CN110761791B - 冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 - Google Patents
冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110761791B CN110761791B CN201911122440.3A CN201911122440A CN110761791B CN 110761791 B CN110761791 B CN 110761791B CN 201911122440 A CN201911122440 A CN 201911122440A CN 110761791 B CN110761791 B CN 110761791B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coal
- freezing
- accumulated water
- type residual
- empty
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 251
- 238000005065 mining Methods 0.000 title claims abstract description 193
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 153
- 238000007710 freezing Methods 0.000 title claims abstract description 117
- 230000008014 freezing Effects 0.000 title claims abstract description 117
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 45
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 21
- 239000012267 brine Substances 0.000 claims description 14
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 14
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 11
- 238000012850 discrimination method Methods 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 7
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims description 2
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 abstract description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000010721 machine oil Substances 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21C—MINING OR QUARRYING
- E21C41/00—Methods of underground or surface mining; Layouts therefor
- E21C41/16—Methods of underground mining; Layouts therefor
- E21C41/18—Methods of underground mining; Layouts therefor for brown or hard coal
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
- E21F15/00—Methods or devices for placing filling-up materials in underground workings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geology (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明公开了一种冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，属于煤炭开采技术领域。本发明在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结采空区煤柱间积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层开采的特殊开采方法。该发明较传统的柱旁膏体充填开采，无需处理刀柱式残采区煤柱间积水，大大减少工程量，且无需设立地面注浆材料拌和站，进行充填浆液的拌和以及泵送等工作；有利于回收矿产资源，促进矿产资源可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，涉及煤炭开采技术领域，主要适用于刀柱式残采区上覆蹬空煤层的安全开采。
背景技术
随着***现代化进程的加快，对煤炭需求增长的无限性与不可再生资源的有限性这一矛盾日趋剧烈，这就要求我们提高资源回收率，建设节约型矿区，因此，残煤复采逐渐得到人们的重视。
