连续梁桥式充填法采煤工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续梁桥式充填法采煤工艺，适用于厚度在1米及以上煤层，能够以较少充填量实现控制地表沉降及其环境损害，其步骤如下：在壁式采煤工作面，沿其平行方向将采空区依次分割成若干个充填单元和留空单元，用移动式液压密闭充填装置将每个充填单元进行密闭，在充填单元的最高点设置通气孔，将每个充填单元与浆体材料的制送自助一体化设备连接成连通器式的充填系统，用膨胀性浆体材料进行充填，直至充满充实每个充填单元；沿工作面推进方向，移动液压密闭充填装置向前移动一个充填步距，形成新的密闭充填单元，重复充填动作，直至一个采煤面结束，采空区形成由若干个墙式固结充填体为支点和直接顶或老顶岩体为连续梁的桥式空间结构。
【专利说明】连续梁桥式充填法采煤工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续梁桥式充填法采煤工艺，适用于厚度在1米及以上的煤层，属于煤炭开采充填领域。
【背景技术】
[0002]为了控制地表沉降及其环境损害，部分煤炭开采企业选用了全采全充的充填法采煤工艺。这种充填法采煤工艺存在的主要不足是:一是因为需要充填的空间量相对较大，充填材料供不应求的矛盾较为突出，充填材料直接成本的增加幅度也难以控制；二是因为充填工作量相对较大，挤占采煤工序的时间也相对较多，由此造成采煤工作面原有的生产效率大幅度降低。
【发明内容】
[0003]根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是:提供一种适用于厚度在1米及以上煤层、能够以较少充填量实现控制地表沉降及其环境损害的连续梁桥式充填法采煤工艺。
[0004]本发明所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，该工艺按下述步骤进行:
[0005]①在壁式采煤工作面，沿其平行方向将采空区依次分割成若干个长方体的充填单元和留空单元，充填单元和留空单元间隔设置:
[0006]1)通过理论计算和现场观测，确认直接顶或老顶岩体的破断步距P ；
[0007]2)设计每个充填单元的宽度K为1.5?2倍的采煤高度h，长度L为一天的推进
距离，
[0008]3)设计留空单元的平行和垂直跨度均为H=PX (1/2?2/3)；
[0009]②采用移动式液压密闭充填装置，将每个充填单元进行密闭，并在充填单元的最高点设置通气孔，移动液压密闭充填装置是本单位已经授权的专利(专利号为201210125192.X)；
[0010]③将已经密闭的每个充填单元与浆体材料的制送自助一体化设备连接成为一个连通器式的充填系统，浆体材料的制送自助一体化设备是本单位已经授权的专利(专利号为 201320219898.2)；
[0011]④利用膨胀性浆体材料向施压的移动式液压密闭充填装置进行充填，直至充满充实每个充填单元；
[0012]⑤膨胀性浆体材料固结10?12小时后，沿工作面推进方向移动液压密闭充填装置向前移动一个充填步距，再形成新的密闭充填单元，准备下一个充填循环；
[0013]⑥随着采煤工作面推进，重复第③?⑤的步骤，直至一个采煤面结束，一个采煤面结束后，整个采空区形成了由若干个墙式固结充填体为支点和直接顶或老顶岩体为连续梁的桥式空间结构；
[0014]⑦根据地面建筑物保护等级的要求，确定对采空区的留空部分进行全部重填、部分充填或不充填，充填时，重复第③?④的步骤。
[0015]所述的膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、速凝剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1:1.2?1.5，膨胀率为10%以下，各原料按以下配比组成:
[0016]
基料500 ?650kg/m3
膨胀剂0.7?lkg/m3
速凝剂70?100kg/m3
固化剂20?50kg/m3
水750 ?900kg/m3
[0017]其中，所述的基料是粉煤灰、尾矿、赤泥、风积沙中的一种或几种；膨胀剂是锌粉或者石膏粉或两者的混合物；速凝剂是钙、铝氧熟料的混合物；固化剂是水泥或者炉渣或两者的混合物。
[0018]膨胀性浆体材料在充填结束后，2小时开始固化，8小时固化结束并实现10%以下的体积膨胀达到充分接顶，24小时达到支撑强度1.5MPa，28天达到最终强度lOMPa以上。因此，可以满足及时充填、快速凝固、充分接顶的要求。
