本發(fā)明涉及煤炭開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)棄采煤炭資源的方法，主要適用于殘采區(qū)棄采煤炭資源的安全開采。

背景技術(shù)：

受歷史技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件所限，我國(guó)許多煤礦在煤炭資源開始時(shí)出現(xiàn)了采厚棄薄、采肥丟瘦、采優(yōu)棄劣和采易棄難等現(xiàn)象，導(dǎo)致許多塊段煤柱的棄采；同時(shí)，許多礦區(qū)普遍采用柱式體系開采來(lái)維持采場(chǎng)覆巖的穩(wěn)定性，進(jìn)而防止或減少采動(dòng)影響對(duì)地面建筑物、水體和鐵路等的損傷破壞。上述開采活動(dòng)，使得采場(chǎng)遺留有許多大小不一、縱橫交錯(cuò)的煤柱群。

殘采區(qū)遺留煤柱群在我國(guó)許多礦區(qū)廣泛賦存，尤其是資源整合以來(lái)，在山西大同、西山和潞安等礦區(qū)越來(lái)越多地被發(fā)現(xiàn)，其儲(chǔ)量可觀。近年來(lái)，隨著煤炭資源有限性及其消費(fèi)需求無(wú)限性的矛盾日益突出，殘采區(qū)遺留煤柱群的復(fù)采逐漸成為廣大研究學(xué)者與工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)，其具有良好的開采價(jià)值?；厥绽眠@部分棄采的煤炭資源，不僅可以提高資源的采出率、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，而且可以延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

中國(guó)專利CN102758630A公開了一種條帶式充填置換、拱橋式充填置換、連續(xù)式充填置換和間隔式充填置換回采斷層保護(hù)煤柱的方法；中國(guó)發(fā)明專利CN1963149A公開了一種建筑物下矸石置換條帶煤柱的開采方法；中國(guó)發(fā)明專利CN102392643A通過(guò)設(shè)定了建筑物下采煤寬度和保留煤柱的寬度，首先采用充填開采的方式開采了一定寬度的煤炭資源，然后對(duì)保留煤柱進(jìn)行了二次掘進(jìn)與回采，有效地實(shí)現(xiàn)了建筑物下遺留煤柱的回收；中國(guó)發(fā)明專利CN101725352A提出了一種固體充填綜采回收房式煤柱的方法，消除了房式煤柱自然、采空區(qū)堅(jiān)硬頂板大面積垮落形成颶風(fēng)及地表大面積下沉等安全隱患；中國(guó)發(fā)明專利CN103527196A利用地面的黃土作為采空區(qū)的充填材料，采用高速動(dòng)力拋投機(jī)和推土機(jī)配合作用的方式進(jìn)行了采空區(qū)回填，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)房式煤柱的置換回收。前述發(fā)明專利能夠有效地回收利用殘采區(qū)棄采的遺留煤柱群，卻鮮有關(guān)注復(fù)采殘煤后采場(chǎng)充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

殘采區(qū)遺留煤柱群置換復(fù)采以后，采場(chǎng)充填體（尤其是柱式充填體）的受力狀態(tài)也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)換為集中分布的載荷，其在長(zhǎng)期集中載荷、鄰近煤層采動(dòng)影響、采空區(qū)積水、自然發(fā)火和地層高溫等因素的耦合作用下，會(huì)由表及里地發(fā)生片幫冒落，進(jìn)而發(fā)生承載面積減小和支撐強(qiáng)度弱化等現(xiàn)象，并引發(fā)坍塌破壞。當(dāng)采場(chǎng)充填體瞬時(shí)失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊波轉(zhuǎn)移擴(kuò)散到鄰近充填體時(shí)，可能引發(fā)采場(chǎng)充填體“多米諾骨牌”式的失穩(wěn)破壞，進(jìn)而引發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，并帶來(lái)地表沉陷以及建筑物、鐵路與水體等的損傷破壞。

