煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统与流程

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统。

背景技术：

煤炭开采后顶板常规处理方式为自然垮落，采区上覆岩层垮落会导致地表沉降、地下水资源破坏、瓦斯灾害、煤自燃等问题，引起生态环境破坏、生产安全风险；同时，采出矸石堆放和处理给煤矿区环保带来压力。充填开采作为一种解决采区覆岩沉降引起上述问题的技术途径，越来越受到重视，但当前常用的充填开采方式是在工作面推进到预定距离后停采，然后开始对采空区进行充填，俗称“串联”充填，待充填凝固后开始回采，依次重复完成作业，由此带来采充接替矛盾突出，造成采煤工作面效率低、原煤产量低，无法适应现代化高产矿井的生产需求。另外，中煤科工集团西安研究院有限公司的地面定向长钻孔采充并行非沉降采煤方法，以地面水平梳状孔为充填逐渐通道，是实现综采工作面采空区充填的一种有效方式，但也面临着梳状侧分支井眼密度较大、工程造价较高的问题。因此，为解决煤矿高强度开采带来的生态环境破坏和采充接替矛盾的问题，实现煤矿高效开采工作面的低成本、及时充填，亟需开发一种适合现代化高产矿井的环境友好型生态开采新方法。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统，解决目前综采工作面采空区上覆岩层塌陷导致的生态破坏、生产安全风险，煤矿区固废(矸石等)处理难以及目前充填开采方式采充效率低、采充接续矛盾突出的问题。

本发明的煤层顶板套管水平长钻孔架后随采随充生态采煤方法，包括：

在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中进行地面水平孔定向钻进或井下水平孔定向钻进，在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成充填膏体的充注通道；在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；直至完成整个综采工作面作业。

具体的，在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；实时监测采空区的充填情况和套管位置，当套管前段埋入采空区的充填膏体中时，割断套管，使套管前段的出浆口始终出露在采空区；当充填量达到设计要求时，停止充填。

具体的，工作面回采过程中，当直接顶板岩层不易垮落时，在水平定向长钻孔中采用空气炮或水力切割的方式将直接顶岩层切割落入采空区。

优选的，在进行工作面回采的液压支架后连接有用于遮挡充填膏体流入采煤作业区的挡护装置，所述挡护装置同液压支架同步移动。

优选的，在进行工作面回采的液压支架后方设置有监测系统，用于监测套管出露长度和采空区的充填情况。

优选的，在进行工作面回采的液压支架后方设置有切割装置，用于割断采空区的套管。

本发明还公开了一种综采工作面采空区充填系统，包括：注浆通道、挡护装置和切割装置；

所述注浆通道包括设置在煤层直接顶岩层中的水平定向长钻孔和设置在水平定向长钻孔中的套管，所述水平定向长钻孔沿综采工作面长度方向设置；所述挡护装置设置为靠近采空区一侧的充填体挡护结构，用于阻挡充填体流向煤壁一侧；所述切割装置用于切割采空区部分的套管。

具体的，所述挡护装置包括挡板和连接挡板上的连接杆，连接杆与液压支架连接。

进一步的，本发明的充填系统还包括监测装置，所述监测装置安装在液压支架后顶梁上，用于检测采空区情况。

本发明还公开了煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤系统，包括采煤机、液压支架以及上述综采工作面采空区充填系统；所述挡护装置设置在液压支架位于采空区的一侧，所述切割装置连接在液压支架靠近后顶梁位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了综采工作面随采随充，通过采空区部分及时充填，实现对采空区上覆岩层减沉、控沉的目的，从而解决因采煤引起的地表塌陷、水资源流失、地表生态环境破坏、地面建筑损坏等问题。

(2)本发明中利用大直径水平长钻孔实现充填材料的充注，有效避免现有煤矿井下膏体充填面临的膏体输送距离远、充填能力低，以及地面直孔充填面临的钻孔数量多、地面建设多等问题。

(3)本发明充填膏体主要以矸石、粉煤灰等固废为主料，将固废处理后混合制备成充填膏体注入采空区，一方面对采空区减沉、控沉发挥作用，另一方面解决了地面固废带来的环境污染、生态破坏问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是实施例3的地面定向水平长钻孔示意图。