[0019]本方法控制顶板的原理是:
[0020]以每个充填单元的固结充填体为支点，以直接顶或老顶的岩体为悬梁，整个采空区形成了连续梁桥式的空间结构。由于每一个直接顶或老顶岩体梁的跨度小于其破断步距，采空区的顶板不会垮落。因此，该方法能够保证顶板在整个开采过程中保持原始的地质力学平衡状态，从而把地表沉降及其环境损害控制在允许的任意程度之内。
[0021]本发明适用于厚度在1米及以上的煤层。依据煤层的厚度和工作面的推进速度，确定每个充填单元的几何尺寸；按照每个留空单元跨度小于直接顶或老顶岩体破断步距的原则，确定充填单元和留空单元的数量。采用移动式液压密闭充填装置将每个充填单元进行密闭，且将已经密闭的每个充填单元与浆体材料的制送自助一体化设备连接成为一个连通器式的充填系统，使用膨胀性浆体材料对充填单元进行充填。一个采煤面结束，整个采空区就形成了连续梁桥式的空间结构。根据地面建筑物保护等级的要求，确定对留空单元是否全部充填、部分充填或不充填。本方法可以用最小的充填成本将地表沉降及其环境损害控制在允许的任意程度之内，并保持采煤工作面的劳动效率不降低，属于1米及以上煤层充填开采【技术领域】。
[0022]本发明所具有的有益效果是:
[0023]本连续梁桥式充填法采煤工艺，适用于厚度在1米及以上煤层的充填开采，本工艺只需要将15-30%的采空区充实，就能有效控制顶板不垮落和地表不沉降，由此，减少了充填材料的需求数量、降低了充填工艺的直接成本、缩短了充填工序的作业时间和保持了采煤工序的生产效率。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1采煤工作面初始状态平面示意图；
[0025]图2采煤工作面开始回采状态平面态示意图；
[0026]图3采煤工作面开始充填状态平面示意图；
[0027]图4采煤工作面回采与充填状态平面示意图；
[0028]图5采煤工作面充填结果平面示意图；
[0029]图6采煤工作面充填结果垂直示意图。
[0030]图中:1、煤层；2、采空区；3、工作面；4、充填单元；5、充填体；6、留空单元。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述:
[0032]具体结合厚度为1.5米的4-2的煤层1对本发明连续梁桥式充填法采煤工艺作具体说明:
[0033]①顶板岩性分析及充填尺寸确定:
[0034]煤4-2壁式采煤工作面3，相对位置在县级道路和村庄下面，煤层1厚度1?2米，平均1.5米；倾角5°?11°，平均8° ;瘦煤。底板为1.5米厚的炭质泥岩，顶板为4米厚的粉砂岩，充填采煤工作面3走向长度120米，倾向长度600米，沿平行工作面3方向均匀布置10个长方体的充填单元4和10个长方体的留空单元6，充填单元4和留空单元6间隔设置，经开采实测，直接顶的破断步距P (即初次来压步距)为18?25米，周期来压步距为15?20米，安全起见，设计每个充填单元4的宽度K为3米、充填单元4的中心距离为12米。
[0035]②每个充填单元4配置一个移动式液压密闭充填装置，采用移动式液压密闭充填装置将每个充填单元4进行密闭，并在充填单元4的最高点设置通气孔，移动液压密闭充填装置是本单位已经授权的专利(专利号为201210125192.X)；
[0036]③将已经密闭的每个充填单元4与浆体材料的制送自助一体化设备连接成为一个连通器式的充填系统，浆体材料的制送自助一体化设备是本单位已经授权的专利(专利号为 201320219898.2)；
[0037]④向施压的移动式液压密闭充填装置充填膨胀性浆体材料，直至充满充实每个充填单元4，其中，膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、速凝剂、固化剂和水组成的料浆，基料选用粉煤灰、赤泥和尾砂；膨胀剂选用锌粉和石膏粉的混合物，速凝剂选用钙和铝氧熟料的混合物，固化剂选用水泥和炉渣的混合物，各原料按以下配比组成:粉煤灰、赤泥和尾砂500?650kg，锌粉0.7?1kg，石膏粉5?10kg，钙、铝氧熟料70?100kg，水泥和炉渣20?50kg，水750?900kg。充填料浆固液比为1:1.2?1.4，膨胀率为3?10%，此种膨胀性浆体材料能够在充填后2小时开始固化，8小时固化结束并实现3?10%的体积膨胀达到充分接顶，12小时抗压强度达到0.8MPa，24小时抗压强度达到1.51MPa，7天抗压强度达到5MPa，28天抗压强度可达到15.7MPa ；
