中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法
【专利摘要】本发明公开了中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法，包括以下步骤：形成U形通风系统?准备残采区充填材料?充填残采区；在充填残采区时，采用自移履带式充填系统，以前进式充填方式或后退式充填方式，向条带采空区域进行充填，其中，前述前进式充填方式包括：前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式，前述后退式充填方式包括：后退式充填后退式煤柱置换同步开采方式、后退式充填后退式煤柱置换异步开采方式。本发明的有益之处在于：安全性好，煤柱置换率高。
【专利说明】
中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种残采区煤柱置换方法，具体涉及一种中小矿井窄条带开采残采区 局部充填煤柱置换方法，属于煤炭开采技术领域。
【背景技术】
[0002] "窄条带"开采是基于浅埋深薄基岩煤层开采而提出的一种保水采煤方法。条带开 采设计中一般条带开采宽度都在30m-40m及以上，目前采矿界的共识是将80m以上条带采宽 称为宽条带开采，小于30m条带采宽称为窄条带开采，30m-80m之间的条带采宽称为普通条 带开采。"窄条带"开采很难完全按照标准的长壁体系布置工作面，只是在为了保水的条件 下应用。陕北榆神府煤田大开发初期为了支持地方经济的发展，曾在一些区域划分了地方 煤矿开采区，最初井型很小，大都采用旧房柱式开采。近年来经过关停非法小煤窑、资源整 合，已经发展成〇.3Mt/a以上，采煤方法已经和正在进行改造。其中一部分矿井地处保水区 域，而且埋藏深度浅，煤层厚度大，当前广泛应用"窄条带"保水开采作为过渡性开采方法。 开采系统采用长壁布置，一般采用"采12留8"方案，即每开采12m宽条带煤体，留8m宽条带煤 柱支撑顶板及上覆盖层，保护含水层，同时采过10个左右条带煤体后留设20m宽隔离煤柱， 这种开采方式工作面采出率在50 %左右。"窄条带"保水开采作为陕北中小煤矿过渡性的一 种保水开采方法，当前开采后形成的残采区均未进行充填复采。考虑到残采区域普遍留设 的12m宽条带煤柱稳定性好，这就为后期在资金，特别是复采技术能充分保证的前提下开展 局部充填保水开采置换条带煤柱打下了坚实的基础。
[0003] 本发明即是为原采用"采12留8"开采方案形成残采区后，通过充填方式置换条带 煤柱的一种残采区局部充填采煤方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法， 该煤柱置换方法不仅安全性好，而且煤柱置换率高。
[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0006] -种中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法，其特征在于，包括以下 步骤：
[0007] Stepl、形成U形通风系统：
[0008] 开采10个条带，有10个条带煤柱后，留设一个隔离煤柱，采用后退式置换方式置换 条带煤柱，残采区域的氧气浓度达到正常值后，从隔离煤柱开始，朝着最初的条带煤柱方 向，逐渐封闭采空条带区域两个端头部分，最终形成一个U形通风系统，新鲜风流自运输顺 槽进入，吹过被置换的条带煤柱工作面后，污风沿回风顺槽返回至回风大巷；
[0009] Step2、准备残采区充填材料：
[0010] 以地表风积砂作为主料、碎石或粉煤灰作为骨料、水泥作为胶合剂，加适量水混合 后获得混合料，即残采区充填材料；
[0011] Step3、充填残采区：
[0012] 采用自移履带式充填系统，以前进式充填方式或后退式充填方式，向条带采空区 域进行充填，其中，前述前进式充填方式包括:前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式， 前述后退式充填方式包括:后退式充填后退式煤柱置换同步开采方式、后退式充填后退式 煤柱置换异步开采方式。
[0013] 前述的方法，其特征在于，在Stepl中，前述条带的宽度为12m，条带煤柱的宽度为 8m，隔离煤柱的宽度为20m。
