电视监控***、摄像头、地面通信***，充填管路通信设备；

(6) 应急处置***：地面注浆站设应急水箱、冲洗水泵及压风机。

采用本方法方案主要有以下方法效果：(1)可以有效控制围岩移动，降低矿山压力显现强度，降低和转移支承压力，抑制底板鼓起，阻碍底板与底板富水岩层的贯通，减小底板破坏深度，实现承压水上安全开采、以矸换煤的目的。

(2) 所形成的胶结充填体浓度高，流动性能好，呈似膏体状态，通过管道自流输送到采空区，有效解决了采空区自然发火、老空水、底板水、有害气体等隐患，又限制了岩层移动。

（3）整个地面***从物料的添加、搅拌、输送均实现了自动化控制，具备操作简单、实时监控、不易堵管、强度适当等特点，可操作性强。

（4）实现了一条巷道服务一个采区，降低了掘进率，提高了资源回收率。

(5) 该方法为严重受水威胁煤层的安全开采提供了可能，既安全采出了受水威胁煤层，又解决了煤矸石占地、环境污染、地表塌陷等问题，提高了煤炭资源回收率，经济效益、社会效益和生态效益显著。

四、具体实施方式

本实施方式采用倾斜短壁前进式采煤法，高档普采方式采煤。DW-150型采煤机落、装煤，SGB-150C型刮板运输机运煤，单体液压支柱带帽对柱支护顶板，见四回一的支回方式，矸石浆充填法管理顶板，一次采全高，循环进度1.0m，采取连续开采、间隔充填的方式，每个工作面推进4.0m充填一次。

采煤工艺选择：端头机窝及工作面压炮打眼、装药→***→开机窝、割煤→***压炮→松机装煤→移刮板输送机→支基本支柱→回柱（采煤4刀，回柱3排）→压挡浆帘→回最后一排支柱→制作挡浆墙→充填→充填体凝固。

最大和最小控顶距

工作面采用3-4排控顶方式，见四回一，最大控顶距为4.4m，最小控顶距为3.4m；采煤机吃刀斜茬处控顶距可扩大到5.4m。

充填工艺

工作面充填

工作面采用见四回一的控顶方式，工作面每推采4m，制作一次挡浆帘，进行一次矸石浆充填。

为了保证采空区充填的可靠性、使用性和经济性，用单体液压支柱、挡浆帘布、建筑用钢模板制作挡墙进行充填。

充填工艺流程

充填准备→充水清管→灰浆推水→矸石浆推灰浆→灰浆推矸石浆→水推灰浆→充水清管→高压风吹管。

挡浆墙制作

挡浆墙的制作分为2部分，一部分属于工作面沿空留设运输留巷靠采空区一帮挡浆墙，另一部分属于工作面循环挡浆墙。

① 挡浆墙的制作材料：工作面支护使用的DZ2.0-2.5单体液压支柱、挡浆帘布（100m×3m）、皮带、建筑用钢模板、铁丝等。制作挡浆墙前，必须准备好制作挡浆墙的各种材料。

② 沿空留设运输巷靠采空区两帮、沿空留设进风巷靠采空区一帮挡浆墙的制作：在靠采空区一帮底板清扫干净浮煤浮矸，把帘布下端折向采空区0.2-0.5m，平铺在底板上，用矸石压在帘布上，然后用板梁压住帘布0.2 m，在板梁上支单体液压支柱，柱距0.5m，提起帘布的另一端，用板梁将帘布的上端压住，将单体液压支柱升起顶住板梁，再在单体液压支柱内侧使用建筑用钢模板作为主要挡浆墙体，依次排至顶板及工作面最后一排支柱。建筑用钢模板用铁丝固定在单体液压支柱上，支柱初撑力达到与工作面同等要求，支柱全部拴绳防倒。

③ 工作面循环挡浆墙的制作：工作面支齐四排支柱时，在采空区侧倒数第2排支柱用皮带和挡浆帘布架设隔离墙。挡浆帘布下端折向老空侧0.5m，用矸石全部压严，回完第四排支柱后，拉起挡浆帘布，上端使用柱头压住挡浆帘布，帘布要露出柱头200mm，外用2层皮带自下而上拴在最后一排支柱上。皮带要离底板300mm，皮带底用大笆挡住帘布。挡完皮带后在最后一排对柱之间支设密集支柱，挡住皮带。挡浆帘与挡浆帘之间压茬用针线缝合严密连接。

④ 沿空留设运输巷、沿空留设进风巷及工作面挡浆墙要严格打设质量，矿总工程师组织专人验收，合格后方可进行充填。

（1）1、充填***

充填材料: 胶固料、矸石粉、粉煤灰，三者比例关系为：1.8：6：6。充填浆液质量百分比浓度：60％；比重：1.56。

充填强度:

充填方式：充填浆液经送料孔及充填管路自流至井下工作面采空区。充填地面孔口标高：＋114.4m，孔底标高：－240m，孔深:354.4m，工作面标高：－360～－397.7m；充填管路长度：1850m；充填高差：512m，充填倍线：δ=3.6。

充填***：整个***分地面及井下两部分。***从物料的添加、搅拌、输送实现了自动控制，具有操作简单、实时监控、不易堵管、强度适当等特点。地面***由制料***、储料***、供电供水***、自动控制及计量***、监控通讯***、应急处置***共六部分组成；井下***由管路输送***及工作面档浆***共两部分组成。