[0038]⑤待10-12小膨胀性浆体材料凝固膨胀支撑顶板时，沿工作面3推进方向移动液压密闭充填装置向前移动一个充填步距，准备下一个充填循环；
[0039]⑥随着采煤工作面3推进，重复第③?⑤的步骤，各个充填单元4逐步加长，直至一个采煤面结束，在采空区2内形成以每个充填单元4的固结充填体5为支点，以直接顶岩体为悬梁的连续梁桥式空间结构。由于每一个直接顶岩体梁的跨度小于其破断步距，采空区2的顶板不会垮落；
[0040]⑦工作面3推进到100米、200米、300米、400米、500米、采煤结束时对2#、4#、6#、
8#、10#空间进行了集中部分充填，采空区2最终充填率达到58%。
[0041]通过采用本连续梁桥式充填法采煤工艺对上下连续的两个4-2采煤工作面3实施充填开采，将采空区2的充填率控制在了 28%左右。经观察测量达到以下效果:采高1.2米、倾角8°、底板为1.5米厚炭质泥岩、顶板为4米厚粉砂岩、埋深310米、开采区域范围600米X240米，实施28%部分充填后，地表沉降平均为3毫米左右，达到三下采煤一级保护要求，其上村庄、房屋、道路、农田得到保护，采区回采率达到99.5%，比条带式采煤提高50%以上，生产效率与非充填采煤面的180吨/日基本持平。
【权利要求】
1.一种连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:按下述步骤进行: ①在壁式采煤工作面(3)，沿其平行方向将采空区依次分割成若干个长方体的充填单元(4)和留空单元(6)，充填单元(4)和留空单元(6)间隔设置: 1)通过理论计算和现场观测，确认直接顶或老顶岩体的破断步距P； 2)设计每个充填单元(4)的宽度K为1.5~2倍的采煤高度h，长度L为一天的推进距离； 3)设计留空单元(6)的平行和垂直跨度均为H=PX(1/2~2/3)； ②采用移动式液压密闭充填装置，将每个充填单元(4)进行密闭，并在充填单元(4)的最高点设置通气孔； ③将已经密闭的每个充填单元(4)与浆体材料的制送自助一体化设备连接成为一个连通器式的充填系统； ④利用膨胀性浆体材料向施压的移动式液压密闭充填装置进行充填，直至充满充实每个充填单元(4)； ⑤膨胀性浆体材料固结10~12小时后，沿工作面(3)推进方向移动液压密闭充填装置向前移动一个充填步距，再形成新的密闭充填单元(4)，准备下一个充填循环； ⑥随着采煤工作面(3)推进，重复第③~⑤的步骤，直至一个采煤面结束，一个采煤面结束后，整个采空区形成了由若干个墙式固结充填体(5)为支点和直接顶或老顶岩体为连续梁的桥式空间结构； ⑦根据地面建筑物保护等级的要求，确定对采空区的留空部分进行全部重填、部分充填或不充填，充填时，重复第③~④的步骤。
2.根据权利要求1所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:所述的膨胀性浆体材料是由基料、膨胀剂、速凝剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1:1.2~1.5，膨胀率为10%以下，各原料按以下配比组成:基 I I500~650kg/m3 膨胀剂0 7~lkg/m3 速凝剂70~100kg/m3 固化剂20~50kg/m3水750 ~900kg/m3
3.根据权利要求2所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:所述的基料是粉煤灰、尾矿、赤泥、风积沙中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:所述的膨胀剂是锌粉或者石膏粉或两者的混合物。
5.根据权利要求2所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:所述的速凝剂是钙、铝氧熟料的混合物。
6.根据权利要求2所述的连续梁桥式充填法采煤工艺，其特征在于:所述的固化剂是水泥或者炉渣或两者的混合物。`
【文档编号】C04B18/04GK103742147SQ201410021375
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】石建新, 崔云德, 王向宏, 郭传军, 韩吉玉 申请人:淄博王煤矿业有限公司