墩柱式充填法採煤工藝的製作方法
2023-05-03 09:25:16 1
墩柱式充填法採煤工藝的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種墩柱式充填法採煤工藝，其步驟如下：在壁式採煤工作面，分別沿其平行、垂直方向將採空區依次設計分割成若干個充填單元和留空單元；採用土工布防滲真空袋組成充填單元，並將其與漿體材料的制送自助一體化設備連接成連通器式的充填系統；用膨脹性漿體材料充滿每個充填單元；當工作面的推進距離達到L+M時，重複上述步驟，直至一個採煤面結束。整個採空區形成由若干個墩柱式固結充填體為支點和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結構。本工藝適用於厚度在1.3米以下煤層的充填開採，只需將10-20%的採空區充實，就能有效控制頂板不垮落和地表不沉降，使充填成本降到最低、充填作業時間縮到最短、採煤生產效率保持到最高。
【專利說明】墩柱式充填法採煤工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種墩柱式充填法採煤工藝，適用於厚度在1.3米以下的煤層，屬於煤炭開採充填領域。
【背景技術】
[0002]為了控制地表沉降及其環境損害，有些煤炭開採企業選用了全採全充的充填法採煤工藝。這種充填法採煤工藝存在的主要不足是:一是因為需要充填的空間量相對較大，充填材料供不應求的矛盾較為突出，充填工序材料成本的增加幅度也難以降到最低；二是因為充填工作量相對較大，擠用了採煤工序的作業時間，採煤工作面原有的生產效率大幅度降低。
【發明內容】
[0003]根據以上現有技術中的不足，本發明要解決的技術問題是:提供一種適用於厚度在1.3米以下的煤層、能夠以最少的充填量實現控制地表沉降及其環境損害的墩柱式充填法採煤工藝。
[0004]本發明所述的墩柱式充填法採煤工藝，該工藝按下述步驟進行:
[0005]①在壁式採煤工作面，分別沿其平行和垂直方向將採空區依次設計分割成若干個長方體的充填單元和留空單元:
[0006]I)通過理論計算和現場觀測，確認直接頂或老頂巖體的破斷步距P ；
[0007]2)設計每個充填單元的長度M和寬度N為2?3倍的採煤高度H ；
[0008]3)設計留空單元的平行和垂直跨度均為L=PX (1/2?2/3)；
[0009]②採用折徑為R=6H的土工布防滲真空袋，組成充填單元；
[0010]③將土工布防滲真空袋與漿體材料的制送自助一體化設備，連接成為一個連通器式的充填系統，漿體材料的制送自助一體化設備是本單位已經授權的專利(專利號為201320219898.2)；
[0011]④利用膨脹性漿體材料進行充填，直至充滿每個土工布防滲真空袋；
[0012]⑤膨脹性漿體材料固結10?12小時後，充填體達到支撐能力；
[0013]⑥當工作面的推進距離達到L+M時，重複第②?⑤的步驟，直至一個採煤面結束；
[0014]⑦一個採煤面結束後，整個採空區形成了由若干個墩柱式固結充填體為支點和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結構。
[0015]所述膨脹性漿體材料是由基料、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，固液比為1:1.2?1.5，膨脹率為10%以下，各原料按以下配比組成:
[0016] 基料500 ?650kg/m3
膨脹劑0.7?lkg/m3
速凝劑70?lOOkg/m3
固化齊IJ20?50kg/m3
水750 ?900kg/m3
[0017]其中，所述的基料是粉煤灰、尾礦、赤泥和風積沙的一種或幾種；膨脹劑是鋅粉或者石膏粉或兩者的混合物；速凝劑是石灰；固化劑是水泥或者爐渣或兩者的混合物。
[0018]膨脹性漿體材料在充填結束後，2小時開始固化，8小時固化結束並實現10%以下的體積膨脹達到充分接頂，24小時達到支撐強度1.5Mpa，28天達到最終強度IOMpa以上。因此，可以滿足及時充填、快速凝固、充分接頂的要求。
[0019]本方法控制頂板的原理是:
[0020]以每個土工布防滲真空袋充填為單元的固結充填體為支點，以直接頂或老頂的巖體為天花板，整個採空區形成了房室空間結構。由於每一個直接頂或老頂巖體梁的跨度小於其破斷步距，採空區的頂板不會垮落。因此，該方法能夠保證頂板在整個開採過程中保持原始的地質力學平衡狀態，從而把地表沉降及其環境損害控制在允許的任意程度之內。
[0021]本發明適用於厚度在1.3米以下的煤層。依據煤層的厚度和工作面的推進速度，確定每個充填單元的幾何尺寸；按照每個留空單元跨度小於直接頂或老頂巖體破斷步距的原則，確定充填單元和留空單元的數量。採用折徑為R=6H的土工布防滲真空袋，組成充填單元。採用漿體材料的制送自助一體化設備和連通器式充填方法，使用膨脹性漿體材料對充填單元進行充填。一個採煤面結束，整個採空區就形成了房室空間結構。本方法可以用最小的充填成本將地表沉降及其環境損害控制在允許的任意程度之內，並保持採煤工作面的勞動效率不降低，屬於1.3米以下煤層充填開採【技術領域】。
[0022]本發明所具有的有益效果是:
[0023]本墩柱式充填法採煤工藝，適用於厚度在1.3米以下煤層的充填開採，本方法只需要將10-20%的採空區充實，就能有效控制頂板不垮落和地表不沉降，由此，充填材料的需求數量減到了最少，充填工藝的直接成本降到了最低，充填工序的作業時間縮到了最短，採煤工序的生產效率保持到最高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1採煤工作面初始狀態平面示意圖；
[0025]圖2採煤工作面開始回採狀態平面示意圖；