图2是实施例3中煤层回采一定距离直接顶岩层垮落示意图。

图3是实施例3中采空区第一次充填示意图。

图4是实施例3的套管切割示意图。

图5是实施例3采空区第二次充填示意图。

图6是实施例4的煤矿井下定向水平长钻孔示意图。

图7是实施例4中煤层回采一定距离直接顶岩层垮落示意图。

图8是实施例4中采空区第一次充填示意图。

图9是实施例4的套管切割示意图。

图10是实施例4中采空区第二次充填示意图。

图11是实施例2中工作面采空区充填系统结构示意图。

图12是实施例中展示的水平井组布设示意图。

图中各标号说明：

1-注浆通道，2-挡护装置，3-切割装置，4-液压支架，5-采空区，6-监测装置，7-煤层伪顶岩层，8-直接顶岩层，9-老顶岩层；

11-水平定向长钻孔，12-套管；

21-挡板，22-连接杆；

31-伸缩臂，32-割刀。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中的“随采随垮落”是指随着工作面的移动，采空区上方的顶板岩层因重力或其他外力作用下垮落至采空区。

煤层顶板岩层一般都包括伪顶岩层7、直接顶岩层8和老顶岩层9。本发明在直接顶岩层8中设置水平定向长钻孔11。

本发明的充填膏体主要以包括矸石和粉煤灰等固废为主料，可解决地面固废带来的环境污染、生态破坏问题。

本发明基于随采随充、采空区部分充填或全充填的思路，提出一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，具体包括：

步骤1，在待回采的综采工作面顶部的直接顶岩层中进行地面水平定向钻进或井下水平定向钻进，如图1和图6所示。在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成膏体的充注通道。

本发明具体根据煤层埋深、地面条件等，选择地面水平长钻孔或者孔下定向水平长钻孔；根据综采工作面上方直接顶岩层分布、回采过程中直接顶板岩层垮落情况、充填材料特性、充填系统能力、钻进能力、工作面宽度与长度，设计水平定向长钻孔布孔层位、孔组数量、孔眼水平段长度。

本发明的套管优选易切割材质的非金属套管，如pe材质，保证在回采后直接顶岩层及时垮落后能够弯曲下移、出露于采空区、易被切割，起到护孔、有利膏体输送流动。

步骤2，开始工作面回采，当工作面回采一定距离(如实施例中3～4m)后，采空区的直接顶岩层因重力而垮落，直接顶岩层垮落后，套管受重力影响，出露后成弯弧状、前端垂于采空区，通过充注通道向采空区注入充填膏体，与直接顶岩层垮落的岩块混合堆积于采空区；随着采煤进尺推进，液压支架前移，充填作业持续开展；直至完成整个综采工作面作业。

本发明通过在液压支架后方设置监测系统，来监测套管出露长度，判断套管出露长度合适后，启动注浆系统向采空区注浆。

在回采过程中，实时监测采空区的充填情况、套管位置、充填膏体流动情况等，充填膏体一般是在采空区内扩展，向液压支架一侧流动；本发明一般采用设置在液压支架后上方的视频监测系统来监测上述情况。当监测到套管前段埋入采空区的充填膏体中时，割断套管，使套管前段的出浆口始终出露在采空区，保障后续阶段充填；当充填量达到设计要求时(根据需要选择部分充填或全部充填)，停止充填。

由于充填膏体向液压支架一侧流动，本发明在液压支架后连接一个挡护装置，用于挡护充填膏体流入采煤作业区的挡护装置，挡护装置同液压支架同步移动。

在采煤过程中需要间断性的隔断套管，因此在液压支架后方设置一个切割装置，切割装置安装在套管1的正下方，整体呈倾斜向上设置，用于割断采空区的套管。

工作面回采过程中，对于泥岩、粉砂岩等软弱直接顶岩层，可以随着回采及时垮落，保证套管出露于采空区；对于坚硬不易垮落的细砂岩、中砂岩，甚至粗砂等不易垮落的直接顶岩层，在水平定向长钻孔中采用空气炮或水力切割的方式将直接顶岩层切割落入采空区，保证套管能够在采空区出露。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

实施例1

本实施例公开了一种综采工作面采空区充填系统，如图11所示，包括注浆通道1、挡护装置2和切割装置3。其中，注浆通道1包括设置在煤层直接顶岩层中的水平定向长钻孔11和设置在水平定向长钻孔中的套管12，水平定向长钻孔11沿综采工作面长度方向设置，水平定向长钻孔11为地面水平定向长钻孔或煤矿井下水平定向长钻孔，图1所示为地面水平定向长钻孔，图6所示为煤矿井下水平定向长钻孔。

