CN112360462B - 短壁综采矸石充填注浆的开采工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，涉及煤矿开采领域。本工艺设计一个工作面倾斜设置的采区，倾角为8~15°；确定工作面最大开采宽度a，沿走向将采区分为n个短壁工作面，对工作面实施跳采，采用仰采俯充方式边采边充填矸石。回采工作面每推进15~20m在采空区底板沿走向布设注浆花管，对回风巷采用沿空留巷施工，利用沿空留巷布设与注浆花管连接的注浆主管，根据试验综合确定的注浆最大滞后距对矸石充填区进行逐段带压注浆，覆岩裂隙与矸石胶结成一人工岩体，其强度大于或等于原煤岩强度，实现煤层的置换式开采，达到控制地面不变形的目的。本发明充填效率高、成本低，既处置了矸石、粉煤灰等固体废弃物，也解放了“三下一上”压煤资源。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种短壁综采矸石充填注浆的开采工艺。
背景技术
随着绿色环保发展方式和生活方式的普及重视，矿山生态环境治理与修复工作朝着“山水林田湖草”生命共同体的方向发展。结合矿区矸石、粉煤灰等固体废弃物井下充填无害化处置，以控制地面沉陷，达到既保护地面建、构筑物，又处置了矿区矸石等固废的双重目标，具有显著的经济、社会和环境效益。煤矿井下充填绿色开采工艺，目前按充填材料，一般可分为：膏体充填、高水充填、矸石等固体废弃物充填；膏体充填是采用经破碎后的矸石、电厂粉煤灰和水泥等按一定比例在地面充分搅拌后，通过地面泵送***充填至采空区，存在的问题是控制结顶难、井下矸石需进行细破碎、充填管道易堵塞、充填***复杂难于操作与管理、充填成本高、充填效率低；高水充填，充填结石体遇水易风化、强度低、易发生大的沉陷变形，减沉率在40～50%，难以保护地面建、构筑物；矸石等固废充填工艺***较简单，无需细破碎，充填管理较易，成本较低，但存在结顶不好，充填矸石虽经捣实，但仍较松散，易发生再次被压实沉陷，因此矸石充填无法控制地面不发生沉陷，根据目前国内、外研究成果，地面下沉系数仍在0.2～0.4之间，难已保证地面建筑物不受破坏。寻求一种控制地面不变形，且效率高、成本低的充填开采工艺以解决建构筑物下采煤是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，实现控制地面不变形和保护地面建、构筑物的目的，同时处置矿区煤矸石、粉煤灰等固体废弃物，提高充填和开采效率。
为实现此技术目的，本发明采用如下方案：短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，按如下步骤进行：
步骤一、设计矸石充填注浆采区，倾斜长度为Lq，走向长度为Lz，采区倾斜或伪斜倾角为8~15°；
步骤二、根据关键层理论和开采沉陷理论，结合地质采矿条件，计算确定短壁工作面的最大开采宽度a，将短壁工作面沿走向方向分成n=Lz÷a个仰斜式工作面，并按照从采区总运巷向采区总回风巷的顺序依次编号，编号由①、②、③……；
步骤三、沿倾向方向，掘进短壁工作面回风巷和运输巷，至设计距离Lq掘进布设切眼，使工作面形成回风、运输***；
步骤四、从①号工作面开始实施边开采、边充填矸石、边滞后带压注浆作业：
（1）工作面从切眼向前推进进行开采作业；
（2）使用带有夯实机构的充填液压支架，进行仰采俯充的矸石充填工艺，控制矸石充实率在85%以上；
（3）对充填矸石实施滞后带压注浆工艺，使受损覆岩和充填矸石胶结为人工岩体，取代原煤岩支撑上覆地层：工作面从切眼向前推进时，每推进15~20m，在充填矸石支架后方采空区底板上，预布设注浆花管；当工作面推至30~40m时，将回风巷中布设的注浆主管与注浆花管连接，对第一段矸石充填采空区进行注浆，达到设计注浆压力2MPa~5MPa后停止注浆；
