一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法
【專利摘要】本發明公開了一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法。該方法在勘探查明殘采區遺留煤柱群和柱采區域分布狀況的基礎上，構筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側充填的方式依次側護了殘采區遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復采工作面，安全回收了殘采區遺留煤柱群。該發明不僅能實現煤炭資源采出率的提高和企業經濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發生瞬時失穩或“多米諾骨牌”失穩等動力災害，進而來保障殘煤復采后采場柱式充填體的長期穩定性。
【專利說明】
一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法
技術領域
[0001]本發明涉及煤炭開采技術領域，尤其是涉及一種梯式構造充填復采殘采區棄采煤炭資源的方法，主要適用于殘采區棄采煤炭資源的安全開采。
【背景技術】
[0002]受歷史技術、經濟等條件所限，我國許多煤礦在煤炭資源開始時出現了采厚棄薄、采肥丟瘦、采優棄劣和采易棄難等現象，導致許多塊段煤柱的棄采；同時，許多礦區普遍采用柱式體系開采來維持采場覆巖的穩定性，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]殘采區遺留煤柱群在我國許多礦區廣泛賦存，尤其是資源整合以來，在山西大同、西山和潞安等礦區越來越多地被發現，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，殘采區遺留煤柱群的復采逐漸成為廣大研究學者與工程技術人員關注的焦點，其具有良好的開采價值。回收利用這部分棄采的煤炭資源，不僅可以提高資源的采出率、提升企業經濟效益，而且可以延長礦井服務年限、促進可持續發展。
[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；中國發明專利CN102392643A通過設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，有效地實現了建筑物下遺留煤柱的回收；中國發明專利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；中國發明專利CN103527196A利用地面的黃土作為采空區的充填材料，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回填，進而實現了采空區房式煤柱的置換回收。前述發明專利能夠有效地回收利用殘采區棄采的遺留煤柱群，卻鮮有關注復采殘煤后采場充填體的長期穩定性。
[0005]殘采區遺留煤柱群置換復采以后，采場充填體(尤其是柱式充填體)的受力狀態也會逐漸轉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、采空區積水、自然發火和地層高溫等因素的耦合作用下，會由表及里地發生片幫冒落，進而發生承載面積減小和支撐強度弱化等現象，并引發坍塌破壞。當采場充填體瞬時失穩產生的沖擊波轉移擴散到鄰近充填體時，可能引發采場充填體“多米諾骨牌”式的失穩破壞，進而引發沖擊地壓等動力災害，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、科學和高效回收殘采區遺留煤柱群的方法，進而來實現棄采煤炭資源的安全復采，并能保障復采殘煤后采場充填體的長期穩定性，避免多因素耦合作用下瞬時失穩或“多米諾骨牌”失穩等動力災害的發生。
【發明內容】
[0007]本發明旨在提供一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，不僅能實現煤炭資源采出率的提高和企業經濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發生瞬時失穩或“多米諾骨牌”失穩等動力災害，進而來保障殘煤復采后采場柱式充填體的長期穩定性。
[0008]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，在勘探查明殘采區遺留煤柱群和柱采區域分布狀況的基礎上，構筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側充填的方式依次側護了殘采區遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復采工作面，實現了殘采區遺留煤柱群的安全回收。所述技術方案具體按照以下步驟進行:
(1)結合資源枯竭型礦井原有地質、技術資料，勘探查明殘采區遺留煤柱群和柱采區域的分布位置，繪制殘采區遺留煤柱群和柱采區域的分布形態圖，調研柱采區域中礦井水積聚與有害氣體的賦存狀況；
(2)設計梯式構造充填的基本參數，包括梯式構造充填體的底長、垂高、腰角和腰長。
[0009](3)按照步驟(2)中確定的梯式構造充填參數，構筑并安裝充填模具；
(4)根據殘采區遺留煤柱群的受力狀態，確定梯式構造充填體的強度，并配制充填膏體；
(5)在充填栗的作用下，采用柱旁雙側充填的方式，將步驟(4)制備的充填膏體均勻注入殘采區遺留煤柱兩側的柱采區域中，使其在充填模具中凝固、硬化，對殘采區遺留煤柱產生側護作用；
(6)布置短壁機械化復采工作面，采用后退式垮落法復采經梯式構造充填體側護的殘采區遺留煤柱；
