一种煤矿条带开采与充填置换煤柱方法与流程

本发明涉及一种煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤矿条带开采与充填置换煤柱方法。

背景技术：

我国从二十世纪八十年代开放乡镇及个体煤矿以来，大多数小煤矿采用的是传统的落后的旧“房柱式”采煤方法，包括：落垛式、掏硐式等等，其安全性是完全没有保障的。为了规范小煤矿采煤方法，国家安全生产监督管理总局多次下达“规范”、“规程”、“通知”，要求推行有全负压通风系统的壁式体系采煤方法。2002年陕西省煤炭科学研究所编制了“陕西省小煤矿采煤方法设计方案”，对在小煤矿整顿中规范采煤方法，进行技术改造设计，起到了重要指导作用。近年来陕西省在对旧房柱式开采整顿取缔的基础上，应用过以下几类采煤方法：

⑴长壁留煤柱采煤法。其基本技术特征是工作面长壁布置，长壁推进。一类是每推进一段距离，保留一部分煤柱，形成所谓“间歇式”推进；一类是在采空区保留一部分煤柱，以支撑顶板防止工作面切顶。

⑵现代房柱式采煤法。主要是指引进国外连续采煤机房柱式采煤法、短壁采煤法和旺格维里采煤法，以及在此基础上发展的现代房柱式采煤，以连续采煤机或掘进机开掘巷房和回采煤柱、机械装煤、采用梭车或胶轮车运输、锚杆支护或专用自移支架为主要特征。

⑶条带采煤法和条带放顶煤采煤法。这是国内外“三下”采煤，为了控制地表下沉，广泛采用的一种采煤方法。开采区域采用类似长壁布置的方式，上、下部边界分别布置回风和运输平巷，垂直于回风和运输平巷划分若干个开采条带，条带间保留一定宽度的煤柱支撑顶板，也可在若干个条带开采后，保留一个宽度较大的隔离煤柱。采用条带布置开采特厚煤层时，可沿煤层底板布置开采层，并放落其上方的顶煤，称为条带放顶煤采煤法。

目前，陕西省原有的小煤矿基本已改造升级为中型矿井，但受资源储量及井型的限制，这些矿井的采煤方法并没有得到大幅改善，特别是处于“保水开采”区域的陕北榆林市地方煤矿，其采煤方法的改进更加迫切。近几年的监测表明，一些柱式开采区域的地表已形成塌陷区，表明采空区局部煤柱已发生垮落失稳，导致上覆基岩破断，并沟通地面含水层，使得井下涌水量激增，给矿井安全生产带来了极大的危害，也严重破坏了当地的生态环境。因此，有必要对陕北地方煤矿的采煤方法进行优化，为“保水采煤”的顺利推进提供必要的技术支持。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有开采技术中的不足，提供一种煤矿条带开采与充填置换条带煤柱的方法，保证整个覆岩不发生大的变形和破坏，以此维护含水层结构的稳定性，从而达到“保水采煤”的目的。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种煤矿条带开采与充填置换煤柱方法，包括如下步骤：

s1开采条带工作面与充填条带采空区域的第一阶段开采：

采用长壁系统条带采煤方法，即开采系统采用长壁布置，工作面系统内采用条带开采，留煤柱支撑顶板及上覆盖层，保护含水层；

设计开采第一组两个条带工作面，待两个条带工作面开采完毕后，开采第二组两个条带工作面，同时充填第一组两个条带采空区域，以此类推，直至工作面开采完毕，并将所有的条带采空区域充填完毕；充填时选用以地表风积沙、粉煤灰、水泥为充填材料，和水按一定比例配置后的充填体进行充填；

s2置换条带煤柱与充填条带煤柱采空区域的第二阶段开采：

每次置换开采1个条带煤柱，待上一条带煤柱置换完毕后，置换开采下一条带煤柱，并对上一条带煤柱采空区域进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域的下部区域，再充填条带煤柱采空区域的上部区域，依次置换工作面其余各条带煤柱。

