CN113882860A - 一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法,通过设置单体液压支柱对条带采空区的顶板围岩进行主动支撑,使得充填体也会对顶板围岩主动支撑,减小甚至克服原不可控下沉;通过清除部分松弛区,并保留一定宽度的松弛区,既能提高覆岩控制效果,又能保证条带煤柱回采巷道利于掘进与支护;将上煤层的回采巷道布置于下煤层条带采空区中部上方的应力释放,利于掘进与维护;设置充填穿层孔简化充填管路工程量,减小膏体充填对于下煤层矸石充填工作的干扰,且通过矸石充填与膏体充填相混合,使得矸石不用上井;采用仰斜开采,提高了矸石的投放速度以及膏体的流动速度,使得膏体材料完全接顶。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿中水体下压煤时的充填开采领域,具体涉及一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法。
背景技术
我国煤矿区地质条件复杂,煤矿开采过程中地质灾害种类多风险高,如顶板灾害、地面塌陷、瓦斯***与逸散、地下水位下降及污染、突水溃砂、煤层与煤矸山自燃等,这也是矿区环境污染的主要发生源。而且我国多数煤矿存在建筑物下、水体下、铁路下压煤的问题,东部煤矿更面临第四系松散含水层的威胁,煤炭开采引发矿井突水溃砂,危害矿工生命安全,导致地下水资源的破坏和流失,采后地表塌陷导致地表水体破坏、植被退化、建筑物变形破坏等一系列危害。
煤通常以多层的形式赋存于地下,常见的有上下两层的情况,开采时可以采用上行开采方式,即自下而上开采,也可以采用下行开采方式,即自上而下开采。对于同时面临水体下压煤的情况,包括地面河流压煤、松散层含水层压煤,传统的老矿井会根据煤质、厚薄、埋深等工况选择只采其中的一层煤,并且采用条带开采方式,以此来控制围岩变形与维持围岩稳定,但是在矿井存续末期,这部分残余的煤炭急需回采出来以延续矿井寿命。充填采煤技术是绿色开采体系的重要组成部分,该技术不仅可以控制覆岩移动变形和地表沉陷,还可以充分利用煤炭开采和洗选过程中产生的固体废料,保护矿区生态环境;是目前常用的水体下等三下压煤开采方式,但是现有的充填开采技术一般用于长壁/短壁工作面、且多用于单一煤层,或者仅用于回收条带开采中的条带煤柱,而对于上下两层煤且其中的一层煤采用条带开采的情况并未有很好的充填方案提供借鉴。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法,包括已经采用倾向条带开采方式采完的下煤层和相近的未开采的上煤层,具体步骤如下:
S1,对于下煤层,将采区准备巷道布置于采区倾向上部,采用单翼后退式回收条带煤柱;
对于上煤层,将采区准备巷道布置于采区倾向上部,采用单翼后退式回采;
S2,在条带采空区内沿倾向间隔支设单体液压支柱,顶升单体液压支柱使其对产生挠曲的顶板围岩产生支撑,然后采用木支柱替代单体液压支柱;
优选的,步骤S2中,所述单体液压支柱、木支柱沿倾向间隔且成排设置,每排有多个。
S3,清除条带煤柱靠近条带采空区侧的部分松弛煤体,同时保留一定宽度的松弛煤体;
优选的,下煤层膏体充填体的宽度应不小于条带煤柱的宽度。
优选的,松弛煤体的宽度可以基于渐进破坏理论求取,也可实际探测获得。
S4,在上煤层内掘进上煤层工作面回采巷道,上煤层同一工作面的两个回采巷道分别位于下煤层的两个相邻的条带采空区的中部上方;
优选的,上煤层工作面的开采宽度为下煤层条带煤柱与条带采空区宽度之和;
S5,在上煤层工作面回采巷道内沿其轴向间隔施工充填穿层孔并铺设充填主管,充填穿层孔的孔底施工至下煤层条带采空区的顶板围岩;采用第一充填支管一端连接充填穿层孔,另一端连接充填主管,并在第一充填支管上设置连接阀门;
S6,依次打开第一充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填条带采空区以及其两侧的松弛煤体清除部分;
优选的,步骤S6中,在采用膏体充填材料充填条带采空区时,向条带采空区内不断充填入井下掘进矸石。
S7,上煤层工作面采用长壁方式仰采,采用第二充填支管一端连接上煤层工作面的采空区,另一端连接充填主管,并在第二充填支管上设置连接阀门,依次打开第二充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填上煤层工作面采空区;
S8,采用沿空掘巷技术进行上煤层下一工作面的其中一个回采巷道的掘进工作,下一工作面的另一个回采巷道采用常规方式掘进;