受早期开采的影响，现有生产矿区或矿井中，有很多采空区上方都遗弃了一些可采煤层，遗弃的煤炭储量还相当可观，随着开采技术的进步，煤矿残采区上行开采越来越成为人们关注的焦点。但受先期开采影响，残采区蹬空煤层及其底板岩层的完整性和稳定性均遭受不同程度的损伤破坏，可能引发矿井灾害，影响安全生产。因此，上行开采的先决条件为：对残采区上覆蹬空煤层能否进行安全开采进行可行性评价与判定，除“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法和数理分析法等常用的传统残采区上行开采可行性判别方法外，中国专利CN101109283B从层间岩层结构的角度出发，定量判别了蹬空煤层上行开采的可行性；中国专利CN103147737A提供了一种上行开采覆岩破坏规律的探测方法，揭示了上行开采过程中覆岩破坏的时空演化规律，解决了上行开采工作面和巷道布置合理确定的问题，保证了上行开采的安全性。所述的各蹬空煤层上行开采可行性判别皆基于层间岩层厚度及其稳定性，通过计算分析实现对残采区蹬空煤层上行开采可行性的预先判别与评价，指导工程实践。
刀柱式残采区煤柱群与上覆蹬空煤层及煤层底板岩层组成一个整体，所以刀柱式残采区煤柱群的稳定性制约着蹬空煤层上行开采的安全进行。此外，遗留煤柱群之间的刀柱式残采区空区逐渐被地下水充满，软化煤柱与围岩，影响蹬空开采稳定性。
因此，亟需寻找一种既能加强蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群稳定性的方法又能解决遗留煤柱间积水，保证蹬空煤层安全开采。
发明内容
本发明旨在提供一种冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，有效解决了刀柱式残采区煤柱群在蹬空煤层上行开采过程发生局部瞬时失稳的问题。
本发明中，在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结采空区煤柱间积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层开采的特殊开采方法。
本发明提供了一种冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，包括以下步骤：
（1）判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产；结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测；
（3）掘进蹬空煤层的回采巷道，布置蹬空煤层工作面；
（4）在蹬空煤层的回风巷道中布置冻结站，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；
（5）蹬空煤层回采巷道中由上及下垂直钻孔，布置巷道钻孔，通过巷道钻孔往残采区采空区积水中下放以及布置冻结管路，巷道中的钻孔总是领先于当前冻结区，提前在下一个煤柱间空区中布置冻结管路进行预先冻结降温工作，提高冻结速率；当煤柱间空区面积过大，积水过多时，在工作面底板由上向下进行底板辅助钻孔施工；
（6）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，刀柱式残采区端部煤柱间空区积水进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满的采空区积水冻结成的冰体时充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱起到侧护作用；布置在工作面底板辅助钻孔中的冻结管路，在刀柱式残采区煤柱间积水基本冻结完成时及时撤去管道，下放于积水中被冻结的管路留在冻结冰体中，最终在冰体融化后，通过巷道钻孔撤回，避免干扰工作面推进；
（7）蹬空煤层回采工作面在下伏煤柱间积水冻结完成后，在此支撑下往前推进，回采工作面逐段推进，待工作面推进至下一个进行预冻结煤柱间空区边界线前3-8m时，停止推进工作面，同时步骤（6）中的冻结工作减少制冷量进入消极冻结期，维持冻结冰块不会化冻；
（8）重复步骤（5）、(6)和(7)，步骤（7）中工作面临近的下一个煤柱间采空区中的积水进入积极冻结期，使采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层工作面推进提供一个有支撑的稳定环境，蹬空煤层工作面继续往前推进，逐渐采出蹬空煤层煤炭资源；
（9）随着工作面推进，布置冻结站的回风巷道加强支护，另一侧的运输巷道随工作面推进逐步垮落，采空区积水冻结工作超前工作面推进，第4个煤柱间采空区中积水积极冻结期开始的同时，残采区端部煤柱间空区结束制冷，冰体开始缓慢的自然化冻，待结冰体融化后回撤积水中的管路；之后依此循环工作，保证工作面推进的同时，至少有三处的残采区煤柱间空区中积水处于冻结状态。
上述方案中，所指的刀柱式残采区空区积水为不与地下暗河连通的积水，所指积水长期水量基本不变，受到地下水少量补充的同时有小规模流失，总体水量处于动态稳定状态。
上述方案中，所述冻结站的冻结设备选择、布置参考常规冻结法隧道施工经验，设备选择提供如下参考方案：
① 冷冻机选用SKD136.1.H型螺杆机组，其设计单台机组工况制冷量为116960Kcal/h，单台电机功率114KW;
② 每个冷冻机组配盐水循环泵（选用IS150-125-315型），单台流量200m3/h，电机功率37KW;
③ 冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量173m3/h，电机功率18.5KW。
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备
上述方案中，各冻结管路下放至刀柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器捆绑于管路随同管路一同下放，均匀布置于刀柱式残采区积水中，对采空区积水（冻结冰体）的温度进行实时监测。