进一步的，所述步骤s1中，开采条带工作面采高为4.0～4.5m，采用机掘方式，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，留设煤柱高度4.0～4.5m；考虑到一次性充填4.0～4.5m高度对于挡板的设计要求较高，采用分阶段充填方式，即先充填下部2.0～2.5m范围，再充填上部1.5m～2.0m范围。

进一步的，所述步骤s2中，条带煤柱开采时，按工作面煤层地质情况，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，并对顶板进行锚杆支护，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，对条带煤柱采空区域进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域的下部区域，再充填条带煤柱采空区域的上部区域，依次置换完成工作面其余各条带煤柱。

进一步的，所述步骤s2中，为保证充填效果，先充填条带煤柱采空区域下部2.0～2.5m高度，待下部充填体初凝后，继续充填条带采空区域上部区域至接顶，以防止充填间隔时间过长在充填条带内部产生弱面。

进一步的，所述长壁系统条带采煤方法时：由井下盘区运输大巷开掘工作面运输平巷，由井下盘区回风大巷开掘工作面回风平巷，工作面运输平巷和工作面回风平巷间贯通，布置条带开采工作面；工作面运输平巷和工作面回风平巷间距80m，工作面间保留20m隔离煤柱。

进一步的，所述步骤s1中，采用工作面条带开采时，采用“采7留8”或“采6留7”的方式进行条带开采，各矿井采用的条带开采参数根据开采煤层赋存情况作适当调整。

本发明公开的一种煤矿条带开采与充填置换煤柱方法，具有以下

有益效果：

本发明采用条带开采与煤柱置换的方式，可大幅提高矿井采出率至60％～70％，并大幅降低开采区域地表下沉量，维护含水层结构的稳定性，从而达到“保水采煤”的目的。

附图说明

图1是开采第一组①和②两个条带工作面平面图，

图2是开采③和④两个条带工作面，充填①’和②’两个条带采空区域下部区域平面图，

图3是开采③和④两个条带工作面，充填①’和②’两个条带采空区域下部区域剖面图，

图4是开采③和④两个条带工作面，充填①’和②’两个条带采空区域上部区域剖面图，

图5是开采⑨和⑩条带工作面，充填⑦’和⑧’条带采空区域下部区域平面图，

图6是开采⑨和⑩条带工作面，充填⑦’和⑧’条带采空区域下部区域剖面图，

图7是置换开采2号条带煤柱平面图，

图8是置换开采3号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域2’下部区域平面图，

图9是置换开采3号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域2’上部区域剖面图，

图10是置换开采11号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域10’下部区域平面图，

图11是置换开采11号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域10’下部区域剖面图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种煤矿条带开采与充填置换条带煤柱的方法，保证整个覆岩不发生大的变形和破坏，以此维护含水层结构的稳定性，从而达到“保水采煤”的目的。

一种煤矿条带开采与充填置换煤柱方法，包括如下步骤：

s1开采条带工作面与充填条带采空区域的第一阶段开采：

采用长壁系统条带采煤方法，即开采系统采用长壁布置，工作面系统内采用条带开采，留煤柱支撑顶板及上覆盖层，保护含水层；

设计开采第一组两个条带工作面，待两个条带工作面开采完毕后，开采第二组两个条带工作面，同时充填第一组两个条带采空区域，以此类推，直至工作面开采完毕，并将所有的条带采空区域充填完毕；充填时选用以地表风积沙、粉煤灰、水泥为充填材料，和水按一定比例配置后的充填体进行充填；

s2置换条带煤柱与充填条带煤柱采空区域的第二阶段开采：

每次置换开采1个条带煤柱，待上一条带煤柱置换完毕后，置换开采下一条带煤柱，并对上一条带煤柱采空区域进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域的下部区域，再充填条带煤柱采空区域的上部区域，依次置换工作面其余各条带煤柱。

在本发明的一种实施例中，所述步骤s1中，开采条带工作面采高为4.0～4.5m，采用机掘方式，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，留设煤柱高度4.0～4.5m；考虑到一次性充填4.0～4.5m高度对于挡板的设计要求较高，采用分阶段充填方式，即先充填下部2.0～2.5m范围，再充填上部1.5m～2.0m范围。