S9,待下煤层膏体充填体稳定后,沿着松弛煤体保留部分掘进条带煤柱回采巷道,开切眼连通两侧的条带煤柱回采巷道;滞后上煤层工作面的回采进度,进行条带煤柱的回收工作;
优选的,可以采用短壁方式回收条带煤柱;
优选的,松弛煤体保留部分81的宽度小于或等于掘进的条带煤柱回采巷道82的宽度。
S10,如此循环,直至采完上下煤层。
优选的,基于围岩控制与保水开采的控制效果,确定下煤层中条带煤柱回收方案,若控制效果好,则全部回收,否则部分回收或不回收。
有益效果:本发明沿着倾向布置工作面,采用单翼仰采方案,采区准备巷道布置于浅埋深位置可以节约保护煤柱留设量,提高围岩稳定控制效果;通过设置单体液压支柱对条带采空区的顶板围岩进行主动支撑,使得膏体充填体也会产生对顶板围岩的主动支撑,减小甚至克服原不可控的下沉,同时膏体充填体的宽度不小于条带煤柱的宽度,保证采留比例,保证对顶板围岩支撑效果。通过清除部分松弛区,并保留一定宽度的松弛区,并使其宽度小于或等于条带煤柱回采巷道的宽度,既能提高上煤层膏体充填体宽度,提高覆岩控制效果,又能保证条带煤柱回采巷道利于掘进、支护与维护。将上煤层的回采巷道布置于下煤层条带采空区中部上方的应力释放区,利于掘进与维护。创造性的提出采用矸石充填与膏体充填相混合,使得矸石不上井,且无需特别的破碎,仅需达到运输需求即可。通过设置充填穿层孔可以将下煤层的膏体充填***与上煤层的设置在一起,简化充填管路工程量,可以减小膏体充填对于下煤层矸石充填工作的干扰,提高下煤层的充填效率;上下煤层同时采用仰斜开采方式,大大提高矸石的投放速度以及膏体材料的流动速度,同时使得膏体材料可以完全接顶。采用沿空掘巷技术施工上下煤层下一工作面的回采巷道利于巷道的掘进、支护与维护。
具体的有益效果可以见具体实施方式部分。
附图说明
图1是本发明膏体充填围岩控制与保水开采方法的平面布置图,上图为上煤层布置情况,下图为其正下方对应的下层煤布置情况。
图中:左右为走向,上下为倾向,埋深上浅下深;
上煤层1、下煤层2、条带煤柱3、条带采空区4、单体液压支柱5、木支柱6、松弛煤体清除部分7,松弛煤体保留部分81、条带煤柱回采巷道82、下煤层膏体充填体9、上煤层工作面回采巷道10、煤柱采空区11、充填穿层孔12、上煤层工作面13、上煤层膏体充填体14、上煤层下一工作面采用沿空掘巷技术掘进的回采巷道15、上煤层下一工作面采用常规方式掘进的回采巷道16;
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
如图1所示,一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法,包括已经采用倾向条带开采方式采完的下煤层2和未开采的上煤层1,两层煤距离相近,皆存在水体下压煤情况,采用膏体充填方式进行开采以控制围岩稳定,防止涌水溃砂,具体步骤如下:
S1,对于下煤层2,将采区准备巷道布置于采区倾向上部(图中未示出),采用单翼后退式回收条带煤柱3(即仰采,沿着倾向自下而上回采下煤层条带煤柱);
对于上煤层1,将采区准备巷道布置于采区倾向上部(图中未示出),采用单翼后退式回采(即仰采,沿着倾向自下而上进行上煤层工作面回采);
有益效果:如此布置采区的目的是可以将采区准备巷道的保护煤柱留设于浅埋深位置,一方面可以节约保护煤柱留设量,因为条带开采时上方(浅埋深位置)本身就会留设有一定量的防水安全煤柱,另一方面,将采区准备巷道保护煤柱留设在浅埋深位置,留设量少,留设后的保护煤柱对于围岩稳定的控制效果好。
S2,在条带采空区4内沿倾向自下而上间隔支设单体液压支柱5,顶升单体液压支柱5使其对产生挠曲的顶板围岩产生支撑,减小甚至消除挠曲;然后采用木支柱6替代单体液压支柱5(图1中将单体液压支柱5和木支柱6示意至同一位置,实际两者紧邻设置);
优选的,步骤S2中,所述单体液压支柱5、木支柱6沿倾向间隔且成排设置,每排有多个。
有益效果:采用条带开采后顶板围岩虽然不产生垮落,但是仍然会产生挠曲,以沿着走向的二维空间进行分析,可以将条带采空区4的顶板围岩看做梁,顶板围岩/梁的两侧支撑点为条带煤柱3,若直接向条带采空区4内充填入膏体材料,其无法克服顶板围岩/梁的挠曲;在回收相邻的条带煤柱3后形成煤柱采空区11,煤柱采空区11上方的顶板围岩成梁,两侧的下煤层膏体充填体9为支撑点;则回收条带煤柱3时,条带煤柱上方的顶板围岩会立刻产生一定的不可控的下沉,因为此时两侧的支撑点(下煤层膏体充填体)的高度低于之前的支撑点(条带煤柱)的高度,煤柱采空区11上方的顶板围岩/梁首先会降低到两侧支撑点(下煤层膏体充填体)的高度,然后再继续产生挠曲。而本发明通过设置单体液压支柱5对条带采空区4的顶板围岩进行主动支撑,并采用木支柱6替换,减小甚至消除挠曲,后续下煤层膏体充填体9也会产生对顶板围岩的主动支撑,减小甚至克服原不可控的下沉。