（4）随着工作面的向前推进，依次进行矸石充填-注浆，直至工作面推至设定停采线，完成①号工作面的回采及矸石充填注浆作业；
步骤五、采用跳采方法，对相距2~3个工作面的④号或⑤号工作面实施回采-充填-注浆作业，开采方法与上述步骤四相同；
步骤六、待④号或⑤号工作面的回采-充填-注浆作业结束后，返回开采②号工作面，开采方法同步骤四；每六或八个工作面为一个循环，依此开采顺序至整个采区n个工作面回采-充填-注浆结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）井下掘进矸石和洗选矸石无需细破，直接充填采空区，然后滞后一定距离进行注浆，注浆材料采用粉煤灰和矿渣水泥配制而成，带压注浆充填矸石的空隙、结顶空隙以及在选定的亚关键层以下受开采沉陷损害的直接顶、老顶等上覆岩层破损裂隙，以此在采空区内形成由矸石、粉煤灰、水泥和受损覆岩胶结而成的具有类混凝土特性的人工充填胶结岩体，其抗压强度达到或高于所采煤岩强度。
2）采用关键层理论和开采沉陷理论，确定充填工作面最大宽度a，选定了亚关键层，控制充填工作面在回采-充填-注浆过程中，亚关键层不发生破断，开采造成的覆岩破坏高度控制在亚键层以下，达到控制地面不变形、减小工作面矿压的目的，利于矸石充填并夯实，为采充协调创造了条件，提高了釆充效率。
3）对矸石充填采空区进行沿空留巷，更好更容易地实施对充填矸石的滞后带压注浆作业，同时易于监测注浆效果，并为下一个充填工作面准备减少了掘进工作，大大提高了开采、充填、注浆效率，降低了开采和充填注浆成本，提高了充填开采效益。
4）避免了井下矸石提升上井、矸石堆山排放、压占土地和破坏环境，同时又处置了洗选煤矸石、粉煤灰等固体废弃物，为矿山的绿色发展奠定了基础。
5）解放了“三下一上”压煤和工广煤柱回收问题，保护了矿藏资源，提高了矿井效益，延长了矿井服务年限，实现了绿色充填开采与“三下一上”压煤开采的有机融合。
本发明的优选方案为：
步骤二中工作面最大开采宽度a的选取保证亚关键层在开采过程中不被破断，同时开采过程中形成的导水裂缝带在亚关键层以下，以控制覆岩破坏高度，便于矸石充填及控制覆岩变形不波及至地面。
步骤四中回风巷采用沿空留巷工艺，沿空留巷采用砖砌墙留巷以实现在留巷内进行滞后逐段注浆、泄排水和监测矿压、覆岩变形的作业，沿空留巷并作为下一个工作面的运输巷，减少了工作面掘进工作量，提高了充填开采效率和效益。
注浆花管垂直于工作面推进方向布设，注浆花管的预留接口与布设在沿空留巷的注浆主管连接。
试验综合确定注浆最大滞后距，既保证已充填矸石的采空区能够得到有效及时的注浆，又不影响前方工作面的开采，并保证注浆带一定压力。
对边采边充填矸石实施滞后带压注浆方法，注浆材料采用粉煤灰和矿渣水泥混合，按照矿渣水泥与粉煤灰2:3~2:8质量比配制，注浆后的矸石胶结后形成的人工岩体等于或大于原煤岩强度，同时采用0.6~0.8:1的水固质量比，使矸石充填后析水率最低，同时又能保证充填矸石能够得到有效的注浆。
步骤四中预布设注浆花管的数量为2根，其中一根作为备用，防止注浆花管在充填矸石时被破坏。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采区工作面布置图；
图2为本发明实施例提供的预留注浆花管布置示意图。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。
请参阅图1和图2，本发明提供的一种短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，按如下步骤进行：