在本发明的一种实施例中，所述步骤s2中，条带煤柱开采时，按工作面煤层地质情况，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，并对顶板进行锚杆支护，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，对条带煤柱采空区域进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域的下部区域，再充填条带煤柱采空区域的上部区域，依次置换完成工作面其余各条带煤柱。

在本发明的一种实施例中，所述步骤s2中，为保证充填效果，先充填条带煤柱采空区域下部2.0～2.5m高度，待下部充填体初凝后，继续充填条带采空区域上部区域至接顶，以防止充填间隔时间过长在充填条带内部产生弱面。

在本发明的一种实施例中，所述长壁系统条带采煤方法时：由井下盘区运输大巷开掘工作面运输平巷(运输顺槽)，由井下盘区回风大巷开掘工作面回风平巷(回风顺槽)，工作面运输平巷和工作面回风平巷间贯通，布置条带开采工作面；工作面运输平巷和工作面回风平巷间距80m，工作面间保留20m隔离煤柱。

在本发明的一种实施例中，所述步骤s1中，采用工作面条带开采时，采用“采7留8”或“采6留7”的方式进行条带开采，各矿井采用的条带开采参数根据开采煤层赋存情况作适当调整。

本发明以榆林上河煤矿为实施点，理论分析表明，鉴于上河煤矿二盘区3216工作面地质条件差，顶板不稳定，建议采用“采7留8”(采高4.5m)或“采6留7”(采高4.0m)的条带开采参数，具体方案在现场工业性试验阶段依据顶板实际情况选取，以保证条带煤柱的长期稳定性。当前煤炭市场价格已大幅回暖，而且依据榆林市榆阳区常兴煤矿的充填开采成本估算，选用以地表风积砂、粉煤灰、水泥等充填材料，和水按一定比例配制后的充填体的成本可使吨煤成本增加值控制在100元/吨左右，因此，上河煤矿采用条带开采辅以充填置换条带煤柱的开采方式从经济角度考虑可以进行尝试。工作面采出的煤炭通过工作面运输平巷(运输顺槽)到井下盘区运输大巷。新鲜风流由井下盘区运输大巷经工作面运输平巷(运输顺槽)到条带开采工作面，污风由工作面回风平巷(回风顺槽)到井下盘区回风大巷。

需要指出，按照国家安全监管总局国家煤矿安监局“关于在小煤矿推行专用回风井、壁式采煤方法和支护方式改革的通知”(2007(216)号文)，强制推行壁式采煤方法，要求小煤矿必须采用壁式采煤方法，采煤工作面必须形成全负压通风系统，至少保持两个畅通的安全出口，一个通到进风巷道，另一个通到回风巷道，上述采煤方法由于采用长壁系统，都符合上述规定。

根据现场调研结果，上河煤矿3216工作面地质条件差，顶板不稳定，3216工作面采高为4.0～4.5m，留设0.5～1m顶煤。为避免炮采过程中对顶板的震动影响，采用掘进机掘进开采条带。条带工作面掘进时，按工作面煤层地质情况，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，并对顶板进行锚杆支护，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，留设煤柱高度4.0～4.5m。

设计3216工作面切眼长度80m，采用基于“采7留8”(采高4.5m)或“采6留7”(采高4.0m)开采参数的条带开采基础上的充填置换煤柱方式。3216工作面整个开采过程分为两个阶段：第一阶段为开采条带工作面与充填条带采空区域阶段，第二阶段为置换条带煤柱与充填条带煤柱采空区域阶段。开采条带工作面采用机掘方式，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，留设煤柱高度4.0～4.5m；3216工作面充填时考虑到一次性充填4.0～4.5m高度对于档板的设计要求较高，试验阶段采用分阶段充填方式，即先充填下部2.0～2.5m范围，再充填上部1.5m～2.0m范围。

