一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法。該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)筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側(cè)充填的方式依次側(cè)護了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復(fù)采工作面，安全回收了殘采區(qū)遺留煤柱群。該發(fā)明不僅能實現(xiàn)煤炭資源采出率的提高和企業(yè)經(jīng)濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發(fā)生瞬時失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動力災(zāi)害，進而來保障殘煤復(fù)采后采場柱式充填體的長期穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及煤炭開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種梯式構(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)】
[0002]受歷史技術(shù)、經(jīng)濟等條件所限，我國許多煤礦在煤炭資源開始時出現(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，許多礦區(qū)普遍采用柱式體系開采來維持采場覆巖的穩(wěn)定性，進而防止或減少采動影響對地面建筑物、水體和鐵路等的損傷破壞。上述開采活動，使得采場遺留有許多大小不一、縱橫交錯的煤柱群。
[0003]殘采區(qū)遺留煤柱群在我國許多礦區(qū)廣泛賦存，尤其是資源整合以來，在山西大同、西山和潞安等礦區(qū)越來越多地被發(fā)現(xiàn)，其儲量可觀。近年來，隨著煤炭資源有限性及其消費需求無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，其具有良好的開采價值?；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)濟效益，而且可以延長礦井服務(wù)年限、促進可持續(xù)發(fā)展。
[0004]中國專利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煤柱的方法；中國發(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；中國發(fā)明專利CN102392643A通過設(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，然后對保留煤柱進行了二次掘進與回采，有效地實現(xiàn)了建筑物下遺留煤柱的回收；中國發(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)堅硬頂板大面積垮落形成颶風及地表大面積下沉等安全隱患；中國發(fā)明專利CN103527196A利用地面的黃土作為采空區(qū)的充填材料，采用高速動力拋投機和推土機配合作用的方式進行了采空區(qū)回填，進而實現(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)采殘煤后采場充填體的長期穩(wěn)定性。
[0005]殘采區(qū)遺留煤柱群置換復(fù)采以后，采場充填體(尤其是柱式充填體)的受力狀態(tài)也會逐漸轉(zhuǎn)換為集中分布的載荷，其在長期集中載荷、鄰近煤層采動影響、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，會由表及里地發(fā)生片幫冒落，進而發(fā)生承載面積減小和支撐強度弱化等現(xiàn)象，并引發(fā)坍塌破壞。當采場充填體瞬時失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊波轉(zhuǎn)移擴散到鄰近充填體時，可能引發(fā)采場充填體“多米諾骨牌”式的失穩(wěn)破壞，進而引發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害，并帶來地表沉陷以及建筑物、鐵路與水體等的損傷破壞。
[0006]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，進而來實現(xiàn)棄采煤炭資源的安全復(fù)采，并能保障復(fù)采殘煤后采場充填體的長期穩(wěn)定性，避免多因素耦合作用下瞬時失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動力災(zāi)害的發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在提供一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，不僅能實現(xiàn)煤炭資源采出率的提高和企業(yè)經(jīng)濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發(fā)生瞬時失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動力災(zāi)害，進而來保障殘煤復(fù)采后采場柱式充填體的長期穩(wěn)定性。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種梯式構(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)筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側(cè)充填的方式依次側(cè)護了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復(fù)采工作面，實現(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)計梯式構(gòu)造充填的基本參數(shù)，包括梯式構(gòu)造充填體的底長、垂高、腰角和腰長。
[0009](3)按照步驟(2)中確定的梯式構(gòu)造充填參數(shù)，構(gòu)筑并安裝充填模具；
(4)根據(jù)殘采區(qū)遺留煤柱群的受力狀態(tài)，確定梯式構(gòu)造充填體的強度，并配制充填膏體；
(5)在充填栗的作用下，采用柱旁雙側(cè)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，使其在充填模具中凝固、硬化，對殘采區(qū)遺留煤柱產(chǎn)生側(cè)護作用；
