連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，適用于厚度在1米及以上煤層，能夠以較少充填量實現控制地表沉降及其環(huán)境損害，其步驟如下：在壁式采煤工作面，沿其平行方向將采空區(qū)依次分割成若干個充填單元和留空單元，用移動式液壓密閉充填裝置將每個充填單元進行密閉，在充填單元的最高點設置通氣孔，將每個充填單元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(tǒng)，用膨脹性漿體材料進行充填，直至充滿充實每個充填單元；沿工作面推進方向，移動液壓密閉充填裝置向前移動一個充填步距，形成新的密閉充填單元，重復充填動作，直至一個采煤面結束，采空區(qū)形成由若干個墻式固結充填體為支點和直接頂或老頂巖體為連續(xù)梁的橋式空間結構。
【專利說明】連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，適用于厚度在1米及以上的煤層，屬于煤炭開采充填領域。
【背景技術】
[0002]為了控制地表沉降及其環(huán)境損害，部分煤炭開采企業(yè)選用了全采全充的充填法采煤工藝。這種充填法采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，充填材料直接成本的增加幅度也難以控制；二是因為充填工作量相對較大，擠占采煤工序的時間也相對較多，由此造成采煤工作面原有的生產效率大幅度降低。

【發(fā)明內容】

[0003]根據以上現有技術中的不足，本發(fā)明要解決的技術問題是:提供一種適用于厚度在1米及以上煤層、能夠以較少充填量實現控制地表沉降及其環(huán)境損害的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝。
[0004]本發(fā)明所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，該工藝按下述步驟進行:
[0005]①在壁式采煤工作面，沿其平行方向將采空區(qū)依次分割成若干個長方體的充填單元和留空單元，充填單元和留空單元間隔設置:
[0006]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 ；
[0007]2)設計每個充填單元的寬度K為1.5?2倍的采煤高度h，長度L為一天的推進
距離，
[0008]3)設計留空單元的平行和垂直跨度均為H=PX (1/2?2/3)；
[0009]②采用移動式液壓密閉充填裝置，將每個充填單元進行密閉，并在充填單元的最高點設置通氣孔，移動液壓密閉充填裝置是本單位已經授權的專利(專利號為201210125192.X)；
[0010]③將已經密閉的每個充填單元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(tǒng)，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向施壓的移動式液壓密閉充填裝置進行充填，直至充滿充實每個充填單元；
[0012]⑤膨脹性漿體材料固結10?12小時后，沿工作面推進方向移動液壓密閉充填裝置向前移動一個充填步距，再形成新的密閉充填單元，準備下一個充填循環(huán)；
[0013]⑥隨著采煤工作面推進，重復第③?⑤的步驟，直至一個采煤面結束，一個采煤面結束后，整個采空區(qū)形成了由若干個墻式固結充填體為支點和直接頂或老頂巖體為連續(xù)梁的橋式空間結構；
[0014]⑦根據地面建筑物保護等級的要求，確定對采空區(qū)的留空部分進行全部重填、部分充填或不充填，充填時，重復第③?④的步驟。
[0015]所述的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，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?100kg/m3
固化劑20?50kg/m3
水750 ?900kg/m3
[0017]其中，所述的基料是粉煤灰、尾礦、赤泥、風積沙中的一種或幾種；膨脹劑是鋅粉或者石膏粉或兩者的混合物；速凝劑是鈣、鋁氧熟料的混合物；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后，2小時開始固化，8小時固化結束并實現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lOMPa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]以每個充填單元的固結充填體為支點，以直接頂或老頂的巖體為懸梁，整個采空區(qū)形成了連續(xù)梁橋式的空間結構。由于每一個直接頂或老頂巖體梁的跨度小于其破斷步距，采空區(qū)的頂板不會垮落。因此，該方法能夠保證頂板在整個開采過程中保持原始的地質力學平衡狀態(tài)，從而把地表沉降及其環(huán)境損害控制在允許的任意程度之內。
[0021]本發(fā)明適用于厚度在1米及以上的煤層。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于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。采用移動式液壓密閉充填裝置將每個充填單元進行密閉，且將已經密閉的每個充填單元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(tǒng)，使用膨脹性漿體材料對充填單元進行充填。一個采煤面結束，整個采空區(qū)就形成了連續(xù)梁橋式的空間結構。根據地面建筑物保護等級的要求，確定對留空單元是否全部充填、部分充填或不充填。本方法可以用最小的充填成本將地表沉降及其環(huán)境損害控制在允許的任意程度之內，并保持采煤工作面的勞動效率不降低，屬于1米及以上煤層充填開采【技術領域】。
[0022]本發(fā)明所具有的有益效果是:
[0023]本連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，適用于厚度在1米及以上煤層的充填開采，本工藝只需要將15-30%的采空區(qū)充實，就能有效控制頂板不垮落和地表不沉降，由此，減少了充填材料的需求數量、降低了充填工藝的直接成本、縮短了充填工序的作業(yè)時間和保持了采煤工序的生產效率?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1采煤工作面初始狀態(tài)平面示意圖；
[0025]圖2采煤工作面開始回采狀態(tài)平面態(tài)示意圖；
[0026]圖3采煤工作面開始充填狀態(tài)平面示意圖；
[0027]圖4采煤工作面回采與充填狀態(tài)平面示意圖；
[0028]圖5采煤工作面充填結果平面示意圖；
[0029]圖6采煤工作面充填結果垂直示意圖。
[0030]圖中:1、煤層；2、采空區(qū)；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(fā)明的實施例做進一步描述:
