控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法

专利名称：控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法
技术领域：
本发明涉及一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，适用 于厚度在3米以下煤层的采煤工作面，属于煤炭开采充填领域。
背景技术：
随着我国煤炭开采强度的不断增加，因开采造成的地面下沉对环境的影响日益 突出；而随着开采时间的延长，浅部(600米以上)可采储量越来越少，深部开采的生产 成本和安全成本越来越高。如何有效解决因采煤塌陷造成的环境影响和有效利用因“三 下”压煤目前尚无法开采的浅部资源，是当前煤炭行业面临的重要课题。防止开采引起的地面沉降、塌陷，保护地面建筑物及附着物，已知的开采方法 有三种其一是房柱式开采，它是将被开采煤体开采成比较规则的房柱状，通过留设的 矿房间柱、区段隔离煤柱等支撑上覆岩层重量，而达到控制顶板岩层破坏与垮落，减小 采动对地面建(构)筑物影响的目的。房柱式开采的煤炭资源回收率低于40%，而且支 护手段欠缺，易发生冒顶事故，我国目前应用的极少。其二是充填开采，它是用矸石、 黄土、河沙等材料充填采空区，阻止顶板岩层冒落破坏的发展与扩大，最终达到减缓地 表沉陷，保护地面建(构)筑物的目的。如专利公开号为CN1936271A的“煤矿矸石 充填无煤柱开采工作面采空区的方法”，公开了一种将煤矿矸石通过运输机和皮带等机 械充填到采空区的办法。这类方法受材料、设备、工艺的局限，充填物无法密实的充满 采空区，而且该方法在采空区作业的设备和人员都无法在安全有效的支护条件下作业， 所以在防止地表沉陷上仍有较大局限。其三是条带开采并附以矸石充填的方式，它是将 被开采的煤层划分成规则的条带状，采一条，留一条，通过减小开采块段内煤层绝对开 采面积，而达到减小地表移动和变形，保护地面建(构)筑物的目的。如专利公开号为 CN1483921A的“洞穴填充采煤方法”、专利公开号为CN1952349A的“利用矸石置换村 庄下压煤的开采方法”、专利公开号为CN1963149A的“建筑物下矸石置换条带煤柱的 开采方法”等，公布的方法就属于此类。这类方法的煤炭回收率低，小于50%，虽然附 以矸石回填的办法，对减缓地面沉降有一定的效果，但是从资源回收率极低和开采成本 增加很多、安全性差等方面考虑就有些得不偿失了。还有如专利公开号为CN1410655A 的“建筑物或构筑物下压煤大条带协调式全部开采方法”中，公布的是一种先进行跳 采，再将跳采所留的煤层区段同时进行快速强采的方法，它也是条带开采的一种，虽然 这种方法的回采率有了很大提高，但是地表沉陷的不均勻性仍然较大，而且关键的后期 强采阶段在不同地区和煤层条件下的地表移动变形是很难得到保证的，因此，能否达到 预期的沉降效果的影响因素较大，存在较大风险。综上所述，目前国内、外尚没有一种煤层开采后有效控制上覆岩层移动变形， 防止地表沉降、避免影响环境的顶板控制方法。

发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够利用上 覆岩层岩性、通过高水膨胀材料条带式部分充填的方法有效控制煤层开采后上覆岩层的移 动变形、解决“三下”压煤的开采回收率低及安全程度低等问题的控制上覆岩层移动变形 的高水膨胀材料条带式充填方法，尤其适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种控制上覆岩层移动变形的高 水膨胀材料条带式充填方法，其特征在于该方法按下述步骤进行(1)分析煤层顶板岩性特征，找出开采后对地表沉降变形起主要作用的岩层—— 关键层，通过理论计算和实际观测，确定关键层的极限跨度L和安全跨度M，根据充填 材料的支撑强度，计算确定充填条带宽度N;(2)布置充填条带垂直或平行于采煤工作面间隔布置充填条带，使Μ+N^L ；所述充填条带的充填材料选用高水膨胀材料，该高水膨胀材料是由粉煤灰、膨 胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10 30%， 各原料按以下配比组成粉煤灰300 400kg/m3膨胀剂0.2 lkg/m3延缓剂0.6 0.8kg/m3固化剂30 100kg/m3水 800 1000kg/m3其中，所述的膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。