(6)布置短壁機械化復(fù)采工作面，采用后退式垮落法復(fù)采經(jīng)梯式構(gòu)造充填體側(cè)護的殘采區(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，采用梯式構(gòu)造充填的方式依次側(cè)護殘采區(qū)鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復(fù)采。
[0010]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、條帶煤柱或房式煤柱的一種或者幾種的組合。
[0011]優(yōu)選地，所述的步驟(I)中，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，通過鉆孔勘探、物理勘探和化學(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。
[0012]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的上部底長a為下部底長/7的I / 3，其中上部底長a為3?8m，下部底長為9?24m。
[0013]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的垂高A與殘采區(qū)遺留煤柱的高度相同。
[0014]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的腰角兩20°?75°。
[0015]優(yōu)選地，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的腰長2根據(jù)垂高A和腰角確定，l=h/sin a。
[0016]優(yōu)選地，所述的步驟(3)中的充填模具由斜側(cè)模板和底側(cè)模板連接組成，二者的夾角為20° ~75°;充填模具的安裝位置需根據(jù)梯式構(gòu)造充填體的下部底長來確定。
[0017]優(yōu)選地，所述的步驟(3)中的充填模具由木質(zhì)三合板釘制或者由鋼質(zhì)材料焊接形成，斜側(cè)模板的斜長與梯式構(gòu)造充填體的腰長相等，厚度為5cm?15cm;底側(cè)模板的寬度為5?15m，厚度為5cm?15cm ο
[0018]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%。
[0019]優(yōu)選地，所述的步驟(5)中梯式構(gòu)造充填體凝固硬化后的強度為5?20MPa，不僅能保證殘采區(qū)遺留煤柱群復(fù)采后采場覆巖發(fā)生較小的移動變形，而且有利于梯式構(gòu)造充填體的長期穩(wěn)定性。
[0020]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)筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側(cè)分層充填的方式依次側(cè)護了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復(fù)采工作面，安全回收了殘采區(qū)遺留煤柱群。該發(fā)明公開了一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，不僅能實現(xiàn)煤炭資源采出率的提高和企業(yè)經(jīng)濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發(fā)生瞬時失穩(wěn)或“多米諾骨牌”失穩(wěn)等動力災(zāi)害，進而來保障殘煤復(fù)采后采場柱式充填體的長期穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0021 ]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為梯式構(gòu)造充填體的參數(shù)示意圖；
圖3為梯式構(gòu)造充填模具示意圖；
圖4為梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群示意圖。其中，圖4-1為梯式構(gòu)造充填體側(cè)護殘采區(qū)遺留煤柱示意圖；圖4-2為梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱示意圖；圖4-3為梯式構(gòu)造充填體側(cè)護殘采區(qū)鄰近遺留煤柱示意圖；圖4-4為梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)鄰近遺留煤柱不意圖。
[0022]圖中:I一遺留煤柱;2—柱米區(qū)域;3—梯式構(gòu)造充填體;4一斜側(cè)模板;5—底側(cè)模板；a—梯式充填體的上部底長；6—梯式充填體的下部底長；A—梯式充填體的垂高；t梯式充填體的腰角；2—梯式充填體的腰長。
【具體實施方式】
[0023]以下實施例旨在對本發(fā)明作示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。
[0024]為了對本發(fā)明的技術(shù)目標、特征和效果有更清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合附圖對一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法作進一步詳細的說明。
[0025]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)濟效益等諸多問題。20世紀80年代，麻地灣煤礦9號煤層采用刀柱法進行開采，使得刀柱式殘采區(qū)遺留有大量的煤柱群。9號煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱群具有良好的復(fù)采回收價值，近年來越來越成為廣大研究學(xué)者與工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點。麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區(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)充填體在長期多因素的疊加作用下的長期穩(wěn)定性。針對上述情況，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施過程作進一步的詳細說明。
[0026]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號煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱I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號煤層刀柱式殘采區(qū)中遺留煤柱I和柱采區(qū)域2交替均勻分布，遺留煤柱I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號煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱I和柱采區(qū)域2的分布形態(tài)圖，如圖1所示。
