一種填充墻提升煤柱性能的施工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦條帶開采領(lǐng)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(shù)】
[0002] 條帶開采可以有效地控制地表移動(dòng)頻率，降低地表發(fā)生移動(dòng)、變形和塌陷的機(jī)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(shè)煤柱尺寸越來越大，造成大量煤炭資源浪費(fèi)，減少留設(shè)煤柱尺寸是解決條帶開采采 出率低的關(guān)鍵途徑，但保持煤柱的穩(wěn)定性是煤礦安全生產(chǎn)及控制地表沉陷的必然要求。如 何協(xié)調(diào)減少煤柱尺寸與煤柱穩(wěn)定性的關(guān)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(shè)煤柱尺寸是建立在提高煤柱性能即保持其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上。條帶煤柱長 期變形特征進(jìn)行了實(shí)測研究，結(jié)果表明煤柱從邊緣向內(nèi)部依次形成完全破壞區(qū)、塑性破壞 區(qū)和彈性核區(qū)。隨著完全破壞區(qū)、塑性破壞區(qū)向煤柱內(nèi)部發(fā)展，彈性核區(qū)剩余太小而不能承 載上覆巖層載荷時(shí)，煤柱將出現(xiàn)破壞、坍塌，進(jìn)而失穩(wěn)。因此，提升條帶煤柱的性能，應(yīng)考慮 如何限制煤柱橫向變形、提高其承載能力及分擔(dān)煤柱承載載荷。
[0004] 傳統(tǒng)的提升煤柱性能的方法包括打錨桿、注漿支護(hù)、錨索支護(hù)、矸石堆積、錨網(wǎng)支 護(hù)、巷柱式聯(lián)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(duì)煤柱提供一定 的側(cè)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(dān)煤柱承載載 荷，煤柱性能不能夠有效的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種填充墻提升煤柱性能的施工方 法，協(xié)調(diào)減少煤柱尺寸與煤柱穩(wěn)定性的關(guān)系，提高條帶開采采出率，為進(jìn)行開采煤柱的回收 提供依據(jù)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)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(shí)現(xiàn)： 1) 前期計(jì)算：確定留設(shè)煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時(shí)確定充填墻的材 料； 2) 平巷掘進(jìn)施工:在煤層中根據(jù)計(jì)算的留設(shè)煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設(shè)煤柱 與開采煤柱之間掘出若干個(gè)平巷;在每個(gè)平巷底部中心線鋪設(shè)若干個(gè)壓力傳感器； 3) 平巷隔離和充填:在所述平巷的端頭分別設(shè)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(cè)的煤柱端頭煤壁緊 密接觸，然后按照順序通過各自對(duì)應(yīng)的隔離擋板的充填孔依次對(duì)平巷進(jìn)行充填形成充填 墻； 4) 開采煤柱的回收:根據(jù)所述若干個(gè)平巷內(nèi)壓力傳感器的信號(hào)，待充填墻達(dá)到最大強(qiáng) 度穩(wěn)定后，進(jìn)行開采煤柱的回收，具體地根據(jù)充填順序，最先充填的三個(gè)平巷內(nèi)充填墻最先 達(dá)到穩(wěn)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(cè) 分別掘出工作面運(yùn)輸大巷和軌道大巷，進(jìn)行第二開采煤柱的回收，以此類推進(jìn)行后續(xù)開采 煤柱的回收。
[0007] 步驟3)中隔離擋板靠近運(yùn)輸大巷的一側(cè)設(shè)置若干戧柱。
[0008] 本發(fā)明闡述了一種通過充填墻提升煤柱性能的施工方法，結(jié)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(cè)向約束和分擔(dān)開采煤柱承載載荷 兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)于煤柱性能的提升，協(xié)調(diào)了減少煤柱尺寸與煤柱穩(wěn)定性的關(guān)系，提高了 條帶開采的采出率;平巷內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器，可有效監(jiān)測充填墻的穩(wěn)定性，為進(jìn)行開采煤 柱的回收提供依據(jù)；回收開采煤柱時(shí)，由于在開采煤柱兩側(cè)掘出工作面運(yùn)輸大巷和軌道大 巷，只需要在煤壁的一側(cè)進(jìn)行支護(hù)，充填墻一側(cè)不需要支護(hù)，降低了巷道支護(hù)成本。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明平巷掘進(jìn)的剖面圖； 圖2為本發(fā)明平巷掘進(jìn)的平面圖； 圖3為本發(fā)明平巷隔離平面圖； 圖4為本發(fā)明平巷充填剖面圖； 圖5為本發(fā)明開采煤柱回收的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)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(shí)現(xiàn)： 1) 前期計(jì)算：確定留設(shè)煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時(shí)確定充填墻的材 料； 2) 平巷掘進(jìn)施工:在煤層中根據(jù)計(jì)算的留設(shè)煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設(shè)煤柱 1與開采煤柱2之間掘出若干個(gè)平巷3;在每個(gè)平巷3底部中心線鋪設(shè)若干個(gè)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(shè)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(cè)的煤柱端頭煤壁 緊密接觸，然后按照順序通過各自對(duì)應(yīng)的隔離擋板5的充填孔依次對(duì)平巷3進(jìn)行充填形成充 填墻10; 4) 開采煤柱的回收:根據(jù)所述若干個(gè)平巷3內(nèi)壓力傳感器4的信號(hào)，待充填墻達(dá)到最大 強(qiáng)度穩(wěn)定后，進(jìn)行開采煤柱2的回收，具體地根據(jù)充填順序，最先充填的三個(gè)平巷內(nèi)充填墻 最先達(dá)到穩(wěn)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(cè)分別掘出工作面運(yùn)輸大巷7和軌道大巷8,進(jìn)行第二開采煤柱的回收，以此類推進(jìn)行后 續(xù)開采煤柱的回收。