[0032]具體結合厚度為1.5米的4-2的煤層1對本發(fā)明連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝作具體說明:
[0033]①頂板巖性分析及充填尺寸確定:
[0034]煤4-2壁式采煤工作面3，相對位置在縣級道路和村莊下面，煤層1厚度1?2米，平均1.5米；傾角5°?11°，平均8° ;瘦煤。底板為1.5米厚的炭質泥巖，頂板為4米厚的粉砂巖，充填采煤工作面3走向長度120米，傾向長度600米，沿平行工作面3方向均勻布置10個長方體的充填單元4和10個長方體的留空單元6，充填單元4和留空單元6間隔設置，經開采實測，直接頂的破斷步距P (即初次來壓步距)為18?25米，周期來壓步距為15?20米，安全起見，設計每個充填單元4的寬度K為3米、充填單元4的中心距離為12米。
[0035]②每個充填單元4配置一個移動式液壓密閉充填裝置，采用移動式液壓密閉充填裝置將每個充填單元4進行密閉，并在充填單元4的最高點設置通氣孔，移動液壓密閉充填裝置是本單位已經授權的專利(專利號為201210125192.X)；
[0036]③將已經密閉的每個充填單元4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(tǒng)，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向施壓的移動式液壓密閉充填裝置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，速凝劑選用鈣和鋁氧熟料的混合物，固化劑選用水泥和爐渣的混合物，各原料按以下配比組成:粉煤灰、赤泥和尾砂500?650kg，鋅粉0.7?1kg，石膏粉5?10kg，鈣、鋁氧熟料70?100kg，水泥和爐渣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后2小時開始固化，8小時固化結束并實現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1.51MPa，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小膨脹性漿體材料凝固膨脹支撐頂板時，沿工作面3推進方向移動液壓密閉充填裝置向前移動一個充填步距，準備下一個充填循環(huán)；
[0039]⑥隨著采煤工作面3推進，重復第③?⑤的步驟，各個充填單元4逐步加長，直至一個采煤面結束，在采空區(qū)2內形成以每個充填單元4的固結充填體5為支點，以直接頂巖體為懸梁的連續(xù)梁橋式空間結構。由于每一個直接頂巖體梁的跨度小于其破斷步距，采空區(qū)2的頂板不會垮落；
[0040]⑦工作面3推進到100米、200米、300米、400米、500米、采煤結束時對2#、4#、6#、
8#、10#空間進行了集中部分充填，采空區(qū)2最終充填率達到58%。
[0041]通過采用本連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝對上下連續(xù)的兩個4-2采煤工作面3實施充填開采，將采空區(qū)2的充填率控制在了 28%左右。經觀察測量達到以下效果:采高1.2米、傾角8°、底板為1.5米厚炭質泥巖、頂板為4米厚粉砂巖、埋深310米、開采區(qū)域范圍600米X240米，實施28%部分充填后，地表沉降平均為3毫米左右，達到三下采煤一級保護要求，其上村莊、房屋、道路、農田得到保護，采區(qū)回采率達到99.5%，比條帶式采煤提高50%以上，生產效率與非充填采煤面的180噸/日基本持平。
【權利要求】
1.一種連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于:按下述步驟進行: ①在壁式采煤工作面(3)，沿其平行方向將采空區(qū)依次分割成若干個長方體的充填單元(4)和留空單元(6)，充填單元(4)和留空單元(6)間隔設置: 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)的寬度K為1.5~2倍的采煤高度h，長度L為一天的推進距離； 3)設計留空單元(6)的平行和垂直跨度均為H=PX(1/2~2/3)； ②采用移動式液壓密閉充填裝置，將每個充填單元(4)進行密閉，并在充填單元(4)的最高點設置通氣孔； ③將已經密閉的每個充填單元(4)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(tǒng)； ④利用膨脹性漿體材料向施壓的移動式液壓密閉充填裝置進行充填，直至充滿充實每個充填單元(4)； ⑤膨脹性漿體材料固結10~12小時后，沿工作面(3)推進方向移動液壓密閉充填裝置向前移動一個充填步距，再形成新的密閉充填單元(4)，準備下一個充填循環(huán)； ⑥隨著采煤工作面(3)推進，重復第③~⑤的步驟，直至一個采煤面結束，一個采煤面結束后，整個采空區(qū)形成了由若干個墻式固結充填體(5)為支點和直接頂或老頂巖體為連續(xù)梁的橋式空間結構； ⑦根據地面建筑物保護等級的要求，確定對采空區(qū)的留空部分進行全部重填、部分充填或不充填，充填時，重復第③~④的步驟。
2.根據權利要求1所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的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，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:基 I I500~650kg/m3 膨脹劑0 7~lkg/m3 速凝劑70~100kg/m3 固化劑20~50kg/m3水750 ~900kg/m3
3.根據權利要求2所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的基料是粉煤灰、尾礦、赤泥、風積沙中的一種或幾種。
4.根據權利要求2所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于: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所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的速凝劑是鈣、鋁氧熟料的混合物。
6.根據權利要求2所述的連續(xù)梁橋式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的固化劑是水泥或者爐渣或兩者的混合物。`
【文檔編號】C04B18/04GK103742147SQ201410021375
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權日:2014年1月17日
【發(fā)明者】石建新, 崔云德, 王向宏, 郭傳軍, 韓吉玉 申請人:淄博王煤礦業(yè)有限公司