[0026]圖3採煤工作面開始充填狀態平面示意圖；
[0027]圖4採煤工作面回採與充填狀態平面示意圖；
[0028]圖5採煤工作面充填結果平面示意圖；
[0029]圖6採煤工作面充填結果垂直示意圖。
[0030]圖中:1、煤層；2、採空區；3、工作面；4、充填單元；5、充填體；6、留空單元。【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本發明的實施例做進一步描述:
[0032]具體結合厚度為1.2米的4-2煤層1，對本發明墩柱式充填法採煤工藝作具體說明:
[0033]①頂板巖性分析及充填尺寸確定:
[0034]煤4-2壁式採煤工作面3，相對位置在縣級道路和村莊下面，其走向長度120米，傾向長度600米，煤層I厚度H平均為1.2米，傾角5°?11°。底板為1.5米厚的炭質泥巖，頂板為4米厚的粉砂巖。經開採實測，初次來壓步距即直接頂的破斷步距P為18?25米;
[0035]②設計每個充填單元4的寬度N為2?3米、長度M為3?4米，留空單元6的平行和垂直跨度L為10?11米，沿平行工作面3方向均勻布置11個充填單元4和10個留空單元6 ；
[0036]③利用土工布防滲真空袋組成充填單元4，將土工布防滲真空袋與漿體材料的制送自助一體化設備連接成為一個連通器式的充填系統，漿體材料的制送自助一體化設備是本單位已經授權的專利(專利號為201320219898.2)；
[0037]④用漿體材料的制送自助一體化設備向充填單元4充填膨脹性漿體材料，直至充滿充實每個充填單元4，其中，膨脹性漿體材料是由基料、膨脹劑、速凝劑、固化劑和水組成的料漿。基料選用粉煤灰、赤泥和尾砂；膨脹劑選用鋅粉和石膏粉的混合物，速凝劑選用石灰，固化劑選用水泥和爐渣，各原料按以下配比組成:粉煤灰、赤泥和尾砂500?650kg，鋅粉0.7?Ikg,石骨粉5?IOkg,石灰70?100kg,水泥和爐禮:20?50kg,水750?900kg。充填料漿固液比為1:1.2?1.4，膨脹率為3?10%。，此種膨脹性漿體材料能夠在充填後2小時開始固化，8小時固化結束並實現3?10%的體積膨脹達到充分接頂，12小時抗壓強度達到0.8Mpa，24小時抗壓強度達到1.5IMpa, 7天抗壓強度達到5MPa，28天抗壓強度可達到15.7Mpa。
[0038]⑤待10?12小時後，膨脹性漿體材料實現膨脹性凝固，充填體5達到支撐能力；
[0039]⑥當工作面3的推進距離達到L+M時，重複③?⑤的步驟，直到一個工作面3結束。最終，在採空區2內形成了若干個均勻分布的墩柱式充填體5和房室式留空單元6。在覆巖垂直剖面上，形成了以充填體5為支點、直接頂巖體為天花板的房室空間結構。由於每一個直接頂巖體的跨度小於其破斷步距P，採空區2的頂板不會垮落。
[0040]通過採用本墩柱式充填法採煤工藝，充填率在11%左右。經觀察測量達到以下效果:在採煤高度1.2米、埋藏深度310米、開採範圍600米X 240米的情況下，地表沉降平均為3?5毫米，相關道路和房屋沒有受到破壞，採區回採率達到到99.5%，生產效率與非充填採煤面的180噸/日基本持平。
【權利要求】
1.一種墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:按下述步驟進行: ①在壁式採煤工作面(3)，分別沿其平行和垂直方向將採空區依次設計分割成若干個長方體的充填單元(4)和留空單元(6): 1)通過理論計算和現場觀測，確認直接頂或老頂巖體的破斷步距P； 2)設計每個充填單元(4)的長度M和寬度N為2~3倍的採煤高度H； 3)設計留空單元(6)的平行和垂直跨度均為L=PX(1/2~2/3)； ②採用折徑為R=6H的土工布防滲真空袋，組成充填單元(4)； ③將土工布防滲真空袋與漿體材料的制送自助一體化設備，連接成為一個連通器式的充填系統； ④利用膨脹性漿體材料進行充填，直至充滿每個土工布防滲真空袋； ⑤膨脹性漿體材料固結10~12小時後，充填體(5)達到支撐能力； ⑥當工作面(3)的推進距離達到L+M時，重複第②~⑤的步驟，直至一個採煤面結束； ⑦一個採煤面結束後，整個採空區(2)形成了由若干個墩柱式固結充填體(5)為支點和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結構。
2.根據權利要求1所 述的墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:所述的膨脹性漿體材料是由基料、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，固液比為1:1.2~1.5，膨脹率為10%以下，各原料按以下配比組成:
3.根據權利要求2所述的墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:所述的基料是粉煤灰、尾礦、赤泥和風積沙的一種或幾種。
4.根據權利要求2所述的墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:所述的膨脹劑是鋅粉或者石膏粉或兩者的混合物。
5.根據權利要求2所述的墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:所述的速凝劑是石灰。
6.根據權利要求2所述的墩柱式充填法採煤工藝，其特徵在於:所述的固化劑是水泥或者爐渣或兩者的混合物。
【文檔編號】E21C41/16GK103742146SQ201410021228
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】石建新, 崔雲德, 王向宏, 郭傳軍, 韓吉玉 申請人:淄博王煤礦業有限公司