[0027]步驟二，設(shè)計麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區(qū)梯式構(gòu)造充填的基本參數(shù)，主要有:①梯式構(gòu)造充填體3的上部底長為4m，下部底長為12m;②梯式構(gòu)造充填體3的垂高與9號煤層殘采區(qū)遺留煤柱I的高度相同，即為11.7m;③梯式構(gòu)造充填體3的腰角為50°;④梯式構(gòu)造充填體3的腰長為15.27m，如圖2所示。
[0028]步驟三，根據(jù)步驟二中確定的梯式構(gòu)造充填體3的基本參數(shù)，構(gòu)筑梯式構(gòu)造充填模具。充填模具由木質(zhì)三合板釘制形成，由斜側(cè)模板4和底側(cè)模板5組成，二者的夾角為50°。斜側(cè)模板4的斜長為15.27m、厚度為10cm，底部模板的長度為10m、厚度為10cm，斜側(cè)模板4和底側(cè)模板5的連接點到遺留煤柱I的距離與梯式構(gòu)造充填體的下部底長相等，即為12m，充填模具的安裝位置需根據(jù)梯式構(gòu)造充填體的下部底長來確定。如圖3所示。在殘采區(qū)遺留煤柱I的左右兩側(cè)安裝梯式構(gòu)造充填模具。
[0029]步驟四，根據(jù)麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱I的受力狀態(tài)，確定梯式構(gòu)造充填體3的強度，并按照質(zhì)量百分比為煤矸石: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%。
[0030]步驟五，在充填栗的作用下，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號煤層刀柱式殘采區(qū)遺留煤柱I兩側(cè)的柱采區(qū)域2中，使其在充填模具4中凝固、硬化，對殘采區(qū)遺留煤柱I產(chǎn)生側(cè)護作用；
步驟六，布置短壁機械化復(fù)采工作面，采用后退式垮落法復(fù)采經(jīng)梯式構(gòu)造充填體3側(cè)護的殘采區(qū)遺留煤柱I;
步驟七，待步驟六中遺留煤柱I開采完畢，重復(fù)步驟四、步驟五和步驟六的施工工藝，采用梯式構(gòu)造充填的方式依次側(cè)護殘采區(qū)鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復(fù)采。
[0031]以上所述為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，在不脫離本發(fā)明所述技術(shù)實質(zhì)與原理的前提下對上述實施方法作出的任何改進與修潤，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，包括以下步驟: (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)計梯式構(gòu)造充填的基本參數(shù)，包括梯式構(gòu)造充填體的底長、垂高、腰角和腰長； (3)按照步驟(2)中確定的梯式構(gòu)造充填參數(shù)，構(gòu)筑并安裝充填模具； (4)根據(jù)殘采區(qū)遺留煤柱群的受力狀態(tài)，確定梯式構(gòu)造充填體的強度，并配制充填膏體； (5)在充填栗的作用下，采用柱旁雙側(cè)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，使其在充填模具中凝固、硬化，對殘采區(qū)遺留煤柱產(chǎn)生側(cè)護作用； (6)布置短壁機械化復(fù)采工作面，采用后退式垮落法復(fù)采經(jīng)梯式構(gòu)造充填體側(cè)護的殘采區(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，采用梯式構(gòu)造充填的方式依次側(cè)護殘采區(qū)鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復(fù)采。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，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、條帶煤柱或房式煤柱的一種或者幾種的組合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(I)中，采用三維激光掃描儀勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱的寬度、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，通過鉆孔勘探、物理勘探和化學(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。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的上部底長a為下部底長/7的1/3，其中上部底長3為3?8m，下部底長為9?24m。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(2)中梯式構(gòu)造充填體的垂高A與殘采區(qū)遺留煤柱的高度相同，腰角兩20°?75°，腰長^/根據(jù)垂高A和腰角魂確定，σ06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中充填模具由斜側(cè)模板和底側(cè)模板連接組成，二者的夾角為20° ~75°。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中充填模具由木質(zhì)三合板釘制或者由鋼質(zhì)材料焊接形成，斜側(cè)模板的斜長與梯式構(gòu)造充填體的腰長相等，厚度為5cm~15cm;底側(cè)模板的寬度為5?15111，厚度為50]1~150]108.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，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%。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(5)中梯式構(gòu)造充填體凝固硬化后的強度為5?20MPa。
【文檔編號】E21C41/18GK106014412SQ201610468088
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】馮國瑞, 白錦文, 郭軍, 戚庭野, 張玉江, 郭峰, 張鈺亭, 宋凱歌, 康立勛
【申請人】太原理工大學(xué)