綜上， 亟需尋找一種安全、科學(xué)和高效回收殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)棄采煤炭資源的安全復(fù)采，并能保障復(fù)采殘煤后采場(chǎng)充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，避免多因素耦合作用下瞬時(shí)失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，不僅能實(shí)現(xiàn)煤炭資源采出率的提高和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場(chǎng)柱式充填體發(fā)生瞬時(shí)失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害，進(jìn)而來(lái)保障殘煤復(fù)采后采場(chǎng)柱式充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法在勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域分布狀況的基礎(chǔ)上，構(gòu)筑安裝了臺(tái)階式充填模具，采用柱旁雙側(cè)分層充填的方式依次側(cè)護(hù)了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機(jī)械化復(fù)采工作面，實(shí)現(xiàn)了殘采區(qū)遺留煤柱群的安全回收。所述技術(shù)方案具體按照以下步驟進(jìn)行：

（1）結(jié)合資源枯竭型礦井原有地質(zhì)、技術(shù)資料，勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域的分布位置，繪制殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域的分布形態(tài)圖，調(diào)研柱采區(qū)域中礦井水積聚與有害氣體的賦存狀況；

（2）設(shè)計(jì)臺(tái)階式構(gòu)造充填的基本參數(shù)，包括臺(tái)階式構(gòu)造充填體的寬度、高度和層數(shù)；

（3）按照步驟（2）中確定的臺(tái)階式構(gòu)造充填參數(shù)，構(gòu)筑并安裝臺(tái)階式充填模具；

（4）根據(jù)殘采區(qū)遺留煤柱群的受力狀態(tài)，確定臺(tái)階式構(gòu)造充填體的強(qiáng)度，并配制充填膏體；

（5）在充填泵的作用下，采用柱旁雙側(cè)分層充填的方式，將步驟（4）制備的充填膏體均勻注入殘采區(qū)遺留煤柱兩側(cè)的柱采區(qū)域中，使其在臺(tái)階式充填模具中凝固、硬化，對(duì)殘采區(qū)遺留煤柱產(chǎn)生側(cè)護(hù)作用；

（6）布置短壁機(jī)械化復(fù)采工作面，采用后退式垮落法復(fù)采經(jīng)臺(tái)階式構(gòu)造充填體側(cè)護(hù)的殘采區(qū)遺留煤柱；

（7）待步驟（6）中遺留煤柱開采完畢，重復(fù)步驟（4）~（6）的施工工藝，采用臺(tái)階式構(gòu)造充填的方式依次側(cè)護(hù)殘采區(qū)鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復(fù)采。

優(yōu)選地，所述的殘采區(qū)遺留煤柱群為邊界煤柱、保安煤柱、構(gòu)造煤柱、區(qū)段煤柱、刀柱煤柱、條帶煤柱和房式煤柱的一種或者幾種的組合。

優(yōu)選地，所述的步驟（1）采用三維激光掃描儀勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱群的寬度、高度、分布區(qū)域及其失穩(wěn)狀況，了解柱采區(qū)域的分布方位、尺寸及體積，通過(guò)鉆孔勘探、物理勘探或化學(xué)勘探相結(jié)合的方法調(diào)研柱采區(qū)域中礦井水的積聚與有害氣體的賦存狀況。

優(yōu)選地，所述的步驟（2）中臺(tái)階式構(gòu)造充填體的層數(shù)須根據(jù)殘采區(qū)遺留煤柱的高度和臺(tái)階式構(gòu)造充填體的高度來(lái)確定，一般取3~5層；臺(tái)階式構(gòu)造充填體的寬度自下而上依次遞減，其中臺(tái)階式構(gòu)造充填體最上層的寬度為最下層寬度的1/3，最上層的寬度為4~6m，最下層的寬度為12~18m；臺(tái)階式構(gòu)造充填體的高度自下而上依次減小，最上層的垂高為殘采區(qū)遺留煤柱高度的1/6~1/4，最下層的垂高為殘采區(qū)遺留煤柱高度的1/3~1/2。

優(yōu)選地，所述的步驟（3）中臺(tái)階式充填模具由木質(zhì)三合板釘制或者由鋼質(zhì)材料焊接形成，包括底側(cè)模板、豎直模板和水平模板；臺(tái)階式充填模具的層數(shù)為3~5層，每層由垂直連接的豎直模板與水平模板組成，豎直模板和水平模板的數(shù)量按充填模具的層數(shù)來(lái)確定，最下層的底部設(shè)有底側(cè)模板，其與豎直模板垂直連接，能夠避免臺(tái)階式構(gòu)造充填體模具發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述的臺(tái)階式充填模具水平模板的寬度自下而上依次遞減，其中最上層水平模板的寬度為最下層寬度的1/3，最上層的寬度為4~6m，最下層的寬度為12~18m；豎直模板的高度自下而上依次減小，最上層的高度為殘采區(qū)遺留煤柱高度的1/6~1/4，最下層的高度為殘采區(qū)遺留煤柱高度的1/3~1/2；豎直模板、水平模板的厚度為5cm~15cm；底側(cè)模板的寬度為5~15m，厚度為5cm~15cm。

