專利名稱：中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，適用于厚度在2 米以下的煤層，屬于煤炭開采充填領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，煤炭行業(yè)采用的充填開采方法可以歸納以下幾種一是根據(jù)充填材料的種類，可分為水沙、矸石、粉煤灰、尾礦等四種；二是根據(jù)充填材料的物理形態(tài)，可分為固體、膏體、似膏體、流體等四種；三是根據(jù)采煤工作面的開采工藝，可分為長壁、條帶、巷道等三種； 四是根據(jù)充填材料的輸送方式，可分為機械和自流兩種。評價充填效果的關(guān)鍵元素主要有充填率、充填體強度和充填體穩(wěn)定性等三個方面。在充填率方面，分為全部充填和部分充填。部分充填又分為水平方向部分充填、垂直方向部分充填。在我國，煤炭行業(yè)的充填開采普遍采用水沙、矸石、膏體、似膏體等難以自流的充填材料及其機械輸送的方式進行。所有的充填方法主要針對長壁回采工作面的采空區(qū)，進行水平方向的全部充填和垂直方向的部分充填。這些方法，一是由于在垂直方向上不能實現(xiàn)全部充填(即完全接頂)，因此，雖然能對煤層開采后帶來的地表沉降進行有效控制，但難以控制在允許的最小程度之內(nèi)；二是由于采用機械方式輸送充填材料，存在充填工藝復(fù)雜、運行成本高、充填效率低等諸多不利因素。

發(fā)明內(nèi)容
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)問題是提供一種利用充填體控制充填帶上覆巖層的移動變形、利用關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層控制垮落帶上覆巖層的移動變形且能夠通過流體膨脹材料自流輸送的充填方式將煤層開采后帶來的地表沉降控制在允許的最小程度之內(nèi)的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，尤其適用于厚度在2 米以下的煤層。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于該方法按下述步驟進行(1)按照長壁回采工藝布置采煤工作面及其生產(chǎn)系統(tǒng)，確定垮落帶和充填帶的寬度對煤層的上覆巖層性質(zhì)進行綜合分析，確定對控制上覆巖層移動起主要作用的巖層-關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層，并模擬計算關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的極限跨度L和安全跨度M ；對煤層的老頂巖性進行分析，確定老頂?shù)某醮蝸韷翰骄郃 ；按照“垮落帶寬度小于關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的安全跨度和充填帶寬度小于老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷钡脑瓌t，分別確定垮落帶寬度R和充填帶寬度N，即R < M、N < A ；(2)開采充填帶自采煤工作面開采線始，按垮落帶、充填帶的排列次序，將工作面劃分成若干個垮落帶和充填帶，按照長壁采煤工作面的采煤工藝對第一個充填帶進行開采；(3)對充填帶的采空區(qū)進行充填首先，在充填帶采空區(qū)的兩端分別構(gòu)筑充填擋墻，與兩側(cè)的煤壁形成充填帶采空區(qū)的充填區(qū)，進風(fēng)巷端的充填擋墻預(yù)留有充填口，流體膨脹材料通過管道從充填口自流輸送到充填區(qū)，當(dāng)流體膨脹材料液位達到充填口下沿時，停止充填，撤出充填管路，封堵充填口 ；(4)開采垮落帶充填帶的充填工序完成后，采用長壁采煤工藝對垮落帶進行開采，從工作面開采線開始開采第一個垮落帶，開采結(jié)束后，該采空區(qū)不再進行充填，然后，再進行第二組充填帶的開采充填和垮落帶的開采，如此循環(huán)，直至采煤工作面的停采線。所述流體膨脹材料是由基料、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，各原料按以下配比組成
基料300 400kg/m3膨脹劑0.2 lkg/m3延緩劑0.6 0.8kg/m3固化劑30 100kg/m3水800 1000kg/m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；膨脹劑是鎂粉或鋁粉；延緩劑是石膏粉；固化劑是石灰、水泥和爐渣的一種或幾種。流體膨脹材料能夠?qū)崿F(xiàn)大倍線自流輸送，在到達充填區(qū)后，2 4小時開始固化， 8 12小時固化結(jié)束并實現(xiàn)10% 30%的體積膨脹達到充分接頂，16 M小時達到支撐強度1. 5 2. 5Mpa，3 7天達到支撐強度5 IOMpa以上，可以滿足及時充填、快速凝固、 充分接頂?shù)囊?。本方法控制頂板的原理是一、在充填帶區(qū)域，利用充填體控制煤層的上覆巖層的移動變形；二、在垮落帶區(qū)域，利用關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層控制上覆巖層的移動變形。