特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種綠色高效回收殘煤的方法，具體是一種特厚煤層綜放開采回收上 部殘煤并回填采空區的方法，屬于煤礦開采領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，煤炭資源有限性與資源需求無限性這一矛盾日益顯著，殘煤復采成為新 的課題。由歷史原因形成的殘煤大致包括整層的棄采煤層和具有可觀經濟效應的殘留煤 柱，這兩大類型殘煤的復采成為重點研宄對象，但受技術條件和經濟因素的限制，殘煤復采 仍處于攻關階段。
[0003] 隨著綜合機械化放頂煤技術的不斷革新，厚度超過20m的特厚煤層一次性采出成 為可能，并得到廣泛應用。一方面，由于煤層采出厚度大，頂板巖層垮落范圍也較大，其勢必 引起較嚴重的地表沉陷；另一方面，特厚煤層上方一定范圍往往存在大量的殘留煤層，頂板 的大范圍垮落使上部殘煤被放落至下部工作面成為可能，生產實踐中也出現過下部特厚煤 層放頂后將上部煤層放出的現象。因此，利用特厚煤層綜放開采覆巖垮落范圍大的特點回 收上部殘留煤層成為殘煤復采的一條新途徑，但這種方法又將面臨上部煤層被放下后的煤 矸分選等問題。
【發明內容】
[0004] 本發明提供了一種特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，巧妙地 利用特厚煤層綜放開采的特點回收上部殘煤的同時，運用井下煤矸分選裝置直接將煤炭資 源回收，同時依靠充填支架將分離后的矸石和巷道開拓過程產生的矸石回填到采空區。這 樣，既有效回收了殘留的煤炭資源，又避免了矸石運送到地面造成的環境污染，還有效地解 決了地表沉陷問題。
[0005] 本發明是一種確定垮落帶高度為前提，結合復采上部棄煤或殘煤，井下初步分選 和矸石回填采空區的綠色高效回收殘煤的方法。針對特厚煤層，將回收上部殘煤、井下煤矸 分選、矸石回填采空區結合在一起。
[0006] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，包括以下步驟：
[0008] A.基于特厚煤層綜放工作面采高、煤巖層物理力學特性及上部殘煤與下部工作面 間距，對殘煤可回收性進行判定；
[0009] B.對判定后具備可回收性的殘煤所在區域進行可回收的安全性評價，主要考慮殘 煤區瓦斯和水的富集狀況；
[0010] C.對于可安全回收的上部殘煤，在下部工作面頂煤正常回收前提下，利用特厚煤 層綜放開采將殘煤及層間巖層從充填采煤液壓支架落煤口落下，并利用井下光學式煤矸分 選裝置對煤矸進行初步分選；
[0011] D.經過初步分選后，將煤通過刮板運輸機運至地面選煤廠進行二次分選，同時使 用充填采煤液壓支架將落下矸石和巖石退至后方支架保護范圍內的采空區進行充填。
[0012] 上述方法中，所述步驟A中的上部殘煤可回收性是依據殘煤是否處于下部特厚煤 層綜放開采的冒落帶來判定；其中，特厚煤層綜放開采的冒落帶可由以下公式確定：
[0013]
[0014] 式中：M為累計采高，單位m ;
[0015] a，b為常數，通過最小二乘法擬合確定；
[0016] q為修正常數；
[0017] 根據采空區上覆巖層的巖性，將上覆巖層分為：堅硬、中硬、軟弱和極軟弱四種情 況；根據大量觀測數據通過擬合給出不同巖層狀況下a、b及修正常數q的值：
[0018] ①上覆巖層為堅硬時，a = 2. 1，b = 16, q = 2. 5 ;
[0019] ②上覆巖層為中硬時，a = 24. 7, b = 19, q = 2· 2 ;
[0020] ③上覆巖層為軟弱時，a = 3· 2, b = 32, q = I. 5 ;
[0021] ④上覆巖層為極軟弱時，a = 7· 0, b = 63, q = I. 2。