(7)待步驟(6)中遺留煤柱開采完畢，重復步驟(4)~(6)的施工工藝，采用梯式構造充填的方式依次側護殘采區鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復采。
[0010]優選地，所述的殘采區遺留煤柱群為邊界煤柱、保安煤柱、構造煤柱、區段煤柱、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遺留煤柱群的寬度、高度、分布區域及其失穩狀況，了解柱采區域的分布方位、尺寸及體積，通過鉆孔勘探、物理勘探和化學勘探相結合的方法調研柱采區域中礦井水的積聚與有害氣體的賦存狀況。
[0012]優選地，所述的步驟(2)中梯式構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]優選地，所述的步驟(2)中梯式構造充填體的垂高A與殘采區遺留煤柱的高度相同。
[0014]優選地，所述的步驟(2)中梯式構造充填體的腰角兩20°?75°。
[0015]優選地，所述的步驟(2)中梯式構造充填體的腰長2根據垂高A和腰角確定，l=h/sin a。
[0016]優選地，所述的步驟(3)中的充填模具由斜側模板和底側模板連接組成，二者的夾角為20° ~75°;充填模具的安裝位置需根據梯式構造充填體的下部底長來確定。
[0017]優選地，所述的步驟(3)中的充填模具由木質三合板釘制或者由鋼質材料焊接形成，斜側模板的斜長與梯式構造充填體的腰長相等，厚度為5cm?15cm;底側模板的寬度為5?15m，厚度為5cm?15cm ο
[0018]優選地，所述的步驟(4)中的充填膏體的骨料選用煤礦采空區矸石、廢棄混凝土或堿渣中的一種或幾種，膠結料選用水泥、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:膠結料:聚羧酸高效減水劑:水=60%?75%: 8%?10%: 2%?5%: 15%?25%的質量百分比配制而成，充填膏體的濃度為60%?85%。
[0019]優選地，所述的步驟(5)中梯式構造充填體凝固硬化后的強度為5?20MPa，不僅能保證殘采區遺留煤柱群復采后采場覆巖發生較小的移動變形，而且有利于梯式構造充填體的長期穩定性。
[0020]本發明的有益效果:
該發明在勘探查明殘采區遺留煤柱群和柱采區域分布狀況的基礎上，構筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側分層充填的方式依次側護了殘采區遺留煤柱群，并布置了短壁機械化復采工作面，安全回收了殘采區遺留煤柱群。該發明公開了一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，不僅能實現煤炭資源采出率的提高和企業經濟效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采場柱式充填體發生瞬時失穩或“多米諾骨牌”失穩等動力災害，進而來保障殘煤復采后采場柱式充填體的長期穩定性。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為殘采區遺留煤柱群和柱采區域分布形態圖；
圖2為梯式構造充填體的參數示意圖；
圖3為梯式構造充填模具示意圖；
圖4為梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群示意圖。其中，圖4-1為梯式構造充填體側護殘采區遺留煤柱示意圖；圖4-2為梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱示意圖；圖4-3為梯式構造充填體側護殘采區鄰近遺留煤柱示意圖；圖4-4為梯式構造充填復采殘采區鄰近遺留煤柱不意圖。
[0022]圖中:I一遺留煤柱;2—柱米區域;3—梯式構造充填體;4一斜側模板;5—底側模板；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明作示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。
[0024]為了對本發明的技術目標、特征和效果有更清楚的理解，現結合附圖對一種梯式構造充填復采殘采區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典型的資源緊缺型老礦，面臨著穩定產量、提高生產率和提升經濟效益等諸多問題。20世紀80年代，麻地灣煤礦9號煤層采用刀柱法進行開采，使得刀柱式殘采區遺留有大量的煤柱群。9號煤層刀柱式殘采區遺留煤柱群具有良好的復采回收價值，近年來越來越成為廣大研究學者與工程技術人員關注的焦點。麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區遺留煤柱的安全復采，不僅可以回收利用寶貴的煤炭資源，而且可以避免殘采區遺留煤柱群失穩引發的動力災害。然而，現有遺留煤柱的復采理論與技術多集中于部分充填，主要考慮了殘采區遺留煤柱群的“置換式”回收，卻鮮有關注殘采區充填體在長期多因素的疊加作用下的長期穩定性。針對上述情況，下面結合附圖對本發明的實施過程作進一步的詳細說明。
[0026]步驟一，結合麻地灣煤礦的原有地質、技術資料，采用三維激光掃描儀勘探查明9號煤層刀柱式殘采區遺留煤柱I的寬度、高度、分布區域及其失穩狀況，了解柱采區域2的分布方位、尺寸、體積及其覆巖垮落情況;結果表明:麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區中遺留煤柱I和柱采區域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，穩定性較好;柱采區域2的平均寬度為40m、平均高度為11.7m，覆巖直接頂發生剪切冒落;繪制麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區遺留煤柱I和柱采區域2的分布形態圖，如圖1所示。