步骤一、设计矸石充填注浆采区，倾斜长度为Lq，走向长度为Lz，采区倾斜或伪斜倾角控制在8～15°，形成通风、运输***。
步骤二、根据关键层理论、开采沉陷理论，结合地质采矿条件，计算确定短壁工作面最大开采宽度a，将短壁工作面沿走向方向分成n=Lz÷a个仰斜式工作面，并按顺序从采区总运巷向采区总回风巷依次编号，编号为①、②、③……。
步骤三、沿倾向方向，掘进短壁工作面回风巷和运输巷，至设计距离Lq掘进布设切眼，使工作面形成完整的回风、运输***。同时回风巷采用沿空留巷工艺布置。沿空留巷巷道，（一）作为本工作面分段注浆巷，（二）作为本工作面注浆泄水巷，（三）作为下一个工作面的回采运输巷，（四）作为充填注浆矿压、上覆岩层破坏监测巷，一巷多用，提升充填开采效率与效益。
步骤四、从①号工作面开始实施边开采、边充填矸石、边滞后带压注浆作业：
（1）控制工作面宽度范围，选用短壁采煤机从切眼向前推进开采作业。
（2）对已经采空的区域，使用带有夯实机构的充填液压支架进行仰采俯充的矸石充填工艺，控制矸石充实率在85%以上。
（3）当工作面从切眼向前推进时，每推进15～20m，在充填矸石支架后方采空区底板上，垂直于工作面推进方向，预布设2根注浆花管，一用一备，防止花管在充填矸石时被损坏。当工作面推至30～40m时，将回风巷中布设的注浆主管与第一根预埋花管相连，对第一段矸石充填采空区进行注浆，达到设计注浆压力2MPa~5MPa后停止注浆。
（4）同时对充填矸石实施滞后逐段注浆，使受损覆岩、充填矸石胶结为一人工岩体，取代原煤岩支撑上覆地层。因此，工作面顶板及上覆岩层遭受破坏小、覆岩破坏可控制在亚关键层以下，确保覆岩移动不波及至地面，达到控制地面不变形的目的。
（5）随着工作面的向前推进，依次对采空区进行矸石充填-注浆直至工作面推至设定停采线。至此，①号工作面回采及矸石充填注浆完毕。
步骤五、采用跳采施工方法，①号工作面回采完毕后，对相距两或三个工作面的④号或⑤号工作面实施回采—充填—注浆作业，开采方法同上述步骤四。
步骤六、待④号或⑤号工作面回采—充填—注浆结束，再返回来开采②号工作面，开采方法同上述步骤四，每六或八个工作面为一个循环，依此开采顺序至整个采区n个工作面回采充填注浆结束。
步骤二中应用关键层和开采沉陷理论，选定工作面最大开采宽度a。所选工作面最大开采宽度a，应保证亚关键层在开采过程中不被破断，同时开采过程中形成的导水裂缝带在亚关键层以下，以控制覆岩破坏高度，便于矸石充填及控制覆岩变形不波及至地面。
步骤四中沿空留巷采用砖砌墙留巷方法，实现在留巷内进行滞后逐段注浆、泄排水、监测矿压和覆岩变形，最终作为下一个工作面的运输巷，减少了工作面掘进工作量，提高了充填开采效率和效益。
在工作面开采充填矸石的过程中，每隔15~20m在矸石充填支架后采空区底板上预布设注浆花管，该注浆花管垂直工作面推进方向布设，留接口与布设在沿空留巷的主注浆管相联。
试验综合确定注浆最大滞后距，既保证已充填矸石的采空区能够得到有效及时的注浆，又不影响前方工作面的开采，并保证注浆带一定压力，以使被轻微破裂的上覆岩层能够得到有效注浆，与充填矸石注浆体胶结成一人工岩体，使人工岩体的强度等于或大于原煤岩强度，代替原煤岩支撑上覆岩层，实现置换开采，控制地面不变形的目的。
对边采边充填矸石实施滞后带压注浆方法，注浆材料采用粉煤灰和矿渣水泥，按照矿渣水泥与粉煤灰比2:3~2:8质量比配制而成，注浆后的矸石胶结后形成的人工岩体等于或大于原煤岩强度，同时采用0.6~0.8:1的水固质量比，使矸石充填后析水率最低，同时又能保证充填矸石能够得到有效的注浆。
根据开采沉陷学理论，工作面实施间隔2~3个工作面跳采，以保证充填注浆工作面能够有足够的养护时间，使胶结的人工岩体达到设计强度，同时跳采的间隔煤柱能够支撑上覆岩层，控制地面不变形。
