一種填充墻提升煤柱性能的施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤礦條帶開采領域，具體的說是一種填充墻提升煤柱性能的施工方 法。
【背景技術】
[0002] 條帶開采可以有效地控制地表移動頻率，降低地表發生移動、變形和塌陷的機率， 是我國目前開采"三下"壓煤的主要開采方法，但其采出率低，并且隨著我國采深的不斷增 大，留設煤柱尺寸越來越大，造成大量煤炭資源浪費，減少留設煤柱尺寸是解決條帶開采采 出率低的關鍵途徑，但保持煤柱的穩定性是煤礦安全生產及控制地表沉陷的必然要求。如 何協調減少煤柱尺寸與煤柱穩定性的關系已成為提高條帶開采采出率低的迫切需要解決 的問題。
[0003] 減小留設煤柱尺寸是建立在提高煤柱性能即保持其穩定性的基礎上。條帶煤柱長 期變形特征進行了實測研究，結果表明煤柱從邊緣向內部依次形成完全破壞區、塑性破壞 區和彈性核區。隨著完全破壞區、塑性破壞區向煤柱內部發展，彈性核區剩余太小而不能承 載上覆巖層載荷時，煤柱將出現破壞、坍塌，進而失穩。因此，提升條帶煤柱的性能，應考慮 如何限制煤柱橫向變形、提高其承載能力及分擔煤柱承載載荷。
[0004] 傳統的提升煤柱性能的方法包括打錨桿、注漿支護、錨索支護、矸石堆積、錨網支 護、巷柱式聯合加固等。以上的提升煤柱性能的方法都有一定的弊端，都是對煤柱提供一定 的側向約束力，限制煤柱的橫向變形，提高其承載能力，但是無法有效的分擔煤柱承載載 荷，煤柱性能不能夠有效的提升。
【發明內容】
[0005] 為解決上述存在的技術問題，本發明提供了一種填充墻提升煤柱性能的施工方 法，協調減少煤柱尺寸與煤柱穩定性的關系，提高條帶開采采出率，為進行開采煤柱的回收 提供依據。
[0006] 為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是： 一種充填墻提升煤柱性能的施工方法，通過如下步驟實現： 1) 前期計算：確定留設煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時確定充填墻的材 料； 2) 平巷掘進施工:在煤層中根據計算的留設煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設煤柱 與開采煤柱之間掘出若干個平巷;在每個平巷底部中心線鋪設若干個壓力傳感器； 3) 平巷隔離和充填:在所述平巷的端頭分別設置帶有若干充填孔的隔離擋板，其寬度 大于平巷的寬度，高度與煤層厚度一致，所述隔離擋板與所述平巷兩側的煤柱端頭煤壁緊 密接觸，然后按照順序通過各自對應的隔離擋板的充填孔依次對平巷進行充填形成充填 墻； 4) 開采煤柱的回收:根據所述若干個平巷內壓力傳感器的信號，待充填墻達到最大強 度穩定后，進行開采煤柱的回收，具體地根據充填順序，最先充填的三個平巷內充填墻最先 達到穩定，因此先回收第二平巷和第三平巷之間的第一開采煤柱，在第一開采煤柱的兩側 分別掘出工作面運輸大巷和軌道大巷，進行第二開采煤柱的回收，以此類推進行后續開采 煤柱的回收。
[0007] 步驟3)中隔離擋板靠近運輸大巷的一側設置若干戧柱。
[0008] 本發明闡述了一種通過充填墻提升煤柱性能的施工方法，結合了巷采、充填開采 和條帶開采多種開采方式，使得充填墻分別從開采煤柱側向約束和分擔開采煤柱承載載荷 兩個方面實現了對于煤柱性能的提升，協調了減少煤柱尺寸與煤柱穩定性的關系，提高了 條帶開采的采出率;平巷內設置的壓力傳感器，可有效監測充填墻的穩定性，為進行開采煤 柱的回收提供依據；回收開采煤柱時，由于在開采煤柱兩側掘出工作面運輸大巷和軌道大 巷，只需要在煤壁的一側進行支護，充填墻一側不需要支護，降低了巷道支護成本。