[0011] 作為優(yōu)選的方式，步驟3)中隔離擋板5靠近運(yùn)輸大巷的一側(cè)設(shè)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(shí)施例中，具體描述本發(fā)明的實(shí)施過程。
[0013] 1)前期計(jì)算： a. 首先確定在未施加充填墻加固作用下，煤柱留設(shè)尺寸； 在未施加充填墻加固作用下，設(shè)開采寬度為匕，則根據(jù)M-C準(zhǔn)則可知留設(shè)煤柱尺寸&1為 (
式中：為煤層側(cè)壓系數(shù)，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(nèi)聚力；麥為煤層內(nèi)摩擦角#為安全系數(shù)，一般取1.5-3。；爲(wèi)為對(duì)煤柱的側(cè)向約束力，未支護(hù)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(qiáng)度需滿足公式： 要保證充填墻對(duì)煤柱提供足夠大的側(cè)向約束力，又要有效地分擔(dān)煤柱承載載荷，根據(jù) 摩爾庫倫及金尼克假說可知充填墻的抗壓強(qiáng)度須滿足：
式中：L為第j層巖層的容重，從直接頂?shù)降乇?，直接頂?;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(jié)約充填墻材料和充填費(fèi)用，可?。?br>充填墻寬度A確定
式中：i為采動(dòng)影響因子；可取分別為充填墻上、下與頂?shù)装褰佑|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(gè)方面提升煤柱性能，分別是對(duì)煤柱側(cè)向約束和分擔(dān)煤柱承載載荷。 因此，煤柱可減小尺寸也應(yīng)從兩方面考慮； 側(cè)向約束力可減小煤柱尺寸：
承擔(dān)載荷可減小煤柱尺寸：
因此，留設(shè)煤柱可減小
因此，在充填墻加固作用下，若留設(shè)煤柱寬度^不變，為：
的話，開采寬度為為
2)平巷掘進(jìn)施工： a.平巷掘進(jìn)：圖1和圖2分別為平巷掘進(jìn)的剖面圖和平面圖。在煤層中掘出若干個(gè)平巷 3,其寬度為Xn,，高度為h(煤層的厚度），別標(biāo)號(hào)1，2,……11-1，11。設(shè)0<1<11，當(dāng)1為偶數(shù)時(shí)，第 X平巷與第x-1平巷之間為留設(shè)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(dāng)X為奇數(shù)時(shí)，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(shè)煤柱1，尺寸為a。然后在平巷3底部中心線鋪設(shè)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(shè)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(cè)的煤柱端頭煤壁務(wù)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(yùn)輸大巷的一側(cè)設(shè)置戧柱6,以防止充填強(qiáng)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(jìn)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(jù)平巷3內(nèi)埋設(shè)的壓力傳感器4的信號(hào)，待充填墻穩(wěn)定后即達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)行開 采煤柱2的回收。根據(jù)充填順序可知，第一平巷、第二平巷和第三平巷內(nèi)的充填墻最先達(dá)到 穩(wěn)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(cè)分別掘出工作面運(yùn)輸大巷7和軌道大巷8，進(jìn)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(jìn)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(dāng)然，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(shí)現(xiàn)： 前期計(jì)算:確定留設(shè)煤柱寬度、充填墻寬度和開采煤柱寬度，同時(shí)確定充填墻的材料； 平巷掘進(jìn)施工：在煤層中根據(jù)計(jì)算的留設(shè)煤柱寬度、開采煤柱寬度，在若干留設(shè)煤柱 (1)與開采煤柱(2)之間掘出若干個(gè)平巷(3);在每個(gè)平巷(3)底部中心線鋪設(shè)若干個(gè)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(shè)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(cè)的煤 柱端頭煤壁緊密接觸，然后按照順序通過各自對(duì)應(yīng)的隔離擋板(5)的充填孔依次對(duì)平巷(3) 進(jìn)行充填形成充填墻(10); 開采煤柱的回收:根據(jù)所述若干個(gè)平巷(3)內(nèi)壓力傳感器(4)的信號(hào)，待充填墻達(dá)到最 大強(qiáng)度穩(wěn)定后，進(jìn)行開采煤柱(2)的回收，具體地根據(jù)充填順序，最先充填的三個(gè)平巷內(nèi)充 填墻最先達(dá)到穩(wěn)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(cè)分別掘出工作面運(yùn)輸大巷(7)和軌道大巷(8)，進(jìn)行第二開采煤柱的回收，以此類 推進(jìn)行后續(xù)開采煤柱的回收。2. 根據(jù)權(quán)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(qū)運(yùn)輸大巷9的一側(cè)設(shè)置若干戧柱(6)。
【專利摘要】本發(fā)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(lǐng)域，結(jié)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(cè)向約束和分擔(dān)開采煤柱承載載荷兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)于煤柱性能的提升，協(xié)調(diào)了減少煤柱尺寸與煤柱穩(wěn)定性的關(guān)系，提高了條帶開采的采出率；平巷內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器，可有效監(jiān)測充填墻的穩(wěn)定性，為進(jìn)行開采煤柱的回收提供依據(jù)；回收開采煤柱時(shí)，由于在開采煤柱兩側(cè)掘出工作面運(yùn)輸大巷和軌道大巷，只需要在煤壁的一側(cè)進(jìn)行支護(hù)，充填墻一側(cè)不需要支護(hù)，降低了巷道支護(hù)成本。
【IPC分類】E21F15/04, E21C41/18, E21F15/00
【公開號(hào)】CN105464665
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510936436
【發(fā)明人】陳紹杰, 尹大偉, 劉勇, 任凱強(qiáng), 屈曉, 郭賽, 郭宇航, 朱彥, 劉小巖
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年12月16日