上述方案中，步骤（1）的可行性判定方法为：将传统的“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法结合起来，综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
上述方案中，步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明煤柱间空区中积水的深度、分布范围和体积。
上述方案中，步骤(3)在已经探明的刀柱式残采区端部煤柱的上方布置蹬空煤层的开切眼，在蹬空煤层布置回采巷道与工作面，回风巷道在原定设计尺寸上扩宽1.0~1.2倍，方便后续冻结站的布置。
上述方案中，步骤(4)中的冻结设备型号、功率以及台数选择根据步骤（2）中探明的刀柱式残采区空区充满积水后积水完全冻结的需冷量确定，盐水循环***选择CaCl2溶液作为冷媒剂（CaCl2溶液的凝固点应低于设计盐水温度的8℃~10℃，比重不宜高于1.27），冷却水循环***通过开凿水池自然冷却。冻结站相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油（或者同功效其他产品），
冻结盐水温度：积极期：-20℃~-25℃，维护期（消极期）：-15℃~-20℃，
积水结冰后平均温度：-8℃~-12℃，
冻结盐水输送管：耐低温的柔性金属管。
确定好各冻结参数后，进行设备的试运行，整个***运转无误后正式施工。
上述方案中，步骤(5)中的巷道钻孔为减少钻孔工作量，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水的正上方选择垂直钻孔的方式打钻；工作面辅助钻孔由蹬空煤层工作面底板由上及下倾斜打钻，一般布置在工作面中间区域，孔倾斜角θ为10°~60°，钻孔深度h由层间岩层厚度H和钻孔倾斜角θ确定，钻孔数目由需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定。通过钻孔往刀柱式残采区煤柱间积水中下放冻结管路，冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中构成一组组闭合回路，进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰。
上述方案中，步骤(6)中的煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度，根据实验室实测为3MPa~6MPa，抗拉强度为抗压强度的1/2，在煤柱施加的围压作用下，与现阶段膏体充填开采所用矸石浆体充填材料强度接近。
上述方案中，步骤(6)所述水结冰后的体积膨胀，体积变为原来的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的刀柱式残采区煤柱间积水，水面距顶板距离占采空区全高的10%时，结冰后冰体能够充分接顶。当积水较少不能接顶时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个刀柱式残采区煤柱间空区，对正在推进的蹬空煤层底板岩层起到支撑作用，此外固态的冰对刀柱式残采区煤柱也有一定的侧向支护作用。
上述方案中，步骤(7)所述回采工作面推进至下一个刀柱式残采区煤柱间空区边界线前3-8m，即工作面越过煤柱间采空区和煤柱，此时蹬空煤层工作面的推进距离为[(a+b)±5]m；其中，a煤柱间空区宽度，b为刀柱式残采区煤柱宽度。
上述方案中，步骤(7)中的消极冻结期，指上覆蹬空煤层采掘工作面已越过的采空区，冻结冰块只需维持现有冻结状态，循环盐水的温度升高至-20℃~-15℃，尽量做到节能、经济。
上述方案中，步骤(9)中的循环工作，为工作面已越过的采空区，停止制冷工作，待结冰体融化后回撤冻结回路（当回撤难度较大且有安全隐患时，不冒险进行回撤），且冻结站随工作面推进逐步前移。
本发明的有益效果：
（1）该发明在矿井生产资料和探查资料的基础上判别蹬空煤层上行开采可行性，采用冻结法冻结刀柱式残采区煤柱间积水，液相的水冻结后成为固态的冰，以固态的冰代替充填材料，充满整个刀柱式残采区空区，以全部充填的方式，依次侧护蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群，并逐渐采出蹬空煤炭资源，回收矿产资源，促进矿产资源可持续发展。
（2）较传统的柱旁膏体充填开采，无需处理刀柱式残采区煤柱间积水，大大减少工程量，且无需设立地面注浆材料拌和站，进行充填浆液的拌和以及泵送等工作。
（3）刀柱式残采区煤柱间积水冻结成冰的同时将遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，组成共同承载体，为上覆蹬空煤层工作面推进提供一个更加稳定的底板环境。
附图说明
图1为刀柱式残采区端部煤柱相邻采空区积水冻结示意图。
图2为冻结站和冻结管路布置示意图。
图3为刀柱式残采区上覆蹬空煤层工作面推进示意图。
图中：1—蹬空煤层，2—层间岩层，3—巷道钻孔，4—刀柱式残采区煤柱；5—当前冻结的刀柱式残采区空区，6—进行预冻结的刀柱式残采区空区，7—底板辅助钻孔，8—冻结站，9—盐水输送管，10—盐水回路管，11—刀柱式残采区积水中的冻结管闭合回路，12—蹬空煤层采空区，13—蹬空煤层回采工作面，14—回风巷道，15—运输巷道。
具体实施方式
以下实施例旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现结合附图对采空区煤柱间积水冻结上行复采蹬空煤层的方法作进一步详细的说明。