優(yōu)選地，所述的步驟（4）中的充填膏體的骨料選用煤礦采空區(qū)矸石、廢棄混凝土或堿渣中的一種或幾種，膠結(jié)料選用水泥、粉煤灰或廢棄棉纖中的一種或幾種，并輔以水和聚羧酸高效減水劑；充填膏體由骨料：膠結(jié)料：聚羧酸高效減水劑：水=60%~75%：8%~10%：2%~5%：15%~25%的質(zhì)量百分比配制而成，充填膏體的濃度為60%~85%。

優(yōu)選地，所述的步驟（5）中臺(tái)階式構(gòu)造充填體凝固硬化后的強(qiáng)度為5~20MPa，不僅能保證殘采區(qū)遺留煤柱群復(fù)采后采場(chǎng)覆巖發(fā)生較小的移動(dòng)變形，而且有利于臺(tái)階式構(gòu)造充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本發(fā)明的有益效果：

該發(fā)明在勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域分布狀況的基礎(chǔ)上，構(gòu)筑安裝了臺(tái)階式充填模具，采用柱旁雙側(cè)分層充填的方式依次側(cè)護(hù)了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機(jī)械化復(fù)采工作面，安全回收了殘采區(qū)遺留煤柱群。該發(fā)明公開了一種臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，不僅能實(shí)現(xiàn)煤炭資源采出率的提高和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場(chǎng)柱式充填體發(fā)生瞬時(shí)失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害，進(jìn)而來(lái)保障殘煤復(fù)采后采場(chǎng)柱式充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域分布形態(tài)圖；

圖2為臺(tái)階式構(gòu)造充填體的參數(shù)示意圖；

圖3為臺(tái)階式構(gòu)造充填模具示意圖；

圖4為臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群示意圖；其中圖4-1為臺(tái)階式構(gòu)造充填體側(cè)護(hù)殘采區(qū)遺留煤柱示意圖；圖4-2臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱示意圖；圖4-3為臺(tái)階式構(gòu)造充填體側(cè)護(hù)殘采區(qū)鄰近遺留煤柱示意圖；圖4-4為臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)鄰近煤柱示意圖。

圖中：1—遺留煤柱；2—柱采區(qū)域；3—臺(tái)階式構(gòu)造充填體；4—豎直模板；5—底側(cè)模板；6—水平模板；a—下位臺(tái)階式充填體的寬度；b—中間臺(tái)階式充填體的寬度；c—上位臺(tái)階式充填體的寬度；h₁—下位臺(tái)階式充填體的高度；h₂—中間臺(tái)階式充填體的高度；h₃—上位臺(tái)階式充填體的高度。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例旨在對(duì)本發(fā)明作示意性說(shuō)明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)目標(biāo)、特征和效果有更清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)一種臺(tái)階式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

麻地灣煤礦是婁煩縣境內(nèi)典型的資源緊缺型老礦，面臨著穩(wěn)定產(chǎn)量、提高生產(chǎn)率和提升經(jīng)濟(jì)效益等諸多問(wèn)題。20世紀(jì)80年代，麻地灣煤礦9號(hào)煤層采用刀柱法進(jìn)行開采，使得刀柱式殘采區(qū)遺留有大量的煤柱群。9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱群具有良好的復(fù)采回收價(jià)值，近年來(lái)越來(lái)越成為廣大研究學(xué)者與工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱的安全復(fù)采，不僅可以回收利用寶貴的煤炭資源，而且可以避免殘采區(qū)遺留煤柱群失穩(wěn)引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害。然而，現(xiàn)有遺留煤柱的復(fù)采理論與技術(shù)多集中于部分充填，主要考慮了殘采區(qū)遺留煤柱群的“置換式”回收，卻鮮有關(guān)注殘采區(qū)充填體在長(zhǎng)期多因素的疊加作用下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。針對(duì)上述情況，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