通过高水膨胀充填材料，可以满足及时充填、充分接顶、快速凝固的要求，充 填条带和关键层会对上覆岩层进行有效的支撑，就像桥墩和桥梁一样，从而达到控制地 表变形、保护地面建筑物和附着物的目的。选用高水膨胀材料进行充填的工艺步骤如下a、制作充填挡墙，包括侧面挡墙和底面挡墙，侧面挡墙和底面挡墙围成充填 区；b、通过管道将高水膨胀材料输送到充填挡墙围成的充填区中，待充填区充满后 停止充填工作，并将充填区的上方开口密封。所述的垂直于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置垂直于采煤工作面的充填条带，即充填 条带横向设置，两相邻充填条带之间的间距SL，充填工作的周期视煤层直接顶完整情况 而定，可以随采煤工作面每循环一充，也可以在一个周期来压步距内一充，按上述步骤 进行循环操作，直到到达停采线停止作业。对于上述条带充填方法，只要待充区内直接顶不冒落，不影响充填的接顶充 实，就可以适当增加一次充填的长度这样，可以通过减少充填次数达到提高充填效率的 效果。所述的平行于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置平行于采煤工作面的充填条带，即充填 条带纵向设置，充填工作随采煤工作面的推进进行，具体操作如下
a、自开切眼始，采煤工作面的推进距离SM时，开始建立充填条带；b、当充填宽度达到N时，停止充填，采煤工作面继续推进；C、当采煤工作面从上一充填条带起推进至SM距离时，再建立充填条带；按上述步骤进行循环操作，直到到达停采线停止作业。本发明适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面，依据岩层控制的关键层理 论，利用高水膨胀材料对其采空区进行条带式的部分充填方法。本条带充填方法可实现 任何条件下的煤炭资源的高回收率开采，并能够大幅度地提高采煤工作面的安全程度， 不影响正常的回采工艺，操作方便，在实现无煤柱回采的同时，能将煤层上覆岩层移动 变形和地表的沉降变形控制在建筑物允许变形的极小范围内，实现地表平缓均勻下沉量 极小，达到保护地表建筑和附着物、不造成地表环境破坏、实现绿色开采目的，而且通 过利用关键层以及强度充足、主动接顶的充填条带形成的梁式结构支撑关键层以上的岩 层，达到控制上覆岩层移动变形的目的。本发明所具有的有益效果是提供一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料 条带式充填方法，适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面，依据岩层控制的关键层理 论，可针对煤层上覆岩层的岩性采取不同的充填比例，使上覆岩层的移动变形完全控制 在允许范围内，而且通过控制关键层，能够确定最经济的充填率，实现效益最大化；在 实现无煤柱回采的同时，能将煤层上覆岩层移动变形和地表的沉降变形控制在建筑物允 许变形的极小范围内，实现地表平缓均勻下沉量极小，达到保护地表建筑和附着物、不 造成地表环境破坏、实现绿色开采目的；利用高水膨胀材料对采空区进行条带式的部分 充填方法，可实现任何条件下的煤炭资源的高回收率开采，并能够大幅度地提高采煤工 作面的安全程度；充填过程中不影响正常的采掘工程布置，对生产影响小，生产效率 尚ο


图1是平行于采煤工作面布置充填条带的结构示意图；图2是垂直于采煤工作面布置充填条带的结构示意图。图中1、采空区；2、充填区；3、采煤工作面
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，该方法按下述步骤进 行(1)分析煤层顶板岩性特征，找出开采后对地表沉降变形起主要作用的岩层—— 关键层，通过理论计算和实际观测，确定关键层的极限跨度L和安全跨度M，根据充填 材料的支撑强度，计算确定充填条带宽度N，利用充填条带和关键层形成的梁式结构支 撑关键层以上的岩层，达到控制上覆岩层移动变形的目的；(2)布置充填条带垂直或平行于采煤工作面间隔布置充填条带，使Μ+N^L ；所述充填条带的充填材料选用高水膨胀材料，该高水膨胀材料是由粉煤灰、膨 胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，膨胀剂选用铝粉，延缓剂选用石膏粉，固化剂