[0014] 前述的方法，其特征在于，在Stepl中，封闭采空条带区域两个端头时，采用砖结构 风墙进行封闭。
[0015] 前述的方法，其特征在于，在Stepl中，置换条带煤柱过程中，第1排条带煤柱被置 换采出后，将第1排条带煤柱和第2排条带煤柱间的砖结构风墙打开，再开采第2排条带煤 柱，以此类推，持续形成稳定的U形通风系统。
[0016] 前述的方法，其特征在于，在Step2中，前述地表风积砂、碎石或粉煤灰、水泥三者 之间的配比为6:3:1。
[0017] 前述的方法，其特征在于，在Step3中，采用前进式充填后退式煤柱置换异步开采 方式时，在煤柱置换开采前，由隔离煤柱朝边界煤柱方向，对各条带煤柱间的条带采空区域 充填，以前进式充填完所有条带采空区域，然后对充填后的条带采空区域进行封闭，形成U 形通风系统后再采用后退方式置换开采条带煤柱。
[0018] 前述的方法，其特征在于，在Step3中，采用前进式充填后退式煤柱置换异步开采 方式充填时，条带采空区域的充填带紧靠条带煤柱，充填宽度8m，并留下4m的作业与通风通 道。
[0019] 前述的方法，其特征在于，在Step3中，采用后退式充填后退式煤柱置换同步开采 方式时，先对第1条带煤柱与边界煤柱间的条带采空区域进行充填，充填时，混合料紧靠边 界煤柱充填，充填长度为切眼长度，充填宽度取8m，边界煤柱与第1条带煤柱间的8m宽条带 采空区域充填完毕后，打开第1与第2条带煤柱间的密闭，在第1与第2条带煤柱间的条带采 空区域进行充填，第1与第2条带煤柱间的条带采空区域充填完毕后，进行第1条带煤柱的置 换开采，第1条带煤柱置换开采的同时，进行第2与第3条带煤柱间的条带采空区域充填，置 换第2条带煤柱的同时，充填第3与第4条带煤柱间条带采空区域，以此类推，直至将所有条 带煤柱全部置换、充填完毕。
[0020] 前述的方法，其特征在于，在Step3中，采用后退式充填后退式煤柱置换异步开采 方式时，先后退式充填完所有条带采空区域，然后对充填后的条带采空区域进行封闭，形成 U形通风系统后再采用后退方式开采条带煤柱。
[0021] 本发明的有益之处在于：
[0022] (1)安全性好
[0023]无论是前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式，还是后退式充填后退式煤柱置 换同步/异步开采方式，都避免了由于个别煤柱意外破坏造成顶板岩层大范围破坏的可能 性，大大提高了置换开采过程中煤柱整体的安全性；
[0024] (2)煤柱置换率高
[0025]无论是前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式，还是后退式充填后退式煤柱置 换同步/异步开采方式，都能够将条带煤柱全部置换出来，煤柱置换率极高。
【附图说明】
[0026] 图1是采12留8条带开采后残采区示意图；
[0027] 图2是条带采空区域端部采取封闭措施后的残采区示意图；
[0028] 图3(a)是充填第1与第2条带煤柱间条带采空区域的示意图；
[0029] 图3(b)是置换第1条带煤柱同时充填第2与第3条带煤柱间条带采空区域的示意 图；
[0030] 图3(c)是置换第2条带煤柱同时充填第3与第4条带煤柱间条带采空区域的示意 图；
[0031 ]图3(d)是置换条带煤柱完毕后采空区充填状况示意图；
[0032] 图4是后退式充填后退式煤柱置换异步开采示意图；
[0033] 图5是前进式充填后退式煤柱置换异步开采示意图。
【具体实施方式】
[0034] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0035]以榆神府矿区中小煤矿为例。
[0036] 一、形成U形通风系统
[0037] 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(安监总煤行〔2007〕216号）第三条规定，小煤矿必须采用壁式采煤 方法，采煤工作面必须形成全风压通风系统，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。
[0038] 参照图1，开采10个条带，每个条带的宽度为12m，有10个条带煤柱(每个条带煤柱 的宽度为8m)后，留设一个隔离煤柱，隔离煤柱的宽度为20m。
[0039] 残采区条带煤柱被置换采出之前，应使风流保持正常运行。