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發明平巷掘進的剖面圖； 圖2為本發明平巷掘進的平面圖； 圖3為本發明平巷隔離平面圖； 圖4為本發明平巷充填剖面圖； 圖5為本發明開采煤柱回收的平面圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述： 如圖1-4所示，該充填墻提升煤柱性能的施工方法，通過如下步驟實現： 1) 前期計算：確定留設煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時確定充填墻的材 料； 2) 平巷掘進施工:在煤層中根據計算的留設煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設煤柱 1與開采煤柱2之間掘出若干個平巷3;在每個平巷3底部中心線鋪設若干個壓力傳感器4; 3) 平巷隔離和充填:在所述平巷3的端頭分別設置帶有若干充填孔的隔離擋5,其寬度 大于平巷3的寬度，高度與煤層厚度一致，所述隔離擋板5與所述平巷3兩側的煤柱端頭煤壁 緊密接觸，然后按照順序通過各自對應的隔離擋板5的充填孔依次對平巷3進行充填形成充 填墻10; 4) 開采煤柱的回收:根據所述若干個平巷3內壓力傳感器4的信號，待充填墻達到最大 強度穩定后，進行開采煤柱2的回收，具體地根據充填順序，最先充填的三個平巷內充填墻 最先達到穩定，因此先回收第二平巷和第三平巷之間的第一開采煤柱，在第一開采煤柱的 兩側分別掘出工作面運輸大巷7和軌道大巷8,進行第二開采煤柱的回收，以此類推進行后 續開采煤柱的回收。
[0011] 作為優選的方式，步驟3)中隔離擋板5靠近運輸大巷的一側設置若干戧柱6，以防 止充填墻10壓力過大造成隔離擋板5的倒塌。
[0012] 本實施例中，具體描述本發明的實施過程。
[0013] 1)前期計算： a. 首先確定在未施加充填墻加固作用下，煤柱留設尺寸； 在未施加充填墻加固作用下，設開采寬度為匕，則根據M-C準則可知留設煤柱尺寸&1為 (
式中：為煤層側壓系數，一般為
為煤層泊松比;A為煤層的厚度；忍為采深； K是上覆巖層的平均容重;c為煤層內聚力；麥為煤層內摩擦角#為安全系數，一般取1.5-3。；爲為對煤柱的側向約束力，未支護的條件下為0。因此公式(1)可修正為；
b. 選擇合適的充填墻材料及確定充填墻寬度； 充填墻材料抗壓強度需滿足公式： 要保證充填墻對煤柱提供足夠大的側向約束力，又要有效地分擔煤柱承載載荷，根據 摩爾庫倫及金尼克假說可知充填墻的抗壓強度須滿足：
式中：L為第j層巖層的容重，從直接頂到地表，直接頂妒1;為第&層巖層的厚度；f 為充填墻的泊松比，其他的同式(1)。
[0014] 為了節約充填墻材料和充填費用，可取：
充填墻寬度A確定
式中：i為采動影響因子；可取分別為充填墻上、下與頂底板接觸的 摩擦角;其他的同式(1)、（2)和(3)。
[0015] c ·減小煤柱尺寸▲ 充填墻主要從兩個方面提升煤柱性能，分別是對煤柱側向約束和分擔煤柱承載載荷。 因此，煤柱可減小尺寸也應從兩方面考慮； 側向約束力可減小煤柱尺寸：
承擔載荷可減小煤柱尺寸：
因此，留設煤柱可減小
因此，在充填墻加固作用下，若留設煤柱寬度^不變，為：
的話，開采寬度為為
2)平巷掘進施工： a.平巷掘進：圖1和圖2分別為平巷掘進的剖面圖和平面圖。在煤層中掘出若干個平巷 3,其寬度為Xn,，高度為h(煤層的厚度），別標號1，2,……11-1，11。設0<1<11，當1為偶數時，第 X平巷與第x-1平巷之間為留設煤柱1，其尺寸為a;第X平巷與第x+1平巷之間為開采煤柱2， 其尺寸為b;當X為奇數時，第X平巷與第x-1平巷之間為開采煤柱2，其尺寸為b;第X平巷與第 x+1平巷之間為留設煤柱1，尺寸為a。然后在平巷3底部中心線鋪設壓力傳感器4,其間距為 m，L為煤層的走向長度。