本方法能夠保證在整個煤層的開采過程中，煤層的上覆巖層和關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的上覆巖層的原始地質(zhì)力學(xué)保持平衡狀態(tài)，從而把地表沉降控制在允許的最小程度之內(nèi)，使采區(qū)回采率達到95 %以上，相比傳統(tǒng)條帶式開采和房柱式開采工藝，采區(qū)回采率提高了 50%以上。本發(fā)明所具有的有益效果是本發(fā)明適用于厚度在2米以下的煤層，按照長壁回采工藝布置采煤工作面及其生產(chǎn)系統(tǒng)，依據(jù)煤層老頂初次垮落步距和關(guān)鍵層理論，按照垮落帶寬度小于關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的安全跨度、充填帶的寬度小于老頂初次垮落步距的原則，分別確定垮落帶寬度和充填帶寬度；使用流體膨脹材料對充填帶的采空區(qū)進行全部充填；利用充填體控制充填帶上覆巖層的移動變形，利用關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層控制垮落帶上覆巖層的移動變形；本方法與現(xiàn)行的利用矸石、膏體等材料進行充填的各種長壁充采工藝相比，將地表沉降控制在了允許的最小程度之內(nèi)，使采區(qū)回采率大大提高。


圖1是采煤工作面垮落帶和充填帶劃分示意圖；圖2是采完第一個充填帶、構(gòu)筑充填擋墻后的示意圖；圖3是第一個充填條充填結(jié)束、開采第一個垮落帶的示意圖；圖4是開采第二個充填帶的示意圖；圖5是工作面到達停采線時的示意圖。圖中1、開采線；2、垮落帶；3、充填帶；4、采區(qū)回風(fēng)巷；5、采區(qū)進風(fēng)巷；6、充填擋墻；7、充填擋墻；8、流體膨脹材料。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步描述具體結(jié)合259采區(qū)的條帶式充填開采對本發(fā)明作具體說明1、按照走向長壁采煤工作面布置采區(qū)巷道，工作面長度120米。2、煤-9的頂板巖性分析、關(guān)鍵層及充填尺寸的確定煤-9厚度1. 5 1. 8米，直接頂?shù)暮穸?. 2 1. 5米，其巖性為頁巖或砂頁巖互層，部分塊段為泥巖。直接頂?shù)纳喜恳来畏謩e為1、厚度1米左右的石灰?guī)r，2、厚度4. 3米左右的粉砂巖，3、厚度2 3米炭質(zhì)泥巖和泥頁巖，4、厚度5米左右的砂巖，6、之上全部為厚度小于三米的巖層。據(jù)此分析，對煤-9開采后對控制上覆巖層的移動變形程度起主要作用的關(guān)鍵層是厚度4. 3米左右的粉砂巖和其上部厚度5米左右的砂巖，屬于復(fù)合關(guān)鍵層。 根據(jù)復(fù)合關(guān)鍵層的模擬計算和其它采區(qū)煤-9開采時的礦壓觀測數(shù)據(jù)，此種類型復(fù)合關(guān)鍵層的極限跨度在35米 45米，安全跨度在30米 35米；老頂初次垮落步距在25米 30 米。因此，確定復(fù)合關(guān)鍵層極限跨度為35米，安全跨度為30米，垮落帶寬度為30米，充填帶寬度為20米，充填率40%，圖1是采煤工作面垮落帶和充填帶劃分示意圖。3、第一個充填帶的開采、充填在25901采煤工作面開采線1的前方30米處開寬度2. 5米的切眼；建立工作面后進行推采，當(dāng)開采的寬度達到一個充填帶3的寬度20米時停止開采，撤出設(shè)備。在采區(qū)回風(fēng)巷4端構(gòu)筑充填擋墻6，充填擋墻厚度300毫米，用200#水泥砂漿抹逢，周邊進行防滲漏處理；在采區(qū)進風(fēng)巷5端構(gòu)筑充填擋墻7，頂部預(yù)留一個300毫米X 300毫米的充填口，用 200#水泥砂漿抹逢，周邊進行防滲漏處理。在充填擋墻固結(jié)M小時后，通過直徑219毫米超高分子量聚乙烯內(nèi)襯的鋼質(zhì)管路采用流體膨脹材料8進行充填，充填能力為260立方米 /小時；當(dāng)流體膨脹材料8的液位達到充填口的下沿時，停止充填工作，撤出充填管路，封堵充填口。采完第一個充填帶、構(gòu)筑充填擋墻后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述流體膨脹材料是由基料、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿?；线x用粉煤灰、赤泥和尾砂；膨脹劑選用鎂粉，延緩劑選用石膏粉，固化劑選用水泥和爐渣，各原料按以下配比組成以任意比例混合的粉煤灰、赤泥和尾砂380kg，鎂粉0. 9kg，石膏粉0. 8kg, 水泥和爐渣100kg，水1000kg。充填流體膨脹材料在達到充填區(qū)后2小時開始固化，8小時固化結(jié)束并實現(xiàn)15%的體積膨脹達到充分接頂，24小時達到支撐強度1. 53Mpa, 7天達到支撐強度lOMpa。4、開采第一個垮落帶