[0040] 残采区条带煤柱被置换时，采用后退式置换方式。为防止风流短路，必须将已采空 的条带区域两个端头进行封闭。封闭前应检测采空区的瓦斯浓度、C0浓度和氧气浓度，将采 空区瓦斯稀释，并排出有毒、有害气体，以便为工人在残采区作业创造良好的环境。当残采 区域的氧气浓度达到正常值后，从隔离煤柱开始，朝着最初的条带煤柱方向，即由第10排条 带煤柱向第1排条带煤柱方向逐渐封闭采空条带区域两个端头部分，最终形成一个U形通风 系统。
[0041] 参照图2,新鲜风流自运输顺槽进入，吹过被置换的条带煤柱工作面后，污风沿回 风顺槽返回至回风大巷。
[0042] 封闭残采区条带采空区域两个端头时，为防止漏风，采用砖结构风墙对条带采空 区域两个端头进行封闭。置换条带煤柱过程中，第1排条带煤柱被置换采出后，先将第1排条 带煤柱和第2排条带煤柱间的砖结构风墙打开，再开采第2排条带煤柱，以此类推，持续形成 稳走的U形通风系统。
[0043]二、准备残采区充填材料
[0044]榆神府矿区中小煤矿地处毛乌素沙漠的边缘地带，地表大部分为典型的风成沙丘 及风沙滩，具有丰富的黄砂资源，风积砂可作为残采区主要的充填原料。
[0045] 毛乌素沙漠风积砂天然干密度在1.53-1.64g/cm3，比重一般在2.63-2.67之间，粒 径以细粒为主，粉粒及黏粒含量极少，属于细砂级。风积砂物质组成以石英、长石等轻矿物 为主，重矿物含量少但种类较多，以角闪石、绿帘石和石榴石为主。
[0046] 风积砂粒度成分以细砂(0.25mm-〇. 1mm)为主，极细砂(0. lmm-0.05mm)次之，中砂 (0.25mm-〇. 5mm)较少，大于0.5mm和小于0.05mm者含量极少。风积砂的不均勾系数为1.54-3.79，曲率系数多在1.0-2.36之间，中值粒径d 5Q为0.097-0.215，属于级配不良的细砂，属低 压缩性土。风积砂抗剪强度较低，理论粘聚力为0,存在颗粒间交错镶嵌与咬合作用所形成 的结构力，但数值较小，试验测得c值1 · 05kPa-l2 · 98kPa，料直25° -31°。
[0047]由于风积砂粒径过小，理论粘聚力为0,属于不良级配且无粘性，因此，如果不添加 部分骨料与胶合剂，颗粒之间没有嵌挤作用，风积砂将不易压实，残采区条带采空区域充填 后的风积砂带稳定性可能达不到强度要求。
[0048] 因此，考虑在风积砂中加入一定配比的粗骨料和少量胶凝材料，来增强风积砂材 料的整体强度。
[0049] 孔玉坤在《水泥粉煤灰稳定风积砂路用性能的研究》一文中指出，采用风积砂、粉 煤灰和水泥混合物：
[0050] (1)取配比风积砂:粉煤灰(〈0.074mm含量为79% ):水泥=57:35:8时，无侧限抗压 强度可达3.14MPa;
[0051 ] (2)取配比风积砂:粉煤灰(〈0.074mm含量为79 % ):水泥=82:10:8时，无侧限抗压 强度为1.35MPa。
[0052] 周慂波等在《水泥稳定风积砂作为路面基层材料的试验研究利用》一文中指出，采 用风积砂、碎石和水泥混合物，取配比水泥:碎石:风积砂=12.5:30.5:66时，7d无侧限抗压 强度可达2.32MPa。
[0053] 因此，在榆神府矿区地方中小煤矿浅埋深条件下（主采煤层埋深基本在150m以 内），以地表风积砂作为主料，以碎石或粉煤灰作为骨料，以水泥作为胶合剂，加适量水混合 后获得混合料，即残采区充填材料。经检测，该混合料7d无侧限抗压强度可达lMPa-3MPa，基 本可以满足浅埋煤层井下残采区条带采空区域充填的需要。
[0054] 针对榆神府矿区井下条带充填的实际情况，作为一种优选的方案，地表风积砂、碎 石或粉煤灰、水泥三者之间的配比为6:3:1。经检测，在该配比下，无侧限抗压强度可达 2MPa _3MPa〇
[0055] 此外，榆神府矿区中小煤矿地表具有丰富的风积砂资源，采用风积砂、碎石或粉煤 灰、水泥、水的混合充填材料(即混合料），相比于矸石充填或膏体充填具有明显的优势。 [0056]三、充填残采区
[0057] 由于风积砂细砂含量较多，所以进行水砂充填时，排泥难度会较大。
[0058] 同时，由于榆神府矿区中小煤矿主采煤层顶底板均含泥岩，泥岩不仅遇水稳定性 大幅下降，而且会造成工作面排水任务艰巨。
[0059] 因此，充填残采区时，不采用水砂充填方式，而采用以风积砂为主体的混合料充填 方式。
