煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)及沿空留巷充填工藝的制作方法
【專利摘要】一種適用于煤炭開(kāi)采的充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)是，采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室布置在軌道上山頂部，充填巷道布置在采煤工作面上覆巖層的一定距離內(nèi)，由采空區(qū)上方的充填巷道施工下向扇形鉆孔至采空區(qū)，充填管路鋪設(shè)在充填巷道內(nèi)，采煤工作面和采空區(qū)之間封堵措施用液壓支架后側(cè)的掩護(hù)板將采煤工作面和采空區(qū)分開(kāi)，沿空留巷充填工藝用單體液壓支柱和鋼模板將沿空留巷和充填采空區(qū)分隔開(kāi)。通過(guò)充填管路將充填材料輸送到采空區(qū)；充填材料凝固有一定的強(qiáng)度后，采煤工作面向前推進(jìn)，周而復(fù)始進(jìn)行開(kāi)采和充填。本發(fā)明的有益效果在于：有效控制采場(chǎng)地壓，減小地表沉陷；避免煤矸石占用良田，消除矸石山造成環(huán)境污染，能實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開(kāi)采。
【專利說(shuō)明】煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)及沿空留巷充填工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于煤炭開(kāi)采的充填系統(tǒng)，尤其涉及在受采動(dòng)影響劇烈的緩傾斜和傾斜煤層開(kāi)采領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是一次性能源，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中占主體地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，伴隨著對(duì)能源的需求量的增加，煤炭的開(kāi)采量也大量增加，在2013年我國(guó)的煤炭產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了 40億噸。同時(shí)煤炭開(kāi)采帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，如煤炭開(kāi)采造成巖層移動(dòng)和破壞，在上覆巖層中形成“三帶”，引起巖層中水與瓦斯的流動(dòng)，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故與井下突水事故；對(duì)地面造成地表沉陷，建筑設(shè)施的損壞；大量堆積在地面的矸石，既占用良田，又造成環(huán)境污染；隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深度的不斷增加，礦山壓力顯現(xiàn)及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻次增加，強(qiáng)度增大，危及礦井的安全生產(chǎn)。申請(qǐng)?zhí)枮?01110388670.1的中國(guó)專利公開(kāi)了中厚以下煤層的條帶式流體膨脹充填開(kāi)采方法，采用條帶式開(kāi)采，同時(shí)受煤層傾角限制；申請(qǐng)?zhí)枮?01110070870.2的中國(guó)專利公開(kāi)了中厚及以上煤層的巷道式充填開(kāi)采方法，采用掘錨一體機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)采用巷道式開(kāi)采和充填，開(kāi)采效率低，該方法僅適合于小型礦山或局部“三下”開(kāi)采；申請(qǐng)?zhí)枮?01110028042.2的中國(guó)專利公開(kāi)了一種煤礦充填開(kāi)采工作面支護(hù)系統(tǒng)；申請(qǐng)?zhí)枮?011100396497.X的中國(guó)專利公開(kāi)了移動(dòng)式機(jī)械密封充填開(kāi)采支架。申請(qǐng)?zhí)枮?01310184020.4的中國(guó)專利公開(kāi)了一種充填開(kāi)采中鑿巖硐室的布置方法，該方法適用于金屬礦山，將鑿巖硐室布置在充填體內(nèi)。
[0003]本發(fā)明是屬于煤炭綠色開(kāi)采的一種方法，通過(guò)對(duì)采空區(qū)的充填消除煤層開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)減少礦井災(zāi)害發(fā)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足或適用條件的限制，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:在能滿足目前廣泛使用的走向長(zhǎng)壁回采工作面正常生產(chǎn)能力的條件下，對(duì)受采動(dòng)影響劇烈的緩傾斜和傾斜煤層開(kāi)采實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]目前在煤炭開(kāi)采過(guò)程中對(duì)采空區(qū)處理廣泛采用是全面垮落法，具體過(guò)程:當(dāng)采煤工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)一定距離后，直接頂暴露達(dá)到一定面積就要開(kāi)始垮落后在采空區(qū)內(nèi)雜亂堆積，堅(jiān)硬老頂由于其斷裂步距較大，以板狀結(jié)構(gòu)懸露于采空區(qū)上方，當(dāng)老頂巖層達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)，將在老頂板狀結(jié)構(gòu)的邊緣及中部形成斷裂，即采煤工作面來(lái)壓。直接頂及老頂垮落斷裂后，覆巖的破壞和移動(dòng)可出現(xiàn)三個(gè)具有代表性的部分，自下而上分別稱為:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，一般簡(jiǎn)稱為“三帶”。最終引發(fā)地表沉陷和地下水及含水層破壞，造成地表建筑物損毀；同時(shí)大量矸石直接外排堆存，占?jí)和恋?、污染環(huán)境。