某矿为追求高效益，在前期开采中越过矸石含量较大的6号煤层而优先开采了下部8号煤层，后续8号煤层资源逐步枯竭，重新开采6号煤层，于6号煤层中布置36703工作面，工作面下部为38502刀柱式采空区，属于典型的刀柱式残采区上覆蹬空煤层，且38502刀柱式残采区煤柱群间采空区有大量的老采空区积水，积水不与地下暗河连通，水量基本保持不变。8号煤层38502刀柱式残采区煤柱群的稳定性严重地制约着6号煤层36703工作面蹬空资源上行开采的安全进行。针对上述情况，下面结合附图对本发明的实施过程作进一步的详细说明，具体实施步骤如下：
步骤一，采用“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法（可参照授权专利CN101109283B中所述的方法），对该矿6号蹬空煤层1上行开采的可行性作综合判别。由该矿井生产资料可得：蹬空煤层1位于层间岩层2的弯曲下沉带中，结构破坏程度较小，只发生了整体移动；8号煤层刀柱式残采区上方具有能起到平衡作用的厚硬石灰岩，其能保障蹬空煤层1不发生台阶错动；蹬空煤层1与8号煤层的采动影响倍数为6.8；上行开采必要的层间距为10.4m，明显小于蹬空煤层1与8号煤层层间岩层2的厚度27.9m；蹬空煤层1上行开采符合定量判别法所述的可采情形。综上，该矿8号煤层36502刀柱式残采区上覆蹬空煤层1上行开采是可行的。
步骤二，根据该矿井的原有地质、技术资料知，8号煤层38502刀柱式残采区煤柱4群和刀柱式残采区空区群的宽度分别为5m—15m和15—25m，高度均为5.2m。采用三维激光扫描仪精准勘查38502刀柱式残采区煤柱群与刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，钻孔探明刀柱式残采区煤柱间积水距离顶板平均距离为0.8m。
步骤三，在步骤二探明的刀柱式残采区端部煤柱上方，开始掘进蹬空煤层1的回风巷道14、运输巷道15，布置蹬空煤层回采工作面13，回风巷道14在原定设计尺寸上扩宽1.0~1.2倍，方便后续冻结站8的布置。
步骤四，在蹬空煤层的回风巷道14中布置冻结站8，进行巷道中盐水管道的架设；冻结设备型号、功率以及台数选择根据步骤（2）中探明的刀柱式残采区空区体积，以及刀柱式残采区煤柱间积水体积确定冻结需冷量，本例设备选择方案如下：
①冷冻机选用SKD136.1.H型螺杆机组，其设计单台机组工况制冷量为116960Kcal/h，单台电机功率114KW；
②每个冷冻机组配盐水循环泵（选用IS150-125-315型），单台流量200m3/h，电机功率37KW；
③冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量173m3/h，电机功率18.5KW。
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备。
盐水循环***选择CaCl2溶液作为冷媒剂（CaCl2溶液的凝固点应低于设计盐水温度的8℃~10℃，比重不宜高于1.27），冷却水循环***通过开凿水池自然冷却。冻结站相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油（或者同功效其他产品），
冻结盐水温度：积极期：-20℃~-25℃，维护期（消极期）：-15℃~-20℃，
积水结冰后平均温度：-8℃~-12℃，
冻结盐水输送管选择耐低温的柔性金属管。
确定好各冻结参数后，进行设备的试运行，整个***运转无误后正式施工。
上述冻结站的冻结设备选择、布置参考常规冻结法隧道施工经验。
步骤五，根据步骤二探明的空区群分布方位，在遗留煤柱间空区对应的正上方回采巷道位置，由上及下垂直钻孔，通过巷道钻孔3往刀柱式残采区积水中下放以及布置盐水输送管9、盐水回路管10，巷道钻孔3总是领先于当前冻结的刀柱式残采区空区5，同时提前在下一个煤柱间空区布置冻结管路进行预先降温冻结工作，提高正式冻结速率。因煤柱间空区面积过大、积水过多，在工作面底板由上及下施钻，设置底板辅助钻孔7，底板辅助钻孔7由蹬空煤层1工作面底板由上及下倾斜打钻，由工作面中间区域向两边均匀布置3个底板辅助钻孔7，钻孔直径200mm，孔倾斜角α为15°。
步骤六，步骤四中布置的冻结站8开始制冷，端部的刀柱式残采区煤柱间积水进入积极冻结期，通过底板辅助钻孔7下放的积水中冻结管闭合回路11，在当前冻结的刀柱式残采区空区5基本冻结完成时及时撤去管道，下放进入刀柱式残采区积水中的冻结管闭合回路11，留在冻结冰体中，最终在冰体融化后，通过巷道钻孔3撤回，避免干扰工作面推进。当前冻结的刀柱式残采区空区5中的积水逐渐冻结冰，由于水结冰的体积膨胀率为110%，现有积水结冰时并不能完全接顶，冻结进行的同时通过巷道钻孔进行适量的补充注水，使刀柱式残采区煤柱间积水结冰的同时充分接顶，对掘进蹬空煤层1的底板岩层起到支撑作用，同时固态的冰对刀柱式残采区煤柱也有一定的侧护作用。
煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度，根据实验室实测为3MPa~6MPa，抗拉强度为1.5MPa~3MPa，在煤柱施加的围压作用下，与现阶段膏体充填开采常用矸石浆体充填材料强度接近。
步骤七，蹬空煤层回采工作面13在下伏煤柱间积水冻结完成后，在冻结冰体支撑下往前推进，回采工作面13逐段推进，待推进至下一个进行预冻结刀柱式残采区空区6边界线前3~8m时，停止推进蹬空煤层回采工作面13，准备下一个刀柱式残采区煤柱间空区积水的冻结工作，同时已推进越过采空区中积水冻结工作进入消极冻结期，冰体维持现有状态即可；
步骤八，重复步骤五、六和七，逐步冻结步骤七中工作面临近的煤柱间空区中的积水，使刀柱式残采区煤柱间积水结冰凝固的同时，刀柱式残采区煤柱间空区积水的冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层工作面后续推进提供一个稳定的工作环境，逐渐采出蹬空煤炭资源；