[0016] b.平巷隔離和充填：圖3為平巷隔離平面圖，圖4為平巷充填剖面圖。在平巷3的端 頭分別設置帶有充填孔的隔離擋板5,其寬度大于平巷4的寬度，高度為h(煤層的厚度）。隔 離擋板5與平巷3兩側的煤柱端頭煤壁務必緊密接觸，若有間隙可塞入泡沫板。然后在隔離 擋板5的靠近運輸大巷的一側設置戧柱6,以防止充填強壓力過大造成隔離擋板5的倒塌。平 巷隔離好后按照第一平巷、第二平巷，……第n-1平巷，第η平巷的順序進行充填，充填材料 通過隔離擋板5的充填孔注入平巷3。
[0017] 3)開采煤柱的回收： 根據平巷3內埋設的壓力傳感器4的信號，待充填墻穩定后即達到最大強度時，進行開 采煤柱2的回收。根據充填順序可知，第一平巷、第二平巷和第三平巷內的充填墻最先達到 穩定，因此先回收第二平巷和第三平巷之間的開采煤柱2。在開采煤柱2靠近第二平巷和第 三平巷的一側分別掘出工作面運輸大巷7和軌道大巷8，進行開采煤柱2的回收，如圖5所示。 待第二平巷和第三平巷之間的開采煤柱2回收完之后，接著進行第四平巷和第五平巷之間 的開采煤柱2的回收，直到第η-2平巷和第n-1平巷之間的開采煤柱回收。
[0018] 當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領 域的技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的 保護范圍。
【主權項】
1. 一種充填墻提升煤柱性能的施工方法，其特征在于，通過如下步驟實現： 前期計算:確定留設煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時確定充填墻的材料； 平巷掘進施工：在煤層中根據計算的留設煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設煤柱 (1)與開采煤柱(2)之間掘出若干個平巷(3);在每個平巷(3)底部中心線鋪設若干個壓力傳 感器(4); 平巷隔離和充填:在所述平巷(3)的端頭分別設置帶有若干充填孔的隔離擋板(5)，其 寬度大于平巷(3)的寬度，高度與煤層厚度一致，所述隔離擋板(5)與所述平巷(3)兩側的煤 柱端頭煤壁緊密接觸，然后按照順序通過各自對應的隔離擋板(5)的充填孔依次對平巷(3) 進行充填形成充填墻(10); 開采煤柱的回收:根據所述若干個平巷(3)內壓力傳感器(4)的信號，待充填墻達到最 大強度穩定后，進行開采煤柱(2)的回收，具體地根據充填順序，最先充填的三個平巷內充 填墻最先達到穩定，因此先回收第二平巷和第三平巷之間的第一開采煤柱，在第一開采煤 柱的兩側分別掘出工作面運輸大巷(7)和軌道大巷(8)，進行第二開采煤柱的回收，以此類 推進行后續開采煤柱的回收。2. 根據權利要求2所述的一種充填墻提升煤柱性能的施工方法，其特征在于，步驟3)中 隔離擋板(5)靠近采區運輸大巷9的一側設置若干戧柱(6)。
【專利摘要】本發明公開了一種填充墻提升煤柱性能的施工方法，涉及煤礦條帶開采領域，結合了巷采、充填開采和條帶開采多種開采方式，使得充填墻分別從開采煤柱側向約束和分擔開采煤柱承載載荷兩個方面實現了對于煤柱性能的提升，協調了減少煤柱尺寸與煤柱穩定性的關系，提高了條帶開采的采出率；平巷內設置的壓力傳感器，可有效監測充填墻的穩定性，為進行開采煤柱的回收提供依據；回收開采煤柱時，由于在開采煤柱兩側掘出工作面運輸大巷和軌道大巷，只需要在煤壁的一側進行支護，充填墻一側不需要支護，降低了巷道支護成本。
【IPC分類】E21F15/04, E21C41/18, E21F15/00
【公開號】CN105464665
【申請號】CN201510936436
【發明人】陳紹杰, 尹大偉, 劉勇, 任凱強, 屈曉, 郭賽, 郭宇航, 朱彥, 劉小巖
【申請人】山東科技大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月16日