[0007]煤礦采空區(qū)充填開(kāi)采是隨著采煤工作面的推進(jìn)，通過(guò)充填管路和充填鉆孔將充填矸石、粉煤灰、建筑垃圾以及專用充填材料向采空區(qū)的煤炭開(kāi)采技術(shù)。[0008]煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):在現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室、充填巷道、充填鉆孔和充填管路，形成煤礦采空區(qū)充填系統(tǒng)。該充填系統(tǒng)和現(xiàn)有煤炭開(kāi)采工藝和采場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)相互獨(dú)立。煤礦充填開(kāi)采的覆巖垮落特征與地表移動(dòng)機(jī)理截然不同于對(duì)采空區(qū)采用全面垮落式處理開(kāi)采。主要表現(xiàn)為:通過(guò)在采空區(qū)充填，形成充填體支撐頂板，覆巖破壞范圍較全面垮落法開(kāi)采較小，一般只引起開(kāi)裂性破壞而無(wú)冒落性破壞；充填開(kāi)采時(shí)主要是以開(kāi)采區(qū)域上方巖層彎曲和充填體的壓縮為主，長(zhǎng)壁式全部垮落法開(kāi)采則以下部巖石的冒落、斷裂及上部巖層的彎曲變形為主，兩者移動(dòng)特征存在顯著的差異。實(shí)現(xiàn)了既保證煤炭開(kāi)采強(qiáng)度不降低，又能減少煤炭開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞；可以減少井下采空區(qū)水、瓦斯積聚空間，降低采空區(qū)突水、瓦斯爆炸、有害氣體突出、浮煤自燃等事故發(fā)生可能性，抑制煤層及頂?shù)装宓膭?dòng)力現(xiàn)象，提高礦井安全保障程度；可以大量消化矸石，減輕煤炭開(kāi)采對(duì)地表的影響，減少耕地占用和礦區(qū)村莊搬遷，保護(hù)和改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。
[0009]煤礦充填開(kāi)采的機(jī)理:充填體支撐上覆巖層作用。隨著工作面自開(kāi)切眼的推進(jìn)，每隔一段距離充填一定寬度的膠結(jié)充填體，通過(guò)充填體支撐上覆頂板，改善圍巖特性。當(dāng)采場(chǎng)開(kāi)挖后，由于應(yīng)力重新分布，在覆巖表層一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生了弱化區(qū)，這個(gè)區(qū)內(nèi)巖體受力已超過(guò)其峰值強(qiáng)度。充填體的充入則可以使這部分巖體的開(kāi)挖表面處殘余強(qiáng)度得到提高；充填體對(duì)圍巖的作用主要是支撐、讓壓和阻止覆巖變形(或位移)，對(duì)覆巖表層殘余強(qiáng)度的改善則是次要的。對(duì)大面積充填體而言，它還可以達(dá)到控制大面積地壓活動(dòng)的作用。充填體對(duì)覆巖的作用過(guò)程是一個(gè)支撐與讓壓過(guò)程。
[0010]煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)包括:采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室，地下充填巷道布置及充填管路，充填鉆孔，采煤工作面和采空區(qū)之間封堵措施。
[0011]該系統(tǒng)按下述步驟進(jìn)行:采煤工作面上覆巖層內(nèi)施工一條充填巷道，在充填巷道內(nèi)進(jìn)行施工下向扇形鉆孔至采空區(qū)，在充填巷道內(nèi)鋪設(shè)充填管路；煤工作面推進(jìn)一段距離后，用液壓支架后側(cè)的掩護(hù)板將采煤工作面和采空區(qū)分開(kāi)；充填材料經(jīng)過(guò)充填管路和充填鉆孔進(jìn)入采空區(qū)，充填材料凝固有一定的強(qiáng)度后，采煤工作面向前推進(jìn)；充填材料為井下的矸石或地面矸石山上的廢石，對(duì)地面已經(jīng)存在的矸石山上的矸石在地面破碎后運(yùn)至井下采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室，對(duì)于礦井下巖石巷道開(kāi)挖出來(lái)的廢石是直接運(yùn)到采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室。
[0012]充填材料為井下的矸石或地面矸石山上的廢石、粉煤灰、建筑垃圾以及專用充填材料，膠結(jié)材料采用水泥、粉煤灰、高爐礦渣，同時(shí)加入速凝劑。
[0013]沿空留巷巷幫的充填工藝:在巷幫架設(shè)單體液壓支柱作為受力構(gòu)件，在單體液壓支柱內(nèi)安裝鋼模板，并將鋼模板固定在單體液壓支柱上；采空區(qū)充填結(jié)束后，當(dāng)充填材料具有一定的強(qiáng)度，首先從遠(yuǎn)離工作面位置拆除一根單體液壓支柱和相應(yīng)的鋼模板，再按照順序依次拆除單體液壓支柱和鋼模板。