地面***：

(1) 制料***：由一台破碎机、一台筛分机、一台立式提升机、7部矸石破碎料输送皮带、一部铲车组成。破碎、筛分、提升能力为100～150t/h，矸石成品粒度≤5mm，***综合充填能力为100～120 t/h。

(2) 储料***：粉煤灰罐2个，容积100 m³/个；胶固料罐一个，容积100 m³；矸石粉罐一个，容积150m³；矸石粉储料棚一个，可储存3000m³；4部输送皮带及一部上料铲车。

(3) 供电供水***：设一个专用变电所，两台800KVA的变压器及配套设备，进线电压6KV，输出电压380V和220V，设备总负荷665KW，其中破碎***440KW，制浆***225KW，另外控制及照明***25KW。充填水源为井下排污水，供水能力为200m³/h，包括蓄水池（500m³）、5台水泵（其中2台备用）、管路5趟、计量控制设备1套等。

(4) 自动控制及计量***：包括主控设备1套，集控设备1套，自动控制点28个，气动控制设备一套，搅拌机2台、螺旋输送机4台、计量控制设备4套等。具备操作简单，计量准确等特点。

(5) 监控通讯***：设电视监控***1套，摄像头16个，地面固定电话2部，小灵通4部，对讲机6部，井下充填管路沿线安设固定5部电话，实现了通讯畅通及关键场所的可视化管理。

(6) 应急处置***：地面注浆站设应急水箱1个，冲洗水泵及压风机各1台，注浆过程中一旦停电或停水，及时进行处理。

井下***：

(1) 管路输送***：由两个地面立孔及井下送浆管路组成。立孔全孔下入孔径Φ146×13mm的陶瓷复合耐麿管350m，6m一根，焊接方式连接；井下输浆管路Φ108×6mm，长度1850m，管头由专用压槽机压制而成，高压卡栏对接，每百米设盲板三通一个，关键部位安设压力表，实现对整个管路充填状态下的实时监控及应急处理。

(2) 工作面档浆***：由3部分组成，一是是工作面档浆帘的制作：档浆布为滤水编织袋，规格为长×宽＝100×3m，制作时做到上用支柱爪固定背实、下用碎渣固定压实、中间用档浆皮带辅助支撑、后背靠放顶排密集支柱并固定其上；二是工作面溜头沿空留巷侧档浆墙的制作，档浆墙采用档浆布、档浆钢模板及密集支柱制作，做到上封顶、下压实，墙的外侧打设趄柱固定，防止充填浆液外流。

巷道布置

为防止浆液外流，减少沿空留巷侧档矸墙的压力，巷道均按煤层倾向布置，回采时仰采。为便于充填回采，将原为走向布置的81006工作面分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个倾斜短壁工作面由里向外依次进行回采充填，81006Ⅰ段工作面已充填结束， 81006Ⅱ、Ⅲ段对拉面正在回采。81006I面只布置一条切眼，一条回风巷，运输巷不在掘进，而是随采随掘，沿空留巷，作为下面的回风巷；81006Ⅱ、Ⅲ段对拉面只施工一条中间运输巷，两段进风巷，III段工作面运输巷进行沿空留巷，所施工的巷道净宽2.7m，净高2m，断面5.4m²。通风方式为“Z” 字型通风，工作面掘进减少一条巷道。

Claims (2)

1.一种高承压水体上煤层充填置换开采方法，其特征是：采用如下步骤：

a:充填注浆站选址的确定；

b:充填材料及充填工艺确定；充填材料: 胶固料、矸石粉、粉煤灰，三者比例关系为：1.8：6：6；充填浆液质量百分比浓度：60％，比重：1.56；充填工艺为：充填准备→充水清管→灰浆推水→矸石浆推灰浆→灰浆推矸石浆→水推灰浆→充水清管→高压风吹管，充填***分为地面及井下两部分;地面***由制料***、储料***、供电供水***、自动控制及计量***、监控通讯***、应急处置***共六部分组成；井下***由管路输送***及工作面挡浆***共两部分组成；

c:井下送料钻孔及输浆管路设计；

d:工作面巷道布置；

e:采煤工艺采煤工艺采用：端头机窝及工作面压炮打眼、装药→***→开机窝、割煤→***压炮→松机装煤→移刮板输送机→支基本支柱→回柱（采煤4刀，回柱3排）→压挡浆帘→回最后一排支柱→制作挡浆墙→充填→充填体凝固。

2.根据权利要求1所述的高承压水体上煤层充填置换开采方法，其特征是充填***中地面***主要由以下组成：

(1) 制料***：由一台破碎机、一台筛分机、一台立式提升机、7部矸石破碎料输送皮带、一部铲车组成；

(2) 储料***：粉煤灰罐2个；胶固料罐一个，矸石粉罐一个，矸石粉储料棚一个；

(3) 供电供水***；

(4) 自动控制及计量***：包括主控设备、集控设备、气动控制设备、搅拌机、螺旋输送机、计量控制设备；

(5) 监控通讯***：包括电视监控***、摄像头、地面通信***，充填管路通信设备；

(6) 应急处置***：地面注浆站设应急水箱、冲洗水泵及压风机。