挡护装置2设置为靠近采空区5一侧的充填体挡护结构，用于阻挡充填体6流向煤壁一侧。本实施例的挡护装置2包括挡板21和连接挡板21上的连接杆22，连接杆22与液压支架4连接。通过液压支架3带动挡护装置2同步移动，挡板21为竖直板，连接杆22可设置为伸缩臂结构，用于调整挡板21与液压支架3的距离。

切割装置3用于切割采空区5部分的套管12。本实施例的切割装置3包括伸缩臂31和连接在伸缩臂31的割刀32或剪刀等，本发明将伸缩臂31设置有机械臂结构，用于调整割刀32的位置使其能够较为准确的接触套管12，井下工作人员根据监测系统反馈的情况来调整伸缩臂31的位置，使割刀32与套管12位置相对应。本实施例的切割装置3安装在套管1的正下方，切割装置3整体呈倾斜向上设置。

本实施例的水平定向长钻孔沿工作面宽度方向均匀布设有多组，如图12所示，多组水平定向长钻孔沿工作面长度方向平行展布。

作为本实施例的进一步优选方案，在液压支架5后顶梁上还设置有监测装置6，用于检测采空区5情况，比如顶板垮落、套管露出、套管切割、膏体充填量、膏体凝结、膏体流向液压支架一侧等情况。

作为本实施例的另一实施方案，在上述装置的基础上，还设置有地面充填材料处理系统，地面充填材料处理系统具体包括材料存储仓，包括矸石、粉煤灰、水、添加剂等；骨料处理系统，用于处理矸石、粉煤灰粉碎等；膏体制备系统，用于将骨料、水、添加剂混合制浆。

本实施例通过将注浆通道设置在煤层直接顶岩层中，有效避免现有煤矿井下膏体充填面临的膏体输送距离远、充填能力低，以及地面直孔充填面临的钻孔数量多、地面建设多等问题。

实施例2

本实施例公开了一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤系统，该采煤系统包括采煤机、液压支架以及实施例1记载的综采工作面采空区充填系统。其中，挡护装置2设置在液压支架4位于采空区5的一侧，切割装置3连接在液压支架4靠近后顶梁位置。

本实施例的采煤系统一方面实现了综采工作面随采随充，通过采空区部分及时充填，实现对采空区上覆岩层减沉、控沉的目的；另一方面有效避免现有孔下膏体充填面临的膏体输送距离远、充填能力低，以及地面直孔充填面临的钻孔数量多、地面建设多等问题。

实施例3

本实施例以西北某煤矿为例，煤层埋深420-450m，工作面宽度300m，长度3000m，煤层厚度平均3m，工作面煤层一次采全高，工作面煤层上方分布厚度3至5m泥岩(粉砂质泥岩、砂质泥岩)直接顶板，直接顶板岩层在回采过程中随采随时垮落，直接顶岩层上方分布稳定的坚硬老顶；采煤作业3班倒，2班采煤，1班检修；每日回采进尺16米，一个工作面年产量约400万吨。

在地面选择合适位置，建设材料存储系统、材料制备站和孔口泵注系统，其中材料存储系统包含充填材料存储仓、骨料粉碎仓；泵注系统包含材料混合仓、注浆泵组等；充填材料包括矸石、粉煤灰、水、速凝剂、膨胀剂等。本实施例不对充填膏体作特别限定，可采用现有的充填膏体，但优选初凝时间短的充填膏体，这样可减少等待充填膏体成型、凝固的时间，提高采煤进程。

沿工作面长度方向设计3个孔组，为第1孔组、第2孔组、第3孔组，每个孔组包含10个地面水平定向长钻孔眼，作为膏体充填通道；水平孔眼长度1000m，孔眼水平段分布于煤层上方泥岩直接顶板内，距煤层2m范围内；钻孔等间距平行分布，孔间间距为30m；

本实施例提供的一种实现煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，如图1至图5所示，具体实施方式如下所述：

步骤1，在待回采工作面上方施工地面水平定向长钻孔组，水平段沿工作面长度方向平行分布，水平段1000m，孔间间距30m；水平段位于煤层上方泥岩直接顶板中，距离煤层距离在2m以内；在钻孔中下入非金属套管，如pe材质等，形成注浆通道。

