一种房式采煤法采空区遗留煤柱充填加固方法与流程

本发明涉及遗留煤柱加固地表沉陷控制技术领域，尤其涉及一种房式采煤法采空区遗留煤柱充填加固方法。

背景技术：

房柱式开采方法多应用在资源分布广、地质构造简单、煤层赋存较浅的地区，大片遗留煤柱未采使得大量煤炭资源被浪费，威胁矿井安全和对周围生态环境造成严重的破坏。但是传统回收遗留煤柱的方法例如劈柱式和仓翼式存在回收效率不高，机械化程度低等等缺点。而使用抛料充填与综合机械化充填回收需要运送大量固体充填材料到采空区，使得运输成本和设备投资过多。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种房式采煤法采空区遗留煤柱充填加固方法，结构简单，作业高效，设备投入少，施工成本低，加固效果好，安全性高。

技术方案：本发明提出一种房式采煤法采空区遗留煤柱充填加固方法，通过房式采煤法采空区遗留煤柱赋存特征，以及煤岩体的物理力学参数，进行数值分析确定遗留煤柱需要加固的区域及范围，通过地面钻井自流自滞、多次充填胶结充填材料的方式，形成采空区支撑柱，对多个局部区域的遗留煤柱进行定点加固，具体步骤如下：

s1、调研、收集房式采煤法采空区遗留煤柱矿井采矿地质资料，得到遗留煤柱的赋存特征；并进行煤岩体取样，测试物理力学参数；所述遗留煤柱的赋存特特征包括采空区遗留煤柱区域的工作面宽度w和推进长度l2；遗留煤柱尺寸；煤层埋深h；煤层倾角

s2、根据煤岩体测试的物理力学参数，构建房式采煤法采空区遗留煤柱长时蠕变稳定性数值分析模型，确定一个遗留煤柱加固区域的钻井中心点o；并得到o点附近遗留煤柱应力载荷与遗留煤柱加固区域理论半径的关系，选取合适的遗留煤柱加固区域理论半径r。

s3、基于遗留煤柱的赋存特征及遗留煤柱加固区域理论半径r，模拟岩层移动计算结果及基本顶破断来压实测步距，确定相邻遗留煤柱加固区域的钻井中心点o的间隔l1；通过地面套管钻井方式，每间隔距离l1定点施工充填钻井；相邻遗留煤柱加固区域的钻井中心点o的间隔l1为50～200m。

s4、布置地面胶结充填材料制备与运输系统，多个遗留煤柱加固区域循环作业，采用垂直自流自滞、分次充填的方法，形成采空区支撑柱，完成井下区域遗留煤柱的加固。

进一步，每个遗留煤柱加固区域覆盖若干遗留煤柱。

进一步，每个遗留煤柱加固区域充填的胶结充填材料体积

v≥f(πhr²-v1)

式中：h为遗留煤柱加固的高度；

v1为遗留煤柱加固区域范围内的煤柱体积；

f为充填富余系数。

有益效果：本发明在遗留煤柱加固区域通过钻井，使胶结充填材料自流自滞，在遗留煤柱加固区域形成的采空区支撑柱，降低了附近的遗留煤柱所承受的应力载荷；多个遗留煤柱加固区域循环作业，各工序之间互不干扰；对多个局部区域的遗留煤柱进行定点加固；结构简单，作业高效，设备投入少，施工成本低，加固效果好，安全性高；本发明可有效解决生态脆弱矿区房式采煤法采空区遗留煤柱长期失稳破坏造成的突水溃沙、水土流失、地表沉陷的难题，在大规模回收房柱式煤柱提高资源回收率和减少地表下陷保护生态环境方面具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的作业面剖面图；

图2为本发明的作业面俯视图；

图3为本发明的遗留煤柱长时蠕变稳定性数值分析模型；

图4为本发明中距o点最近的遗留煤柱的应力载荷与遗留煤柱加固区域理论半径的关系图。

具体实施方式

本发明的具体实施例如下：本发明用于某生态脆弱矿区3#煤层，煤层平均厚度4.5m，采用传统房式采煤法进行开采，矿井范围内遗留了大量房式煤柱2，造成了煤炭资源浪费，遗留煤柱2长时失稳易造成突水溃沙、水土流失、地表沉陷等生态破坏。

如图1和图2，本发明通过房式采煤法采空区遗留煤柱赋存特征，以及煤岩体的物理力学参数，进行数值分析确定遗留煤柱2需要加固的区域及范围，通过地面钻井自流自滞、多次充填胶结充填材料的方式，形成采空区支撑柱1，对多个局部区域的遗留煤柱2进行定点加固，具体步骤如下：

s1、调研、收集房式采煤法采空区遗留煤柱矿井采矿地质资料，以1201工作面为例，其工作面宽度w为97m，推进长度l2为850m，煤层埋深h为170m，煤层倾角为2°，遗留煤柱2尺寸为8m×8m×4m；并进行煤岩体取样，测试物理力学参数，如表1。

表1煤岩物理力学参数测试结果

s2、根据煤岩体测试的物理力学参数，构建如图3的房式采煤法采空区遗留煤柱长时蠕变稳定性数值分析模型，确定一个遗留煤柱加固区域的钻井中心点o；并得到o点附近遗留煤柱2应力载荷与遗留煤柱加固区域理论半径的关系；选取合适的遗留煤柱加固区域理论半径r；图4示出了遗留煤柱加固区域理论半径r分别为9m、18m、27m时，距o点最近的遗留煤柱2的应力载荷σ；最终选取遗留煤柱加固区域理论半径r为18m，o点位于距离切眼63.5m的采场中部；

由图4可知，在遗留煤柱加固区域形成的采空区支撑柱1，降低了附近的遗留煤柱2所承受的应力载荷，对多个局部区域的遗留煤柱2进行定点加固；且遗留煤柱加固区域理论半径越大，附近的遗留煤柱2所承受的应力载荷越小；

优选的，遗留煤柱加固区域理论半径r应足够大，保证每个遗留煤柱加固区域覆盖若干遗留煤柱2，加固效果经济高效。

s3、基于遗留煤柱的赋存特征及遗留煤柱加固区域理论半径r，模拟岩层移动计算结果及基本顶破断来压实测步距，确定相邻遗留煤柱加固区域的钻井中心点o的间隔l1；通过地面套管钻井方式，每间隔距离l1定点施工充填钻井3；相邻遗留煤柱加固区域的钻井中心点o的间隔l1为50～200m；本实施例设计地面每隔90m间隔定点施工充填钻井3，共布设9个。

s4、布置地面胶结充填材料制备与运输系统4，多个遗留煤柱加固区域循环作业，采用垂直自流自滞、分次充填的方法，形成采空区支撑柱1，完成井下区域遗留煤柱2的加固。

每个遗留煤柱加固区域充填的胶结充填材料体积

v≥f(πhr²-v1)＝2×(3.14×4×18²-8×8×4×4)m³＝6090.88m³

式中：h为留煤柱加固的高度，取值4m；

r为遗留煤柱加固区域的理论半径，取值18m；

v1为遗留煤柱加固区域内的煤柱体积，其中遗留煤柱加固区域内的煤柱的数量为4；

f为充填富余系数，取值2.0。

优选的，所述胶结充填材料包括地面自然风积沙、粉煤灰、42.5#硅酸盐水泥和水，其质量分数分别为45％、21％、6％和72％；采空区支撑柱1的养护时间为3d、14d、28d的抗压强度分别为0.8mpa、2.4mpa与2.8mpa。