充填帶3的充填工序完成后，采用長壁采煤工藝對垮落帶2進行開采，從25901采煤工作面開采線開始開采第一個垮落帶2，開采結(jié)束后，該采空區(qū)不再進行充填，然后，再進行第二組充填帶3的開采充填和垮落帶2的開采，如此循環(huán)，直至采煤工作面的停采線。在具體實施時，也可以采用這種方式在第一個充填帶3進行充填工序的同時，在 25901采煤工作面的開采線1處開切眼、布置回采工作面。當(dāng)回采工作面推采至第一個充填帶3的充填體(流體膨脹材料8)后，第一個垮落帶2開采，其示意圖如圖3所示；然后，進行第二組充填帶3的開采充填和垮落帶2的開采，垮落帶2的開采與充填帶3的充填工序平行作業(yè)。如此循環(huán)，直至到達25901采煤工作面停采線，再用同樣方式對25903采煤工作面進行開采與充填，開采完(即工作面到達停采線時)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。5、259采區(qū)走向長1570米，傾斜寬830米，開采面積130萬平方米。采用流體膨脹材料進行部分充填，在平均采高1. 7米、傾角11°、采深230 380米的情況下，采用40% 的充填率，在整個采區(qū)充填開采完畢后達到以下效果地表沉降平均為7. 3毫米，沒有導(dǎo)致村莊房屋、道路發(fā)生破壞現(xiàn)象；采煤300萬噸，采區(qū)回采率達到98%;充填材料用量95萬立方米，為開采量的43%。
權(quán)利要求
1.一種中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于該方法按下述步驟進行(1)按照長壁回采工藝布置采煤工作面及其生產(chǎn)系統(tǒng)，確定垮落帶和充填帶的寬度 對煤層的上覆巖層性質(zhì)進行綜合分析，確定對控制上覆巖層移動起主要作用的巖層-關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層，并模擬計算關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的極限跨度L和安全跨度M ；對煤層的老頂巖性進行分析，確定老頂?shù)某醮蝸韷翰骄郃 ；按照“垮落帶寬度小于關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的安全跨度和充填帶寬度小于老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷钡脑瓌t，分別確定垮落帶寬度R和充填帶寬度N，即:R<M、N<A;(2)開采充填帶自采煤工作面開采線始，按垮落帶、充填帶的排列次序，將工作面劃分成若干個垮落帶和充填帶，按照長壁采煤工作面的采煤工藝對第一個充填帶進行開采；(3)對充填帶的采空區(qū)進行充填首先，在充填帶采空區(qū)的兩端分別構(gòu)筑充填擋墻，與兩側(cè)的煤壁形成充填帶采空區(qū)的充填區(qū)，進風(fēng)巷端的充填擋墻預(yù)留有充填口，流體膨脹材料通過管道從充填口自流輸送到充填區(qū)，當(dāng)流體膨脹材料液位達到充填口下沿時，停止充填，撤出充填管路，封堵充填口 ；(4)開采垮落帶充填帶的充填工序完成后，采用長壁采煤工藝對垮落帶進行開采，從工作面開采線開始開采第一個垮落帶，開采結(jié)束后，該采空區(qū)不再進行充填，然后，再進行第二組充填帶的開采充填和垮落帶的開采，如此循環(huán)，直至采煤工作面的停采線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于所述流體膨脹材料是由基料、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，各原料按以下配比組成基料300 400kg/m3膨脹劑0.2 lkg/m3延緩劑0.6 0.8kg/m3固化劑30 100kg/m3水800 1000kg/m
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，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所述的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于所述的膨脹劑是鎂粉或鋁粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于所述的延緩劑是石膏粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，其特征在于所述的固化劑是石灰、水泥和爐渣的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開采方法，屬于煤炭開采充填領(lǐng)域。本方法適用于厚度在2米以下的煤層，按照長壁回采工藝布置采煤工作面及其生產(chǎn)系統(tǒng)，依據(jù)煤層老頂初次垮落步距和關(guān)鍵層理論，按照垮落帶寬度小于關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層的安全跨度、充填帶的寬度小于老頂初次垮落步距的原則，分別確定垮落帶寬度和充填帶寬度；使用流體膨脹材料對充填帶的采空區(qū)進行全部充填；利用充填體控制充填帶上覆巖層的移動變形，利用關(guān)鍵層或復(fù)合關(guān)鍵層控制垮落帶上覆巖層的移動變形；本方法與現(xiàn)行的利用矸石、膏體等材料進行充填的各種長壁充采工藝相比，將地表沉降控制在了允許的最小程度之內(nèi)，使采區(qū)回采率大大提高。
文檔編號C04B28/12GK102392644SQ201110388670
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者王葦, 石建新 申請人:淄博市王莊煤礦