步驟一，結(jié)合麻地灣煤礦的原有地質(zhì)、技術(shù)資料，采用三維激光掃描儀勘探查明9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱1的寬度、高度、分布區(qū)域及其失穩(wěn)狀況，了解柱采區(qū)域2的分布方位、尺寸、體積及其覆巖垮落情況；結(jié)果表明：麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)中遺留煤柱1和柱采區(qū)域2交替均勻分布，遺留煤柱1的平均寬度為16m，平均高度為11.7m，穩(wěn)定性較好；柱采區(qū)域2的平均寬度為40m、平均高度為11.7m，覆巖直接頂發(fā)生剪切冒落；繪制麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱1和柱采區(qū)域2的分布形態(tài)圖，如圖1所示。

步驟二，設(shè)計(jì)麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)臺(tái)階式構(gòu)造充填的基本參數(shù)，主要有：①根據(jù)殘采區(qū)遺留煤柱1的高度和臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的高度確定，臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的層數(shù)為3；②臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的寬度為：下層臺(tái)階式充填體的寬度a為18m，中間層臺(tái)階式充填體的寬度b為12m，上層臺(tái)階式充填體的寬度c為6m；③臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的高度為：下層臺(tái)階式充填體的高度h₁為5m，中間層臺(tái)階式充填體的高度h₂為4.0m，上層臺(tái)階式充填體的高度h₃為2.7m，如圖2所示。

步驟三，根據(jù)步驟二中確定的臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的基本參數(shù)，構(gòu)筑臺(tái)階式構(gòu)造充填模具，構(gòu)筑過(guò)程中為了防止產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)，在臺(tái)階式構(gòu)造充填模具的底部設(shè)置了寬為10m底側(cè)模板5，如圖3所示；安裝構(gòu)造充填模具在殘采區(qū)遺留煤柱1的左右兩側(cè)。

所述的臺(tái)階式充填模具包括底側(cè)模板5、豎直模板4、水平模板6，臺(tái)階式充填模具的層數(shù)為3層，每層由垂直連接的豎直模板4與水平模板6組成，該模具包括三塊豎直模板和兩塊水平模板，最下層的底部設(shè)有底側(cè)模板用于支撐上方的豎直模板，底側(cè)模板5與豎直模板4垂直連接，進(jìn)而避免臺(tái)階式構(gòu)造充填體模具發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述的臺(tái)階式充填模具由木質(zhì)三合板釘制或者由鋼質(zhì)材料焊接形成。所述的水平模板的寬度自下而上依次遞減，豎直模板的高度自下而上依次減小，尺寸依臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的尺寸而定；各模板的厚度為5cm~15cm。

步驟四，根據(jù)麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱1的受力狀態(tài)，確定臺(tái)階式構(gòu)造充填體3的強(qiáng)度，并按照質(zhì)量百分比為廢棄混凝土：粉煤灰：水泥：聚羧酸高效減水劑：水=60%：10%：5%：25%的比例配制充填膏體；充填膏體的濃度為74%。

步驟五，在充填泵的作用下，采用柱旁雙側(cè)分層充填的方式，將步驟四制備的充填膏體均勻注入麻地灣煤礦9號(hào)煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱1兩側(cè)的柱采區(qū)域2中，使其在臺(tái)階式充填模具4中凝固、硬化，對(duì)殘采區(qū)遺留煤柱1產(chǎn)生側(cè)護(hù)作用；

步驟六，布置短壁機(jī)械化復(fù)采工作面，采用后退式垮落法復(fù)采經(jīng)臺(tái)階式構(gòu)造充填體3側(cè)護(hù)的殘采區(qū)遺留煤柱1；

步驟七，待步驟六中遺留煤柱1開采完畢，重復(fù)步驟四、步驟五和步驟六的施工工藝，采用臺(tái)階式構(gòu)造充填的方式依次側(cè)護(hù)殘采區(qū)鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復(fù)采。

以上所述為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，在不脫離本發(fā)明所述技術(shù)實(shí)質(zhì)與原理的前提下對(duì)上述實(shí)施方法作出的任何改進(jìn)與修潤(rùn)，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。