5选用石灰，各原料按以下配比组成粉煤灰300 400kg，铝粉0.2 lkg，石膏粉0.6 0.8kg,水泥30 100kg，水800 1000kg，固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10
30%。通过高水膨胀充填材料，可以满足及时充填、充分接顶、快速凝固的要求，充填 条带和关键层会对上覆岩层进行有效的支撑，就像桥墩和桥梁一样，从而达到控制地表 变形、保护地面建筑物和附着物的目的。选用高水膨胀材料进行充填的工艺步骤如下a、制作充填挡墙，包括侧面挡墙和底面挡墙，侧面挡墙和底面挡墙围成充填 区；b、通过管道将高水膨胀材料输送到充填挡墙围成的充填区中，待充填区充满后 停止充填工作，并将充填区的上方开口密封。所述的垂直于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置垂直于采煤工作面的充填条带，即充填 条带横向设置，两相邻充填条带之间的间距SL，充填工作的周期视煤层直接顶完整情况 而定，可以随采煤工作面每循环充填一次，也可以在一个周期来压步距内充填一次，按 上述步骤进行循环操作，直到到达停采线停止作业。对于上述条带充填方法，只要待充区内直接顶不冒落，不影响充填的接顶充 实，就可以适当增加一次充填的长度这样，可以通过减少充填次数达到提高充填效率的 效果。所述的平行于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置平行于采煤工作面的充填条带，即充填 条带纵向设置，充填工作随采煤工作面的推进进行，具体操作如下a、自开切眼始，采煤工作面的推进距离SM时，开始建立充填条带；b、当充填宽度达到N时，停止充填，采煤工作面继续推进；C、当采煤工作面从上一充填条带起推进至SM距离时，再建立充填条带；按上述步骤进行循环操作，直到到达停采线停止作业。本发明适用于厚度在3 米以下煤层的采煤工作面，依据岩层控制的关键层理论，利用高水膨胀材料对其采空区 进行条带式的部分充填方法。本条带充填方法可实现任何条件下的煤炭资源的高回收 率开采，并能够大幅度地提高采煤工作面的安全程度，不影响正常的回采工艺，操作方 便，在实现无煤柱回采的同时，能将煤层上覆岩层移动变形和地表的沉降变形控制在建 筑物允许变形的极小范围内，实现地表平缓均勻下沉量极小，达到保护地表建筑和附着 物、不造成地表环境破坏、实现绿色开采目的，而且通过利用关键层以及强度充足、主 动接顶的充填条带形成的梁式结构支撑关键层以上的岩层，达到控制上覆岩层移动变形 的目的。具体结合六层煤和九层煤的条带充填方法对本发明作具体说明1、六层煤垂直于采煤工作面布置充填条带①六层煤顶板岩性分析及充填尺寸确定六层煤分为上下两层。上层煤厚0.2 0.3米，下层煤厚0.6 0.8米，全厚1 米左右；中间夹石为1米厚的粉砂或粉泥互层。为便于试验，一次采全高2米，直接顶 板为5米厚的粉砂岩，其上是一条0.4米厚的煤线，再上为5米厚的粉砂岩。经分析，此类顶板初次来压步距大于20米，在20 30米之间。为安全起见，确定极限跨度为25 米，安全跨度为20米，采煤工作面采用倾斜长壁仰采布置，面长90米，间隔15米布置 一个充填条带，充填条带宽15米，充填率50%;②采煤充填步骤从采煤工作面开切眼始，每隔15米建一个充填挡墙，间隔充填。随采煤工作面 的推进，三八制时，两班采煤，一班充填；四六制时，三班采煤，一班充填，直至采煤 工作面停采线，如图2所示。由于此种方式开采后充填及时，不造成采空区顶板下沉，经地面观测，观测不 到下沉量，因此这种高水膨胀材料条带式部分充填方法能够很好的控制上覆岩层的移动 变形。2、九层煤平行于采煤工作面布置充填条带①九层煤顶板岩性分析及充填尺寸确定九层煤直接顶大部分为3.0米厚的火成岩，部分块段为泥岩，其上为1米左右的 石灰岩，再上为4.3米厚的粉砂岩和4.0米厚的细砂岩和粉砂岩细砂岩互层。根据开采经 验，此种类型顶板初次来压步距大于15米，在15米 25米之间。为安全起见，确定极 限跨度为20米，安全跨度为15米，充填带宽度10米，两相邻充填条带间隔10米，充填 率 50% ；②采煤充填步骤采煤工作面自开切眼推进，采空区达到10米时在密集支柱处建充填挡墙I，工 作面再推进2米时，在密集支柱处建充填挡墙II，这样挡墙I和II之间形成密闭空间，自 回风顺槽挡墙II预留充填口处进行充填，完成第一次充填。间隔2米建挡墙III，进行第 二次充填，如此循环充填五次，充填条带10米宽，间隔10米后再用同样方法充填第二条 带，如此循环直至第一个采煤工作面结束，再进行相邻工作面开采，如图1所示。经过观测，在采高1.2 1.5米，采深230 270米，充填间隔10米，充填条带 宽10米，充填率50%，回采率100%的情况下，开采后的地面沉降在0 50mm，控制 上覆岩层移动变形的效果也很明显。
