墩柱式充填法采煤工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種墩柱式充填法采煤工藝，其步驟如下：在壁式采煤工作面，分別沿其平行、垂直方向?qū)⒉煽諈^(qū)依次設(shè)計(jì)分割成若干個(gè)充填單元和留空單元；采用土工布防滲真空袋組成充填單元，并將其與漿體材料的制送自助一體化設(shè)備連接成連通器式的充填系統(tǒng)；用膨脹性漿體材料充滿每個(gè)充填單元；當(dāng)工作面的推進(jìn)距離達(dá)到L+M時(shí)，重復(fù)上述步驟，直至一個(gè)采煤面結(jié)束。整個(gè)采空區(qū)形成由若干個(gè)墩柱式固結(jié)充填體為支點(diǎn)和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結(jié)構(gòu)。本工藝適用于厚度在1.3米以下煤層的充填開采，只需將10-20%的采空區(qū)充實(shí)，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(yè)時(shí)間縮到最短、采煤生產(chǎn)效率保持到最高。
【專利說明】墩柱式充填法采煤工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種墩柱式充填法采煤工藝，適用于厚度在1.3米以下的煤層，屬于煤炭開采充填領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為了控制地表沉降及其環(huán)境損害，有些煤炭開采企業(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?yàn)樾枰涮畹目臻g量相對較大，充填材料供不應(yīng)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?yàn)槌涮罟ぷ髁肯鄬^大，擠用了采煤工序的作業(yè)時(shí)間，采煤工作面原有的生產(chǎn)效率大幅度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種適用于厚度在1.3米以下的煤層、能夠以最少的充填量實(shí)現(xiàn)控制地表沉降及其環(huán)境損害的墩柱式充填法采煤工藝。
[0004]本發(fā)明所述的墩柱式充填法采煤工藝，該工藝按下述步驟進(jìn)行:
[0005]①在壁式采煤工作面，分別沿其平行和垂直方向?qū)⒉煽諈^(qū)依次設(shè)計(jì)分割成若干個(gè)長方體的充填單元和留空單元:
[0006]I)通過理論計(jì)算和現(xiàn)場觀測，確認(rèn)直接頂或老頂巖體的破斷步距P ；
[0007]2)設(shè)計(jì)每個(gè)充填單元的長度M和寬度N為2?3倍的采煤高度H ；
[0008]3)設(shè)計(jì)留空單元的平行和垂直跨度均為L=PX (1/2?2/3)；
[0009]②采用折徑為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(shè)備，連接成為一個(gè)連通器式的充填系統(tǒng)，漿體材料的制送自助一體化設(shè)備是本單位已經(jīng)授權(quán)的專利(專利號為201320219898.2)；
[0011]④利用膨脹性漿體材料進(jìn)行充填，直至充滿每個(gè)土工布防滲真空袋；
[0012]⑤膨脹性漿體材料固結(jié)10?12小時(shí)后，充填體達(dá)到支撐能力；
[0013]⑥當(dāng)工作面的推進(jìn)距離達(dá)到L+M時(shí)，重復(fù)第②?⑤的步驟，直至一個(gè)采煤面結(jié)束；
[0014]⑦一個(gè)采煤面結(jié)束后，整個(gè)采空區(qū)形成了由若干個(gè)墩柱式固結(jié)充填體為支點(diǎn)和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結(jié)構(gòu)。
[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(fēng)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(jié)束后，2小時(shí)開始固化，8小時(shí)固化結(jié)束并實(shí)現(xiàn)10%以下的體積膨脹達(dá)到充分接頂，24小時(shí)達(dá)到支撐強(qiáng)度1.5Mpa，28天達(dá)到最終強(qiáng)度IOMpa以上。因此，可以滿足及時(shí)充填、快速凝固、充分接頂?shù)囊蟆?br> [0019]本方法控制頂板的原理是:
[0020]以每個(gè)土工布防滲真空袋充填為單元的固結(jié)充填體為支點(diǎn)，以直接頂或老頂?shù)膸r體為天花板，整個(gè)采空區(qū)形成了房室空間結(jié)構(gòu)。由于每一個(gè)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(gè)開采過程中保持原始的地質(zhì)力學(xué)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(nèi)。
[0021]本發(fā)明適用于厚度在1.3米以下的煤層。依據(jù)煤層的厚度和工作面的推進(jìn)速度，確定每個(gè)充填單元的幾何尺寸；按照每個(gè)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(shù)量。采用折徑為R=6H的土工布防滲真空袋，組成充填單元。采用漿體材料的制送自助一體化設(shè)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(jìn)行充填。一個(gè)采煤面結(jié)束，整個(gè)采空區(qū)就形成了房室空間結(jié)構(gòu)。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(nèi)，并保持采煤工作面的勞動效率不降低，屬于1.3米以下煤層充填開采【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0022]本發(fā)明所具有的有益效果是:
[0023]本墩柱式充填法采煤工藝，適用于厚度在1.3米以下煤層的充填開采，本方法只需要將10-20%的采空區(qū)充實(shí)，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(shù)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(yè)時(shí)間縮到了最短，采煤工序的生產(chǎn)效率保持到最高。