[0060] 充填系统采用自移履带式充填系统，主要由带式输送机、转载机、自移式履带充填 机及抛砂输送带组成。充填工艺设计为地表风积砂、碎石或粉煤灰、水泥经轨道或输送带至 采盘区储藏硐室，加水后混合料经转载机至运输顺槽(辅运顺槽)胶带，利用自移式履带充 填机向充填机前端抛砂输送带运送混合料，向条带采空区域进行充填。
[0061]残采区充填时，既可以采用前进式充填方式，也可以采用后退式充填方式。
[0062] 1、后退式充填方式
[0063] 采用后退式充填时，具体还可采用以下两种方式。
[0064] (1)后退式充填后退式煤柱置换同步开采方式
[0065]参照图3(a)，充填时先对第1条带煤柱与边界煤柱间的条带采空区域进行充填，利 用自移式履带充填机向充填机前端抛砂输送带运送混合料，向条带采空区域进行充填。充 填时，混合料紧靠边界煤柱充填，充填长度为切眼长度，充填宽度取8m，即风积砂充填体与 第1条带煤柱间留4m宽度作为工人作业与通风通道。边界煤柱与第1条带煤柱间的8m宽条带 采空区域充填完毕后，打开第1与第2条带煤柱间的密闭，在第1与第2条带煤柱间的条带采 空区域进行充填。第1与第2条带煤柱间的条带采空区域充填完毕后，即可进行第1条带煤柱 的置换开米。
[0066]参照图3(b)，第1条带煤柱置换开采的同时，进行第2与第3条带煤柱间的条带采空 区域充填。当置换第2个条带煤柱时，应将第1与第2条带煤柱间的充填条带与采空区进行封 闭，以防漏风。
[0067]参照图3(c)，置换第2条带煤柱的同时，充填第3与第4条带煤柱间条带采空区域。 [0068]以此类推，直至将所有条带煤柱全部置换、充填完毕。
[0069]参照图3(d)，条带煤柱置换与充填完毕后，共形成11个风积砂充填条带。
[0070] 这种充填方式较好地实现了条带煤柱的置换与条带采空区域的充填同时进行，工 作效率较高。
[0071] (2)后退式充填后退式煤柱置换异步开采方式
[0072]此种开采方式的过程是:先后退式充填完所有条带采空区域，然后对充填后的条 带采空区域进行封闭，形成U形通风系统后再采用后退方式开采条带煤柱。
[0073]参照图4,由边界煤柱朝隔离煤柱方向，先对各条带煤柱间的条带采空区域充填。 充填时条带采空区域的充填带紧靠条带煤柱，充填宽度8m，并留下4m的作业与通风通道。充 填第1与第2条带煤柱间的条带采空区域时，充填带紧靠第1条带煤柱，充填宽度8m，与隔离 煤柱间留4m的作业与通风通道，充填完毕后及时封闭充填第1与第2条带煤柱两个端头，接 着进行第2与第3条带煤柱间条带采空区域的充填，以此类推，直到充填完第10与隔离煤柱 间条带采空区域后封闭，形成正规的U形通风系统，即可着手进行第1条带煤柱的置换开采。 [0074]在后退式充填中，异步开采方式相比于同步开采方式，在条带煤柱的稳定性、预防 顶板大范围垮落、防止通风系统风流短路等方面都比较有优势，更有利于保证开采区域围 岩整体安全，因此采用后退式充填时，以异步开采方式为优选。
[0075] 2、前进式充填方式
[0076] 考虑避免后退式充填过程中，由于个别煤柱意外破坏造成顶板岩层大范围破坏的 可能性，我们可以采用前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式。
[0077] 前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式，即在煤柱置换开采前，由隔离煤柱朝 边界煤柱方向，先对各条带煤柱间的条带采空区域充填，以前进式充填完所有条带采空区 域，充填时条带采空区域的充填带紧靠条带煤柱，充填宽度8m，并留下4m的作业与通风通 道;充填结束后，对充填后的条带采空区域进行封闭，形成U形通风系统后再采用后退方式 置换开采条带煤柱。
[0078]参照图5,充填隔离煤柱与第10条带煤柱间的条带采空区域时，充填带紧靠第10条 带煤柱，充填宽度8m，与隔离煤柱间留4m的作业与通风通道，充填完毕后及时封闭充填隔离 煤柱与第10条带煤柱两个端头，接着进行第10与第9条带煤柱间条带采空区域的充填，以此 类推，直到充填完第1条带煤柱与边界煤柱间条带采空区域，同时形成正规的U形通风系统， 即可着手进行第1条带煤柱的置换开采。
[0079] 前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式避免了由于个别煤柱意外破坏造成顶 板岩层大范围破坏的可能性，大大提高了置换开采过程中煤柱整体的安全性。