步骤九，如图3所示，随着蹬空煤层回采工作面13推进，布置冻结站8的回风巷道加强支护，防止巷道坍塌。随着蹬空煤层回采工作面13推进，采空区积水冻结工作超前工作面推进，当采空区中第四与第五个煤柱之间积水积极冻结期开始的同时，残采区端部煤柱间采空区结束制冷，待冻结冰体融化后回撤管道。之后依此循环工作，冻结站随工作面推进逐步前移，保证工作面推进的同时有三处的刀柱式残采区煤柱间空区积水处于冻结状态。
Claims (10)
1.冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产；结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测；
（3）掘进蹬空煤层的回采巷道，布置蹬空煤层工作面；
（4）在蹬空煤层的回风巷道中布置冻结站，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；
（5）蹬空煤层回采巷道中由上及下垂直钻孔，布置巷道钻孔，通过巷道钻孔往采空区积水中下放以及布置冻结管路；巷道中的钻孔总是领先于当前冻结区，提前在下一个煤柱间空区中布置冻结管路进行预先冻结降温工作，提高冻结速率；当煤柱间空区面积过大，积水过多时，在工作面底板由上向下进行底板辅助钻孔施工；
（6）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，刀柱式残采区端部煤柱间空区积水进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满的采空区积水冻结成的冰体时充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生侧护作用；布置在工作面底板辅助钻孔中的冻结管路，在刀柱式残采区煤柱间积水基本冻结完成时及时撤去管道，下放于积水中被冻结的管路留在冻结冰体中，最终在冰体融化后，通过巷道钻孔撤回，避免干扰工作面推进；
（7）蹬空煤层回采工作面在下伏煤柱间积水冻结完成后，在冰体支撑下往前推进，回采工作面逐段推进，待工作面推进至下一个进行预冻结煤柱间空区边界线前3-8m时，停止推进工作面，同时步骤（6）中的冻结工作减少制冷量进入消极冻结期，维持冻结冰块不会化冻；
（8）重复步骤（5）、(6)和(7)，步骤（7）中工作面临近的下一个煤柱间采空区中的积水进入积极冻结期，使采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层工作面的推进提供一个有支撑的稳定环境，蹬空煤层工作面继续往前推进，逐渐采出蹬空煤层煤炭资源；
（9）随着工作面推进，布置冻结站的回风巷道加强支护，另一侧的运输巷道随工作面推进逐步垮落；采空区积水冻结工作超前工作面推进，当采空区中第四与第五个煤柱之间积水积极冻结期开始的同时，残采区端部煤柱间空区结束制冷，冰体开始缓慢的自然化冻，待结冰体融化后回撤积水中的管路；之后依此循环工作，保证工作面推进的同时，至少有三处的残采区煤柱间积水处于冻结状态。
2.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：刀柱式残采区空区积水为不与地下暗河连通的积水，积水长期水量基本不变，受到地下水少量补充的同时有小规模流失，总体水量处于动态稳定状态。
3.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤（1）的可行性判定方法为：将传统的“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法结合起来，综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
4.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明煤柱间空区中积水的深度、分布范围和体积。
5.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(3)在已经探明的刀柱式残采区端部煤柱的上方布置蹬空煤层的开切眼，在蹬空煤层中布置回采巷道与工作面，回风巷道扩宽，方便后续冻结站的布置。
6.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(4)中的冻结设备型号、功率以及台数选择，根据步骤（2）中探明的刀柱式残采区空区充满积水后积水完全冻结的需冷量确定，盐水循环***选择CaCl2溶液作为冷媒剂，冷却水循环***通过开凿水池自然冷却；各冻结管路下放至刀柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器捆绑于管路，随同管路一同下放，布置于刀柱式残采区积水中，对采空区积水或冻结冰体的温度进行实时检测。
7.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(5)中的巷道钻孔为减少钻孔工作量，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水的正上方选择垂直钻孔的方式打钻；工作面辅助钻孔由蹬空煤层工作面底板由上及下倾斜打钻，一般布置在工作面中间区域，孔倾斜角θ为10°~60°，钻孔深度h由层间岩层厚度H和钻孔倾斜角θ确定，钻孔数目由计算需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定；通过钻孔往刀柱式残采区煤柱间积水中下放冻结管路，冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中构成一组组闭合回路，进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰。