[0022] 上述方法中，所述步驟B中，對判定后具備可回收性的殘煤所在區域進行可回收 的安全性評價，其目的是探明上部采空區的具體位置與深度，探明采空區內瓦斯與水的富 集情況，具體方法是采取瞬變電磁法、測氡法、鉆探方法的結合使用。
[0023] 上述方法中，所述步驟C中的井下光學式煤矸分選裝置為光學式井下煤矸分離裝 置，該裝置由破碎機、光學分選裝置和風機組成。其優點為成本低，低消耗，節省了水資源， 使用壽命長，機身可適應井下狹窄的環境。
[0024] 上述方法中，所述步驟C中的支架是指充填采煤液壓支架，該支架包括落煤口、頂 梁、底座、立柱、推壓板，所述推壓板位于支架一側，井下分選裝置位于支架內部，固定于頂 梁與底座之間，刮板運輸機位于底座之上。
[0025] 本發明提供的特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，與現有技術 相比，具有以下的優點與積極效果：
[0026] (1)提高了殘留底煤的回采率，解放了永久呆滯儲量，充分挖掘并釋放了資源潛 力，提高了經濟效益，緩解了企業壓力，延長礦井及整個礦區的壽命。
[0027] (2)有效地防治了矸石山堆積的占地和環境污染問題，控制地表變形，減少地表下 沉對面建筑物（構筑物）的影響。
【附圖說明】
[0028] 圖1是特厚煤層工作面推進示意圖。
[0029] 圖2是充填采煤液壓支架。
[0030] 圖中1為整層棄煤，2為殘留煤柱，3為層間巖層，4為特厚煤層，5為充填采煤液壓 支架，6為落煤口，7為井下光學式煤矸分選裝置，8為刮板運輸機，9為推壓板，10為頂梁，11 為底座，12為立柱；M是特厚煤層厚度，h 2為特厚煤層工作面高度，h i為放頂煤高度，h 3為兩 層煤之間夾層厚度，h4為上部殘煤或棄煤厚度，H是特厚煤層工作面冒落帶高度。
【具體實施方式】
[0031] 下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。
[0032] 實施例1 :
[0033] 如圖1、圖2所示，上部薄煤層可能出現的兩種情形為：整層棄煤1或殘留煤柱2， 上部薄煤層下方為層間巖層3,層間巖層3為特厚煤層4, M為特厚煤層工作面高度，H為通 過上述公式計算出的冒落帶高度，h2為特厚煤層工作面高度，h 放頂煤高度，h 3為兩層煤 之間夾層厚度，匕為上部殘煤或棄煤厚度，當h 3+h4〈H，可以認為上部棄煤或殘煤可以通過本 發明所示方法采出。
[0034] 隨著特厚煤層綜放開采工作面正常推進，特厚煤層4上部頂煤，層間巖層3和上部 殘煤或棄煤自然垮落，從充填采煤液壓支架5的落煤口 6落下，進入井下光學式煤矸分選裝 置7進行初步分選，分選后的煤通過刮板運輸機8運至地面進行二次分選，分選剩余的矸石 通過充填采煤液壓支架自帶的推壓板9將矸石推至后方采空區進行充填作業。
[0035] 下面以大同礦區塔山煤礦8106工作面為例進一步說明本發明：
[0036] 為探明2號煤層采空區的具體位置與深度，采用測氡法與瞬變電磁法相結合的綜 合方法對采空區的范圍和深度進行劃定，得到采空區厚度h 4。采用鉆探方法測得2號煤層 與3~5號煤層間砂質泥巖厚度h3。
[0037] 如表1所示，3~5號煤厚14. 47m，2號煤厚4. 92m，兩層煤間夾砂質泥巖，屬堅硬 頂板，厚3. 70m。帶入上述公式
[0038]
[0039] 所得結果表示冒落帶高度處于28. 69m~33. 69m之間。說明上部煤層處于垮落帶 范圍之內，可使用本發明所述的殘煤回收并回填采空區方法進行開采。
[0040] 表 1
[0042] 在井下采用綜合探測方式探測2號煤層采空區積水和積氣量，初次排水與注入氮 氣和阻燃劑同時進行，以驅替有害氣體；在掘巷過程中采用CT掃描方式每掘30m探測采空 區的積水量，每隔50m設置測量有害氣體和溫度的傳感器，監測CO、C02、瓦斯和煤體的溫 度，判斷采空區遺留煤炭資源氧化及發火狀態。