[0080] 需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变 换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种中小矿井窄条带开采残采区局部充填煤柱置换方法，其特征在于，包括以下步 骤： Step 1、形成U形通风系统： 开采10个条带，有10个条带煤柱后，留设一个隔离煤柱，采用后退式置换方式置换条带 煤柱，残采区域的氧气浓度达到正常值后，从隔离煤柱开始，朝着最初的条带煤柱方向，逐 渐封闭采空条带区域两个端头部分，最终形成一个U形通风系统，新鲜风流自运输顺槽进 入，吹过被置换的条带煤柱工作面后，污风沿回风顺槽返回至回风大巷； Step2、准备残采区充填材料： 以地表风积砂作为主料、碎石或粉煤灰作为骨料、水泥作为胶合剂，加适量水混合后获 得混合料，即残采区充填材料； Step3、充填残采区： 采用自移履带式充填系统，以前进式充填方式或后退式充填方式，向条带采空区域进 行充填，其中，所述前进式充填方式包括:前进式充填后退式煤柱置换异步开采方式，所述 后退式充填方式包括:后退式充填后退式煤柱置换同步开米方式、后退式充填后退式煤柱 置换异步开采方式。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在Step 1中，所述条带的宽度为12m，条带煤 柱的宽度为8m，隔离煤柱的宽度为20m。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在Stepl中，封闭采空条带区域两个端头 时，采用砖结构风墙进行封闭。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在Stepl中，置换条带煤柱过程中，第1排条 带煤柱被置换采出后，将第1排条带煤柱和第2排条带煤柱间的砖结构风墙打开，再开采第2 排条带煤柱，以此类推，持续形成稳定的U形通风系统。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在Step2中，所述地表风积砂、碎石或粉煤 灰、水泥三者之间的配比为6:3:1。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在Step3中，采用前进式充填后退式煤柱置 换异步开采方式时，在煤柱置换开采前，由隔离煤柱朝边界煤柱方向，对各条带煤柱间的条 带采空区域充填，以前进式充填完所有条带采空区域，然后对充填后的条带采空区域进行 封闭，形成U形通风系统后再采用后退方式置换开采条带煤柱。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在Step3中，采用前进式充填后退式煤柱置 换异步开采方式充填时，条带采空区域的充填带紧靠条带煤柱，充填宽度8m，并留下4m的作 业与通风通道。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在Step3中，采用后退式充填后退式煤柱置 换同步开采方式时，先对第1条带煤柱与边界煤柱间的条带采空区域进行充填，充填时，混 合料紧靠边界煤柱充填，充填长度为切眼长度，充填宽度取8m，边界煤柱与第1条带煤柱间 的8m宽条带采空区域充填完毕后，打开第1与第2条带煤柱间的密闭，在第1与第2条带煤柱 间的条带采空区域进行充填，第1与第2条带煤柱间的条带采空区域充填完毕后，进行第1条 带煤柱的置换开采，第1条带煤柱置换开采的同时，进行第2与第3条带煤柱间的条带采空区 域充填，置换第2条带煤柱的同时，充填第3与第4条带煤柱间条带采空区域，以此类推，直至 将所有条带煤柱全部置换、充填完毕。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在Step3中，采用后退式充填后退式煤柱置 换异步开采方式时，先后退式充填完所有条带采空区域，然后对充填后的条带采空区域进 行封闭，形成U形通风系统后再采用后退方式开采条带煤柱。
【文档编号】E21C41/18GK106089206SQ201610344565
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】邵小平, 武军涛, 柴敬, 李瑞千, 蔡小林
【申请人】西安科技大学