步骤2，在工作面采煤设备安装好以后，开始工作面煤层回采；安装在液压支架4后侧的挡护装置2随着液压支架4移动而向前移动，阻止充填膏体流入采煤作业区域。在开始回采的第一个采煤班组开始回采3～4m后，直接顶岩层8即垮落，散落于采空区5底板；套管12出露于采空区5中，受重力影响，前端弯曲下移；

步骤3，通过液压支架4上安装的监测系统6，判断套管出露长度合适后，本实施例中设定套管露出1m左右，即可启动地面充填系统，将充填膏体通过注浆通道注入采空区、与直接顶板岩层垮落的岩块混合堆积于采空区；随着采煤进尺推进、液压支架前移，充填作业持续开展；

步骤4，通过监测系统对采空区充填情况、套管完好程度、充填膏体流动情况(采空区内的扩展、向液压支架一侧的流动)进行实施监控，当充填量达到设计要求时(本实施例为部分充填)，停止充填；当监测到套管前段埋入采空区的充填膏体中时，启动切割装置3，将套管12前端割断，使套管12前端(即出浆口)阶段性跟随采煤前进，保障后续阶段充填；

步骤5，继续开展回采、充填作业，逐步第1孔组覆盖区域的工作面采充作业；当完成第1孔组覆盖区域的采充作业后，如上述依次完成第2孔组、第3孔组覆盖区域的采充作业，直至完成整个工作面作业。

实施例4

本实施例以西北某煤矿为例，煤层埋深200-230m；工作面宽度300m，长度3000m，煤层厚度平均3.5m，工作面煤层一次采全高，工作面煤层上方分布厚度2至4m泥岩直接顶板，直接顶板在回采过程中随采随时垮落，直接顶上方分布砂岩坚硬老顶；采煤作业3班倒，2班采煤，1班检修；每日回采进尺14米，一个工作面年产量约400万吨。

同实施例3，在地面选择合适位置，建设材料存储系统、材料制备站和孔口泵注系统，其中材料存储系统包含充填材料存储仓、骨料粉碎仓；泵注系统包含材料混合仓、注浆泵组等；充填材料包括矸石、水、速凝剂、膨胀剂等。

沿工作面长度方向设计5个孔组，为第1孔组、第2孔组、第3孔组、第4孔组、第5孔组，每个孔组包含15个煤矿井下水平长钻孔眼，作为膏体充填通道；水平孔眼长度600m；孔眼水平段分布于煤层上方泥岩直接顶板岩层内，距煤层2m范围内；钻孔等间距平行分布，孔间间距为20m。

本实施例提供的一种实现煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，如图6至图10所示，具体实施方式如下所述。

步骤1，在待回采工作面巷道中施工煤矿井下水平定向长钻孔组，水平段沿工作面长度方向平行分布，水平段600m，孔间间距20m；水平段位于煤层上方泥岩直接顶板岩层中，距离煤层距离在2m以内；在钻孔中下入非金属套管，形成注浆通道。

步骤2，在工作面采煤设备安装好以后，开始工作面煤层回采；安装在液压支架后侧的挡护装置2随着液压支架4移动而向前移动，阻止充填膏体流入采煤作业区域。在开始回采的第一个采煤班组开始回采3～4m后，直接顶岩层8即垮落，散落于采空区底板；套管12出露于采空区5中，受重力影响，套管12前端弯曲下移。

步骤3，通过液压支架4上安装的监测系统6判断套管12出露长度合适后，本实施例中设定套管露出1m左右，即可开始启动地面充填系统，将充填膏体通过注浆通道钻孔注入采空区、与直接顶板岩层垮落的岩块混合堆积于采空区5中；随着采煤进尺推进、液压支架前移，充填作业持续开展。

步骤4，通过监测系统对采空区充填情况、套管完好程度、充填膏体流动情况(采空区内的扩展、向液压支架一侧的流动)进行实施监控，当充填量达到设计要求时(本实施例为部分充填)，停止充填；当监测到套管前段埋入采空区的充填膏体中时，启动切割装置3，将套管12前端割断，使套管12前端(即出浆口)阶段性跟随采煤前进，保障后续阶段充填。

步骤5，继续开展回采、充填作业，逐步第1孔组覆盖区域的工作面采充作业；当完成第1孔组覆盖区域的采充作业后，如上述依次完成第2孔组第3孔组、第4孔组、第5孔组覆盖区域的采充作业，直至完成整个工作面作业。