【專利附圖】

【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(jié)果平面示意圖；
[0029]圖6采煤工作面充填結(jié)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(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步描述:
[0032]具體結(jié)合厚度為1.2米的4-2煤層1，對本發(fā)明墩柱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，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(zhì)泥巖，頂板為4米厚的粉砂巖。經(jīng)開采實(shí)測，初次來壓步距即直接頂?shù)钠茢嗖骄郟為18?25米;
[0035]②設(shè)計(jì)每個(gè)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(gè)充填單元4和10個(gè)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(shè)備連接成為一個(gè)連通器式的充填系統(tǒng)，漿體材料的制送自助一體化設(shè)備是本單位已經(jīng)授權(quán)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(shè)備向充填單元4充填膨脹性漿體材料，直至充滿充實(shí)每個(gè)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后2小時(shí)開始固化，8小時(shí)固化結(jié)束并實(shí)現(xiàn)3?10%的體積膨脹達(dá)到充分接頂，12小時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8Mpa，24小時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.5IMpa, 7天抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa，28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)到15.7Mpa。
[0038]⑤待10?12小時(shí)后，膨脹性漿體材料實(shí)現(xiàn)膨脹性凝固，充填體5達(dá)到支撐能力；
[0039]⑥當(dāng)工作面3的推進(jìn)距離達(dá)到L+M時(shí)，重復(fù)③?⑤的步驟，直到一個(gè)工作面3結(jié)束。最終，在采空區(qū)2內(nèi)形成了若干個(gè)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(diǎn)、直接頂巖體為天花板的房室空間結(jié)構(gòu)。由于每一個(gè)直接頂巖體的跨度小于其破斷步距P，采空區(qū)2的頂板不會垮落。
[0040]通過采用本墩柱式充填法采煤工藝，充填率在11%左右。經(jīng)觀察測量達(dá)到以下效果:在采煤高度1.2米、埋藏深度310米、開采范圍600米X 240米的情況下，地表沉降平均為3?5毫米，相關(guān)道路和房屋沒有受到破壞，采區(qū)回采率達(dá)到到99.5%，生產(chǎn)效率與非充填采煤面的180噸/日基本持平。
【權(quán)利要求】
1.一種墩柱式充填法采煤工藝，其特征在于:按下述步驟進(jìn)行: ①在壁式采煤工作面(3)，分別沿其平行和垂直方向?qū)⒉煽諈^(qū)依次設(shè)計(jì)分割成若干個(gè)長方體的充填單元(4)和留空單元(6): 1)通過理論計(jì)算和現(xiàn)場觀測，確認(rèn)直接頂或老頂巖體的破斷步距P； 2)設(shè)計(jì)每個(gè)充填單元(4)的長度M和寬度N為2~3倍的采煤高度H； 3)設(shè)計(jì)留空單元(6)的平行和垂直跨度均為L=PX(1/2~2/3)； ②采用折徑為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(shè)備，連接成為一個(gè)連通器式的充填系統(tǒng)； ④利用膨脹性漿體材料進(jìn)行充填，直至充滿每個(gè)土工布防滲真空袋； ⑤膨脹性漿體材料固結(jié)10~12小時(shí)后，充填體(5)達(dá)到支撐能力； ⑥當(dāng)工作面(3)的推進(jìn)距離達(dá)到L+M時(shí)，重復(fù)第②~⑤的步驟，直至一個(gè)采煤面結(jié)束； ⑦一個(gè)采煤面結(jié)束后，整個(gè)采空區(qū)(2)形成了由若干個(gè)墩柱式固結(jié)充填體(5)為支點(diǎn)和直接頂或老頂巖體為天花板的房室空間結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的墩柱式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的膨脹性漿體材料是由基料、膨脹劑、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(jù)權(quán)利要求2所述的墩柱式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的基料是粉煤灰、尾礦、赤泥和風(fēng)積沙的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的墩柱式充填法采煤工藝，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(jù)權(quán)利要求2所述的墩柱式充填法采煤工藝，其特征在于:所述的速凝劑是石灰。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的墩柱式充填法采煤工藝，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】E21C41/16GK103742146SQ201410021228
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)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