(1)第一阶段

设计开采第一组①和②两个条带工作面，待两个条带工作面开采完毕后，开采第二组③和④两个条带工作面，同时充填第一组两个采带采空区域①’和②’，以此类推，将3216工作面开采完毕，并将所有的条带采空区域充填完毕。图1为开采第一组①和②两个采带工作面平面图；图2为开采第二组③和④两个采带工作面，同时充填第一组①’和②’两个条带采空区域下部区域平面图。充填时，考虑到一次性充填4.0～4.5m高度对于档板的设计要求较高，为保证充填效果，设计尽可能先充填条带采空区域下部2.0～2.5m范围，待下部充填体初凝后，继续充填条带采空区域上部至接顶(防止充填间隔时间过长在充填体内产生弱面)，其开采与充填过程剖面如图3、图4所示；图5为第一阶段开采⑨和⑩条带工作面与充填⑦’和⑧’两个条带采空区域下部区域平面图，其开采与充填过程剖面如图6所示。

(2)第二阶段

待3216工作面6m或7m宽条带工作面开采完毕，且条带采空区域充填完毕后，从2号条带煤柱开始，每次置换开采1个条带煤柱。条带煤柱置换时，采用掘进机掘进开采条带煤柱。条带煤柱开采时，按工作面煤层地质情况，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，并对顶板进行锚杆支护，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层。待2号条带煤柱置换完毕后，形成2号条带煤柱采空区域2’，然后置换开采3号条带煤柱，并对2号条带煤柱采空区域2’进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域2’的下部区域，再充填条带煤柱采空区域2’的上部区域，依次置换3216工作面其余各条带煤柱。图7为置换开采2号条带煤柱下部区域煤体平面图；图8为置换开采3号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域2’下部区域平面图；图9为置换开采3号条带煤柱与充填条带煤柱采空区域2’上部区域剖面图；图10为置换开采11号条带煤柱下部区域与充填条带煤柱采空区域10’下部区域平面图；图11为置换开采11号条带煤柱下部区域与充填条带煤柱采空区域10’下部区域剖面图。

归纳如下：(1)设计3216工作面切眼长度80m，采用基于“采7留8”(采高4.5m)或“采6留7”(采高4.0m)开采参数的条带开采基础上的充填置换煤柱方式。3216工作面整个开采过程分为两个阶段：第一阶段为开采条带工作面与充填条带采空区域阶段，第二阶段为置换条带煤柱与充填条带煤柱采空区域阶段。开采条带工作面采用机掘方式，先掘出掘进断面上部3.0～3.5m范围，掘进机退出时，拉底采出底部1.0m煤层，留设煤柱高度4.0～4.5m；3216工作面充填时考虑到一次性充填4.0～4.5m高度对于档板的设计要求较高，试验阶段采用分阶段充填方式，即先充填下部2.0～2.5m范围，再充填上部1.5m～2.0m范围。

(2)开采条带工作面与充填条带采空区域的第一阶段开采，设计开采第一组两个采带工作面，待两个条带工作面开采完毕后，开采第二组两个条带工作面，同时充填第一组两个采带采空区域，以此类推，将3216工作面开采完毕，并将所有的条带采空区域分两步充填完毕。为保证充填效果，设计尽可能先充填条带采空区域下部2.0～2.5m高度，待下部充填体初凝后，继续充填条带采空区域上部区域至接顶，以防止充填间隔时间过长在充填条带内部产生弱面。

(3)置换条带煤柱与充填条带煤柱采空区域的第二阶段开采，每次置换开采1个条带煤柱，待上一条带煤柱置换完毕后，置换开采下一条带煤柱，并对上一条带煤柱采空区域进行分步充填，即先充填条带煤柱采空区域的下部区域，再充填条带煤柱采空区域的上部区域，依次置换3216工作面其余各条带煤柱。为保证充填效果，设计尽可能先充填条带煤柱采空区域下部2.0～2.5m高度，待下部充填体初凝后，继续充填条带采空区域上部区域至接顶，以防止充填间隔时间过长在充填条带内部产生弱面。

相比背景技术中介绍的内容，本发明采用条带开采与煤柱置换的方式，可大幅提高矿井采出率至60％～70％，并大幅降低开采区域地表下沉量，维护含水层结构的稳定性，从而达到“保水采煤”的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。