S3,清除条带煤柱3靠近条带采空区4侧的部分松弛煤体,即松弛煤体清除部分7,同时保留一定宽度的松弛煤体,即松弛煤体保留部分81;
优选的,步骤S3中,并且保证条带采空区4的宽度与其两侧的松弛煤体清除部分7的宽度之和与条带煤柱3剩余部分宽度的差值不小于条带煤柱3原始宽度与条带采空区4原始宽度的差值,即下煤层膏体充填体9的宽度应不小于条带煤柱的宽度3。
优选的,松弛煤体的宽度可以基于渐进破坏理论求取,也可实际探测获得。
S4,在上煤层1内掘进上煤层工作面回采巷道10,上煤层同一工作面的两个回采巷道10分别位于下煤层的两个相邻的条带采空区4的中部上方;即上煤层工作面的开采宽度为下煤层条带煤柱与条带采空区宽度之和;
有益效果:将上煤层的回采巷道布置于下煤层条带采空区4中部是因为,下煤层条带采空区4上方为应力释放区(而条带煤柱3上方为应力集中区),在下煤层条带采空区4上方利于上煤层回采巷道10的掘进工作,利于后续上煤层回采巷道10的维护工作。
S5,在上煤层工作面回采巷道10内沿其轴向(沿倾向)间隔施工充填穿层孔12并铺设充填主管(图中未示出),充填穿层孔12的孔底施工至下煤层2条带采空区4的顶板围岩;采用第一充填支管(图中未示出)一端连接充填穿层孔12,另一端连接充填主管,并在第一充填支管上设置连接阀门;
S6,依次打开第一充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填条带采空区4以及其两侧的松弛煤体清除部分7,形成下煤层膏体充填体9;
优选的,步骤S6中,在采用膏体充填材料充填条带采空区4时,向条带采空区4内不断充填入井下掘进等矸石。
S7,上煤层工作面13自下而上采用长壁方式仰采;采用第二充填支管(图中未示出)一端连接上煤层工作面13的采空区,另一端连接充填主管,并在第二充填支管上设置连接阀门;依次打开第二充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填上煤层工作面13采空区,形成上煤层膏体充填体14;
有益效果:创造性的提出采用矸石充填与膏体充填相混合,使得矸石不上井,且无需特别的破碎,仅需达到运输需求即可。通过设置充填穿层孔12可以将下煤层的膏体充填***与上煤层的设置在一起,简化充填管路工程量,可以减小膏体充填对于下煤层矸石充填工作的干扰,提高下煤层的充填效率;进一步的,上下煤层同时采用仰斜开采方式,大大提高矸石的投放速度以及膏体材料的流动速度,同时使得膏体材料可以完全接顶。
S8,采用沿空掘巷技术进行上煤层下一工作面的其中一个回采巷道的掘进工作,下一工作面的另一个回采巷道采用常规方式掘进;
有益效果:上煤层工作面虽然采用随采随充方式回采,但是充填毕竟滞后采煤,且膏体充填还需要有一定的凝结时间,因此下一工作面侧向煤壁处也会产生一定的松弛区/松弛部分,但是由于充填相对及时,松弛区/松弛部分的宽度有限,此时采用沿空掘巷技术利于巷道的掘进(掘进于松弛区)利于支护与维护(掘进后不再有松弛区);若是采用沿空留巷技术,留下的回采巷道(对应图1中的16)其一个侧壁为下一工作面的侧向煤壁,有一定的松弛区/松弛部分,不利于支护与后期维护。
S9,待下煤层膏体充填体9稳定后,沿着松弛煤体保留部分81掘进条带煤柱回采巷道82,开切眼连通两侧的条带煤柱回采巷道8;滞后上煤层工作面13的回采进度,进行条带煤柱的回收工作;可以采用短壁方式回收条带煤柱3;
优选的,松弛煤体保留部分81的宽度小于或等于掘进的条带煤柱回采巷道82的宽度。
有益效果:对于步骤S3、S9,下煤层采用条带开采后,剩余的条带煤柱中实际起支撑覆岩作用的部分位于条带煤柱宽度方向(倾向)的中部,两侧煤体会因受压产生变形破坏形成松弛区/松弛部分,对上覆岩层不产生支撑作用;若直接对条带采空区4进行膏体充填,后续掘进条带煤柱回采巷道82时若巷道宽度窄于松弛区/松弛部分宽度,则掘进出的巷道侧部仍为松弛区/松弛部分,难于支护;而本发明通过清除部分松弛区/松弛部分,并保留一定宽度的松弛区/松弛部分,使其宽度小于或等于条带煤柱回采巷道82的宽度,则既能提高下煤层膏体充填体9宽度,提高覆岩控制效果,又能保证条带煤柱回采巷道82利于掘进(掘进于松弛区)利于支护与维护(掘进后不再有松弛区)。此外,下煤层膏体充填体9的宽度应不小于条带煤柱的宽度3,以保证采留比例,从而保证回收条带煤柱后下煤层膏体充填体9对于顶板围岩支撑效果。
S10,如此循环,直至采完上下煤层。