本发明投资少、充填效率高、成本低，充填***易管理，可解决矸石充填结顶、密实度低、地面沉陷较大的难题，既处置了矸石、粉煤灰等固体废弃物，也解放了“三下一上”压煤资源，具有显著的社会、环境与经济效益。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的优选实施例，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤一、设计矸石充填注浆采区，倾斜长度为Lq，走向长度为Lz，采区倾斜或伪斜倾角为8~15°；
步骤二、根据关键层理论和开采沉陷理论，结合地质采矿条件，计算确定短壁工作面的最大开采宽度a，将短壁工作面沿走向方向分成n=Lz÷a个仰斜式工作面，并按照从采区总运巷向采区总回风巷的顺序依次编号，编号由①、②、③……；
步骤三、沿倾向方向，掘进短壁工作面回风巷和运输巷，至设计距离Lq掘进布设切眼，使工作面形成回风、运输***；
步骤四、从①号工作面开始实施边开采、边充填矸石、边滞后带压注浆作业：
（1）工作面从切眼向前推进进行开采作业；
（2）使用带有夯实机构的充填液压支架，进行仰采俯充的矸石充填工艺，控制矸石充实率在85%以上；
（3）对充填矸石实施滞后带压注浆工艺，使受损覆岩和充填矸石胶结为人工岩体，取代原煤岩支撑上覆地层：工作面从切眼向前推进时，每推进15~20m，在充填矸石支架后方采空区底板上，预布设注浆花管；当工作面推至30~40m时，将回风巷中布设的注浆管与注浆花管连接，对第一段矸石充填采空区进行注浆，达到设计注浆压力2MPa~5MPa后停止注浆；
（4）随着工作面的向前推进，依次进行矸石充填-注浆，直至工作面推至设定停采线，完成①号工作面的回采及矸石充填注浆作业；
步骤五、采用跳采方法，对相距2~3个工作面的④号或⑤号工作面实施回采-充填-注浆作业，开采方法与上述步骤四相同；
步骤六、待④号或⑤号工作面的回采-充填-注浆作业结束后，返回开采②号工作面，开采方法同步骤四；每六或八个工作面为一个循环，依此开采顺序至整个采区n个工作面回采-充填-注浆结束。
2.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，步骤二中工作面最大开采宽度a的选取保证亚关键层在开采过程中不被破断，同时开采过程中形成的导水裂缝带在亚关键层以下。
3.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，步骤四中回风巷采用沿空留巷工艺，沿空留巷采用砖砌墙留巷方法，沿空留巷作为注浆主管路铺设、注浆后覆岩变形监测及下一个工作面的运输巷。
4.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，注浆花管垂直于工作面推进方向布设，注浆花管的预留接口与布设在沿空留巷的注浆主管连接。
5.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，试验综合确定注浆最大滞后距，使充填矸石能够得到有效及时地注浆，同时注浆又不影响前方工作面的正常开采。
6.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，注浆材料采用粉煤灰和矿渣水泥混合，按照矿渣水泥与粉煤灰2:3～2:8质量比例配制而成，同时采用0.6～0.8:1的水固质量比，注浆后的矸石胶结形成的人工岩体等于或大于原煤岩强度。
7.根据权利要求1所述的短壁综采矸石充填注浆的开采工艺，其特征在于，步骤四中预布设注浆花管的数量为2根，其中一根作为备用。
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