[0043] 隨著特厚煤層綜放開采工作面正常推進，3~5號煤層上部砂質泥巖及2號煤層殘 煤自然垮落，從充填采煤液壓支架的落煤口落下，進入井下煤矸分選裝置進行初步分選，分 選后的煤通過刮板運輸機運至地面進行二次分選，分選剩余的矸石通過充填采煤液壓支架 自帶的推壓桿將矸石推至后方采空區進行充填作業。
【主權項】
1. 一種特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，其特征在于：包括以下 步驟： A. 基于特厚煤層綜放工作面采高、煤巖層物理力學特性及上部殘煤與下部工作面間 距，對殘煤可回收性進行判定； B. 對判定后具備可回收性的殘煤所在區域進行可回收的安全性評價，主要考慮殘煤區 瓦斯和水的富集狀況； C. 對于可安全回收的上部殘煤，在下部工作面頂煤正常回收前提下，利用特厚煤層綜 放開采將殘煤及層間巖層從充填采煤液壓支架落煤口落下，并利用井下光學式煤矸分選裝 置對煤矸進行初步分選； D. 經過初步分選后，將煤通過刮板運輸機運至地面選煤廠進行二次分選，同時使用充 填采煤液壓支架將落下矸石和巖石退至后方支架保護范圍內的采空區進行充填。2. 根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，其特 征在于：所述步驟A中的上部殘煤可回收性是依據殘煤是否處于下部特厚煤層綜放開采的 冒落帶來判定；其中，特厚煤層綜放開采的上覆巖層冒落帶高度可由以下公式確定：式中：M為累計采高，單位m; a，b為常數，通過最小二乘法擬合確定； q為修正常數； 根據采空區上覆巖層的巖性，將上覆巖層分為：堅硬、中硬、軟弱和極軟弱四種情況； 根據大量觀測數據通過擬合給出不同巖層狀況下a、b及修正常數q的值： ① 上覆巖層為堅硬時，a= 2. 1，b= 16,q= 2. 5 ; ② 上覆巖層為中硬時，a= 24. 7,b= 19,q= 2. 2 ; ③ 上覆巖層為軟弱時，a= 3. 2,b= 32,q=I. 5 ; ④ 上覆巖層為極軟弱時，a= 7. 0,b= 63,q=I. 2。3. 根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，其特 征在于：所述步驟B中，對判定后具備可回收性的殘煤所在區域進行可回收的安全性評價， 具體是采取瞬變電磁法、測氡法、鉆探法的結合的方法，重點掌握特厚煤層上部殘留煤體賦 存區域內水和瓦斯的富集狀態，避免放頂回收過程中可能出現的水與瓦斯突出。4. 根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，其特 征在于：所述步驟C中的井下光學式煤矸分選裝置為光學式井下煤矸分離裝置，該裝置由 破碎機、光學分選裝置和風機組成。5. 根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，其 特征在于：所述步驟C中的支架是指充填采煤液壓支架，該支架包括落煤口、頂梁、底座、立 柱、推壓板，所述推壓板位于支架一側，井下分選裝置位于支架內部，固定于頂梁與底座之 間，刮板運輸機位于底座之上。
【專利摘要】本發明公開了一種特厚煤層綜放開采回收上部殘煤并回填采空區的方法，屬于煤礦開采領域。該方法針對特厚煤層，是一種以確定垮落帶高度為前提，結合復采上部棄煤或殘煤，井下初步分選和矸石回填采空區的綠色高效回收殘煤的方法。本發明有效回收了殘留的煤炭資源，又避免了矸石運送到地面造成的環境污染，還有效地解決了地表沉陷問題。
【IPC分類】E21C41/16, E21F15/00
【公開號】CN104963687
【申請號】CN201510401835
【發明人】馮國瑞, 郭軍, 申辰, 任鴻瑞, 郭育霞, 戚庭野, 張玉江, 李振, 白錦文
【申請人】太原理工大學
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月9日