优选的,基于围岩控制与保水开采的控制效果,确定下煤层中条带煤柱3回收方案,若控制效果好,则全部回收,否则部分回收或不回收。
有益效果:本发明的开采方案可以基于围岩控制与保水开采的控制效果,确定下煤层中条带煤柱回收方案。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种重复采动条件下膏体充填围岩控制与保水开采方法,包括已经采用倾向条带开采方式采完的下煤层和相近的未开采的上煤层,其特征在于,具体步骤如下:
S1,对于下煤层,将采区准备巷道布置于采区倾向上部,采用单翼后退式回收条带煤柱;
对于上煤层,将采区准备巷道布置于采区倾向上部,采用单翼后退式回采;
S2,在条带采空区内沿倾向间隔支设单体液压支柱,顶升单体液压支柱使其对产生挠曲的顶板围岩产生支撑,然后采用木支柱替代单体液压支柱;
S3,清除条带煤柱靠近条带采空区侧的部分松弛煤体,同时保留一定宽度的松弛煤体;
S4,在上煤层内掘进上煤层工作面回采巷道,上煤层同一工作面的两个回采巷道分别位于下煤层的两个相邻的条带采空区的中部上方;
S5,在上煤层工作面回采巷道内沿其轴向间隔施工充填穿层孔并铺设充填主管,充填穿层孔的孔底施工至下煤层条带采空区的顶板围岩;采用第一充填支管一端连接充填穿层孔,另一端连接充填主管,并在第一充填支管上设置连接阀门;
S6,依次打开第一充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填条带采空区以及其两侧的松弛煤体清除部分;
S7,上煤层工作面采用长壁方式仰采,采用第二充填支管一端连接上煤层工作面的采空区,另一端连接充填主管,并在第二充填支管上设置连接阀门,依次打开第二充填支管上的阀门,采用膏体充填材料自下而上充填上煤层工作面采空区;
S8,采用沿空掘巷技术进行上煤层下一工作面的其中一个回采巷道的掘进工作,下一工作面的另一个回采巷道采用常规方式掘进;
S9,待下煤层膏体充填体稳定后,沿着松弛煤体保留部分掘进条带煤柱回采巷道,开切眼连通两侧的条带煤柱回采巷道;滞后上煤层工作面的回采进度,进行条带煤柱的回收工作;
S10,如此循环,直至采完上下煤层。
2.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,步骤S2中,所述单体液压支柱、木支柱沿倾向间隔且成排设置,每排有多个。
3.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,下煤层膏体充填体的宽度应不小于条带煤柱的宽度。
4.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,步骤S6中,在采用膏体充填材料充填条带采空区时,向条带采空区内不断充填入井下掘进矸石。
5.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,上煤层工作面的开采宽度为下煤层条带煤柱与条带采空区宽度之和。
6.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,可以采用短壁方式回收条带煤柱。
7.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,松弛煤体保留部分的宽度小于或等于条带煤柱回采巷道的宽度。
8.根据权利要求1所述的膏体充填围岩控制与保水开采方法,其特征在于,基于围岩控制与保水开采的控制效果,确定下煤层中条带煤柱回收方案,若控制效果好,则全部回收,否则部分回收或不回收。
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- 2021-10-14 CN CN202111195393.2A patent/CN113882860A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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CN117386367A (zh) * | 2023-10-23 | 2024-01-12 | 中国矿业大学 | 一种遗留条带煤柱多次充填长壁综采方法 |
CN117386367B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-05-31 | 中国矿业大学 | 一种遗留条带煤柱多次充填长壁综采方法 |
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