[0027]步驟二，設計麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區梯式構造充填的基本參數，主要有:①梯式構造充填體3的上部底長為4m，下部底長為12m;②梯式構造充填體3的垂高與9號煤層殘采區遺留煤柱I的高度相同，即為11.7m;③梯式構造充填體3的腰角為50°;④梯式構造充填體3的腰長為15.27m，如圖2所示。
[0028]步驟三，根據步驟二中確定的梯式構造充填體3的基本參數，構筑梯式構造充填模具。充填模具由木質三合板釘制形成，由斜側模板4和底側模板5組成，二者的夾角為50°。斜側模板4的斜長為15.27m、厚度為10cm，底部模板的長度為10m、厚度為10cm，斜側模板4和底側模板5的連接點到遺留煤柱I的距離與梯式構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梯式構造充填體的下部底長來確定。如圖3所示。在殘采區遺留煤柱I的左右兩側安裝梯式構造充填模具。
[0029]步驟四，根據麻地灣煤礦9號煤層刀柱式殘采區遺留煤柱I的受力狀態，確定梯式構造充填體3的強度，并按照質量百分比為煤矸石: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遺留煤柱I兩側的柱采區域2中，使其在充填模具4中凝固、硬化，對殘采區遺留煤柱I產生側護作用；
步驟六，布置短壁機械化復采工作面，采用后退式垮落法復采經梯式構造充填體3側護的殘采區遺留煤柱I;
步驟七，待步驟六中遺留煤柱I開采完畢，重復步驟四、步驟五和步驟六的施工工藝，采用梯式構造充填的方式依次側護殘采區鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復采。
[0031]以上所述為本發明的優選實施方式，應當指出，在不脫離本發明所述技術實質與原理的前提下對上述實施方法作出的任何改進與修潤，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)結合資源枯竭型礦井原有地質、技術資料，勘探查明殘采區遺留煤柱群和柱采區域的分布位置，繪制殘采區遺留煤柱群和柱采區域的分布形態圖，調研柱采區域中礦井水積聚與有害氣體的賦存狀況； (2)設計梯式構造充填的基本參數，包括梯式構造充填體的底長、垂高、腰角和腰長； (3)按照步驟(2)中確定的梯式構造充填參數，構筑并安裝充填模具； (4)根據殘采區遺留煤柱群的受力狀態，確定梯式構造充填體的強度，并配制充填膏體； (5)在充填栗的作用下，采用柱旁雙側充填的方式，將步驟(4)制備的充填膏體均勻注入殘采區遺留煤柱兩側的柱采區域中，使其在充填模具中凝固、硬化，對殘采區遺留煤柱產生側護作用； (6)布置短壁機械化復采工作面，采用后退式垮落法復采經梯式構造充填體側護的殘采區遺留煤柱； (7)待步驟(6)中遺留煤柱開采完畢，重復步驟(4)?(6)的施工工藝，采用梯式構造充填的方式依次側護殘采區鄰近遺留煤柱群，使棄采煤炭資源逐漸安全復采。2.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的殘采區遺留煤柱群為邊界煤柱、保安煤柱、構造煤柱、區段煤柱、刀柱煤柱、條帶煤柱或房式煤柱的一種或者幾種的組合。3.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，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遺留煤柱的寬度、高度、分布區域及其失穩狀況，了解柱采區域的分布方位、尺寸及體積，通過鉆孔勘探、物理勘探和化學勘探相結合的方法調研柱采區域中礦井水的積聚與有害氣體的賦存狀況。4.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(2)中梯式構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.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(2)中梯式構造充填體的垂高A與殘采區遺留煤柱的高度相同，腰角兩20°?75°，腰長^/根據垂高A和腰角魂確定，σ06.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中充填模具由斜側模板和底側模板連接組成，二者的夾角為20° ~75°。7.根據權利要求6所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中充填模具由木質三合板釘制或者由鋼質材料焊接形成，斜側模板的斜長與梯式構造充填體的腰長相等，厚度為5cm~15cm;底側模板的寬度為5?15111，厚度為50]1~150]108.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，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矸石、廢棄混凝土或堿渣中的一種或幾種，膠結料選用水泥、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:膠結料:聚羧酸高效減水劑:水=60%?75%: 8%-10%: 2%-5%: 15%?25%的質量百分比配制而成，充填膏體的濃度為60%?85%。9.根據權利要求1所述的梯式構造充填復采殘采區遺留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步驟(5)中梯式構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