8.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(6)中的煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度为3MPa~6MPa，抗拉强度为抗压强度的1/2；
步骤(6)所述水结冰后的体积膨胀，体积变为原来的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的刀柱式残采区煤柱间积水，水面距顶板距离占采空区全高的10%时，结冰后冰体能够充分接顶；当积水较少不能接顶时，在冻结工作进行的同时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个刀柱式残采区煤柱间空区，对正在推进的蹬空煤层底板岩层起到支撑作用，此外固态的冰对刀柱式残采区煤柱也有侧向支护作用。
9.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(7)所述回采工作面推进至下一个刀柱式残采区煤柱间空区边界线前3-8m，即工作面越过煤柱间采空区和煤柱，此时蹬空煤层工作面的推进距离为[(a+b)±5]m；其中，a煤柱间空区宽度，b为刀柱式残采区煤柱宽度；
步骤(7)中的消极冻结期，指上覆蹬空煤层采掘工作面已越过的采空区，冻结冰块只需维持现有冻结状态，循环盐水的温度升高5℃~10℃。
10.根据权利要求1所述的冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(9)中的循环工作，为工作面已越过的采空区，停止制冷工作，待结冰体融化后回撤冻结回路，且冻结站随工作面推进逐步前移；当回撤难度较大且有安全隐患时，不冒险进行回撤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911122440.3A CN110761791B (zh) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911122440.3A CN110761791B (zh) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110761791A CN110761791A (zh) | 2020-02-07 |
| CN110761791B true CN110761791B (zh) | 2020-11-13 |
Family
ID=69338490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911122440.3A Active CN110761791B (zh) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110761791B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111677506B (zh) * | 2020-05-26 | 2022-08-19 | 中煤科工开采研究院有限公司 | 治理房柱式采空区实现上行开采并回收煤柱的方法及装置 |
| CN112832769B (zh) * | 2021-03-22 | 2023-03-14 | 中国矿业大学 | 一种煤层底板高承压水冻结法防突开采方法 |
| CN117449853B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-06-21 | 中国矿业大学 | 一种条带采空区全充遗留煤柱局部复采方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4463807A (en) * | 1981-06-15 | 1984-08-07 | In Situ Technology, Inc. | Minimizing subsidence effects during production of coal in situ |
| RU2179241C1 (ru) * | 2000-12-27 | 2002-02-10 | Михайлов Юрий Васильевич | Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород |
| CN104790952A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-22 | 太原理工大学 | 一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法 |
| CN104832174A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-08-12 | 太原理工大学 | 一种柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法 |
| CN105422099A (zh) * | 2015-12-11 | 2016-03-23 | 太原理工大学 | 一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法 |
| CN109236297A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-18 | 太原理工大学 | 裂充结合上行复采刀柱残采区遗留煤层的采煤方法 |
| CN109356625A (zh) * | 2018-11-07 | 2019-02-19 | 太原理工大学 | 一种厚煤层复采工作面过顶煤空巷的方法 |
-
2019