权利要求
1.一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其特征在于该方 法按下述步骤进行(1)分析煤层顶板岩性特征，找出开采后对地表沉降变形起主要作用的岩层一关键 层，通过理论计算和实际观测，确定关键层的极限跨度L和安全跨度M，根据充填材料 的支撑强度，计算确定充填条带宽度N;(2)布置充填条带垂直或平行于采煤工作面间隔布置充填条带，使M+NSL;上述充填条带的充填材料选用高水膨胀材料。
2.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其 特征在于选用高水膨胀材料进行充填的工艺步骤如下a、制作充填挡墙，包括侧面挡墙和底面挡墙，侧面挡墙和底面挡墙围成充填区；b、通过管道将高水膨胀材料输送到充填挡墙围成的充填区中，待充填区充满后停止 充填工作，并将充填区的上方开口密封。
3.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其 特征在于所述的垂直于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置垂直于采煤工作面的充填条带，即充填条带 横向设置，两相邻充填条带之间的间距SL，充填工作的周期视煤层直接顶完整情况而 定，可以随采煤工作面每循环一充，也可以在一个周期来压步距内一充，按上述步骤进 行循环操作，直到到达停采线停止作业。
4.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其 特征在于所述的平行于采煤工作面布置充填条带的方法从开切眼开始，在采空区等间距的布置平行于采煤工作面的充填条带，即充填条带 纵向设置，充填工作随采煤工作面的推进进行，具体操作如下a、自开切眼始，采煤工作面的推进距离SM时，开始建立充填条带；b、当充填宽度达到N时，停止充填，采煤工作面继续推进；C、当采煤工作面从上一充填条带起推进至SM距离时，再建立充填条带；按上述步骤进行循环操作，直到到达停采线停止作业。
5.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法， 其特征在于所述的高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料 浆，固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10 30%，各原料按以下配比组成粉煤灰300 400kg/m3膨胀剂0.2 lkg/m3延缓剂0.6 0.8kg/m3固化剂30 100kg/m3水 800 1000kg/m3
6.根据权利要求5所述的控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，其 特征在于所述膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。
全文摘要
本发明属于煤炭开采充填领域，特别涉及一种控制上覆岩层移动变形的高水膨胀材料条带式充填方法，适用于厚度在3米以下煤层的采煤工作面，依据岩层控制的关键层理论确定关键层的极限跨度L和安全跨度M，然后根据充填材料的支撑强度，计算确定充填条带宽度N，并用高水膨胀材料对充填条带进行充填。通过控制关键层，能够确定最经济的充填率，实现效益最大化；在实现无煤柱回采的同时，使上覆岩层的移动变形完全控制在允许范围内，实现地表平缓均匀下沉量极小；利用高水膨胀材料可实现任何条件下的煤炭资源的高回收率开采，并能够大幅度地提高采煤工作面的安全程度；充填过程中不影响正常的采掘工程布置，对生产影响小，生产效率高。
文档编号C04B28/00GK102011611SQ20101056559
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刘树江, 李志佩, 王向宏, 王德良, 王苇, 王龙珍, 石建新, 路连营, 韩吉玉 申请人:淄博市王庄煤矿