[0014]本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于:在不改變現(xiàn)有采煤工作面裝備和布置的情況下實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的充填；采用充填采礦法能有效降低采煤工作面及回采巷道周圍圍巖的礦山壓力；充填材料對(duì)采空區(qū)頂板圍巖的支撐能有效降低地表沉降，避免地面建筑物的破壞；矸石山上的廢石作為充填材料，能消除煤矸石占用良田且造成環(huán)境污染；在巷幫架設(shè)支護(hù)裝置，完全實(shí)現(xiàn)了沿空留巷和無(wú)煤柱開(kāi)采。[0015]本發(fā)明適用于以下類型采煤工作面的采空區(qū):水平及近水平煤層、緩傾斜煤層和傾斜煤層；采場(chǎng)地壓大的采煤工作面；“三下”開(kāi)采適用的采煤工作面。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)及沿空留巷充填工藝的示意圖；
[0017]圖2是煤礦米空區(qū)充填米礦系統(tǒng)立面不意圖；
[0018]圖3是煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)及沿空留巷充填工藝剖面示意圖；
[0019]圖4是沿空留巷充填裝置和工藝示意圖。
[0020]圖中:1.采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室；2.地下充填巷道；3.充填管路；4.充填鉆孔；5.沿空留巷充填裝置；6.充填區(qū)；7.采空區(qū)；8.采煤工作面；9.待采煤體；10.單體液壓支柱；11.鋼模板；12.頂梁。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]煤礦充填開(kāi)采系統(tǒng)按下述步驟進(jìn)行:(I)在采煤工作面8的開(kāi)采過(guò)程中，同時(shí)準(zhǔn)備充填材料，對(duì)地面已經(jīng)存在的矸石山上的矸石在地面破碎后運(yùn)至井下采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室1，對(duì)于礦井下巖石巷道開(kāi)挖出來(lái)的廢石是直接運(yùn)到采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室I ; (2)在準(zhǔn)備采煤工作面相關(guān)工程的過(guò)程中，施工采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室1，地下充填巷道2，其中充填巷道位于采煤工作面傾斜的上部；(3)在采煤工作面8向前推進(jìn)過(guò)了開(kāi)切眼的寬度后開(kāi)始在充填巷道內(nèi)施工充填鉆孔4，充填鉆孔4采用扇形布置，在沿空留巷的巷幫安裝單體液壓支護(hù)10、頂梁12和鋼模板11。隨著采煤工作面8繼續(xù)向前推進(jìn)，沿空留巷的巷幫相應(yīng)的安裝單體液壓支護(hù)10、頂梁12和鋼模板11。當(dāng)采煤工作面8向前推進(jìn)到IOm左右時(shí)，停止采煤工作面8的開(kāi)采活動(dòng)。用液壓支架后側(cè)的掩護(hù)板將采煤工作面8和采空區(qū)7分開(kāi)；采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室I的充填材料經(jīng)過(guò)充填管路3和充填鉆孔4進(jìn)入采空區(qū)7，充填材料凝固有一定的強(qiáng)度后，采煤工作面8向前推進(jìn)。
[0023]沿空留巷巷幫的充填工藝:在巷幫架設(shè)單體液壓支柱10作為受力構(gòu)件，在液壓支柱10內(nèi)安裝鋼模板11，并將鋼模板11固定在單體液壓支柱10上；采空區(qū)8充填結(jié)束和充填材料具有一定的強(qiáng)度后，首先從遠(yuǎn)離工作面位置按照順序依次拆除單體液壓支柱10和鋼模板11。
[0024]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的工程技術(shù)人員在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，可做一些變換，如充填巷道的位置、充填鉆孔的數(shù)量、沿空留巷的充填巷幫隔離措施等，都應(yīng)該作為侵犯本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.煤礦采空區(qū)充填采礦系統(tǒng)，其特征在于:包括采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室、充填巷道、充填管路、充填鉆孔、采煤工作面和采空區(qū)之間封堵措施，該系統(tǒng)按下述步驟進(jìn)行: (1)在采區(qū)的軌道山上頂部設(shè)置充填材料破碎及攪拌站硐室； (2)在采煤工作面上覆巖層內(nèi)施工一條充填巷道； (3)在充填巷道內(nèi)鋪設(shè)充填管路； (4)充填巷道內(nèi)施工下向扇形鉆孔至采空區(qū)； (5)當(dāng)采煤工作面推進(jìn)一段距離后，用充填液壓支架后側(cè)的掩護(hù)板將采煤工作面和采空區(qū)分開(kāi)； (6)采區(qū)充填材料破碎及攪拌站硐室的充填材料經(jīng)過(guò)充填管路和充填鉆孔進(jìn)入采空區(qū)，充填材料凝固有一定的強(qiáng)度后，采煤工作面向前推進(jìn)； (7)充填材料為井下的矸石或地面矸石山上的廢石經(jīng)過(guò)破碎后進(jìn)入攪拌站，膠結(jié)材料采用水泥、粉煤灰、高爐礦渣，同時(shí)加入速凝劑。
2.沿空留巷充填工藝，其特征在于:在巷幫架設(shè)單體液壓支柱作為受力構(gòu)件，在液壓支柱內(nèi)安裝鋼模板，并將鋼模板固定在單體液壓支柱上；充填采空區(qū)結(jié)束后當(dāng)充填材料具有一定的強(qiáng)度，從遠(yuǎn)離采煤工作面位置按照順序依次拆除單體液壓支柱和鋼模板。
【文檔編號(hào)】E21F15/00GK103821558SQ201410051780
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】劉增輝, 呂辰, 馮英華, 孟祥瑞, 趙光明, 高召寧, 王成軍, 孟龍, 楊敏, 蘇亮文 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)