- 2019-11-15 CN CN201911122440.3A patent/CN110761791B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4463807A (en) * | 1981-06-15 | 1984-08-07 | In Situ Technology, Inc. | Minimizing subsidence effects during production of coal in situ |
| RU2179241C1 (ru) * | 2000-12-27 | 2002-02-10 | Михайлов Юрий Васильевич | Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород |
| CN104790952A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-22 | 太原理工大学 | 一种柱旁单侧部分充填上行复采蹬空煤层的方法 |
| CN104832174A (zh) * | 2015-03-17 | 2015-08-12 | 太原理工大学 | 一种柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法 |
| CN104832174B (zh) * | 2015-03-17 | 2016-10-19 | 太原理工大学 | 一种柱旁双侧全部充填上行复采蹬空煤层的方法 |
| CN105422099A (zh) * | 2015-12-11 | 2016-03-23 | 太原理工大学 | 一种柱旁双侧全部充填复采残采区遗留煤柱的方法 |
| CN109236297A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-18 | 太原理工大学 | 裂充结合上行复采刀柱残采区遗留煤层的采煤方法 |
| CN109356625A (zh) * | 2018-11-07 | 2019-02-19 | 太原理工大学 | 一种厚煤层复采工作面过顶煤空巷的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 浅谈蹬空开采的可行性;边志峰;<矿业科技>;20081231;第303-305页 * |
| 预先冻结充填体回采房间矿柱;王继源;《有色矿体》;19791230;19-21页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110761791A (zh) | 2020-02-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110761791B (zh) | 冻结刀柱式残采区煤柱间积水上行复采蹬空煤层的方法 | |
| CN104314573B (zh) | 一种基于水力切割的硬岩隧道施工方法 | |
| AU2019376347B2 (en) | A method for coal mining based on frozen aquifer for underground longwall face under water-conservation condition | |
| CN104358572B (zh) | 大倾角急倾斜煤层自然垮落充填护巷无煤柱开采技术 | |
| CN107687341A (zh) | 一种极厚大不稳固矿体的上向分层点柱式充填采矿方法 | |
| CN112610218B (zh) | 厚煤层综放沿顶掘进切顶卸压自动成巷方法 | |
| CN110847954B (zh) | 分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法 | |
| CN104632221A (zh) | 一种采用液态二氧化碳***诱导崩落采矿方法 | |
| CN113700483B (zh) | 一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法 | |
| CN108894782A (zh) | 一种低温冻胀致裂诱导矿体冒落采矿法 | |
| CN109763861A (zh) | 一种切眼内断层破碎带冒顶处理方法 | |
| CN110847955B (zh) | 一种冻结房柱式残采区积水上行复采蹬空煤层的方法 | |
| CN113803071B (zh) | 基于远程智能掘进机的薄矿体采矿法 | |
| CN109899105A (zh) | 一种用于煤岩互层煤层的低位多阶穿层钻孔瓦斯抽采方法 | |
| CN111005721A (zh) | 一种急倾斜中厚矿体的采矿方法 | |
| CN109899070A (zh) | 基于椭球体放矿结构的缓倾斜中厚矿体无固废充填采矿法 | |
| CN103233739A (zh) | 充填体包裹下厚大矿柱开采方法 | |
| CN110552701B (zh) | 一种分区联合充填采矿法 | |
| CN113217044B (zh) | 一种深大断层隧道仰斜散射式注浆堵水方法 | |
| CN110792471B (zh) | 一种人工冻结充填体的分段空场嗣后充填采矿法 | |
| CN214145491U (zh) | 一种矿山遗留矿柱回采*** | |
| CN118167415A (zh) | 用煤层顶板含水层的疏放水对工作面降温的方法 | |
| CN112901168B (zh) | 围岩稳固急倾斜多条盲矿体安全高效回采方法 | |
| CN214035758U (zh) | 一种针对上隅角瓦斯超限的立体瓦斯抽采*** | |
| CN114856524B (zh) | 盐矿钻井水溶开采增产扩容方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |