一种房式采空区的充填方法与流程

本发明涉及一种房式采空区的充填方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术：
在地下煤层开采过后，通常都应对采空区进行处理，其目的在于防止上覆岩层突然性的垮落造成冲击地压或者造成较大的地表下沉现象等，如果不能妥善处理采空区或采取如仅留设矿柱等不当措施来处理采空区，易造成危险事故，例如2005年河北邢台石膏矿经过多年开采，由于没有妥善处理采空区，同时由于过度开采导致煤柱尺寸普遍偏小，从而诱发了冲击地压，最后造成33人死亡，数十人受伤等严重后果。目前采空区的处理方法包括4类基本方法及在其基础上发展起来的联合方法。这4类基本方法包括崩落法、充填法、支撑法、封闭隔离法。目前，处理房式采空区的方法除留设煤柱外应用较普遍的是充填法。其中对于留设煤柱来支撑上覆岩层，房式采煤法最显著的特点是只采煤房不回收煤柱，煤柱的大小和尺寸根据煤层赋存条件、埋深、采高及地质条件等因素确定，一般地，采用连续采煤机开采时，煤柱的宽度多设置为8~20m。如果把这些煤柱永久留在地下来支撑采空区顶板，一方面对于煤炭的损失太大，从而造成回采率较低；另一方面，地下煤柱经过长时间的风化、腐蚀、煤壁剥落等因素，使煤柱的抗压强度减小，降低了煤柱对上覆顶板的支撑力，加大了顶板冒落的可能。矿山充填法控制顶板方式包括胶结充填法和非胶结充填法。其中胶结充填法是采用煤矿的废弃材料加一定的胶凝材料制备成料浆，采用泵通过管道输送到井下，形成胶凝体支撑上覆顶板来充填采空区的技术。中国专利CN102061938A“一种采用膏体充填采空区回收煤柱的充填工艺”，公开了一种典型的较为完备的膏体充填系统，但是该系统存在如下问题：充填工艺系统装置和设备较为复杂，操作不便；膏体料浆制备不易，容易发生离析和沉淀等现象；在充填过程中出现接顶困难等问题，在支护初期难以实现支撑顶板的作用；在整个充填过程中料浆用量大，增加泵送难度和人力成本等问题。非胶结充填法是向采空区内直接充填河沙、煤矸石、工业废渣等充填材料来支撑上覆岩层的技术。虽然非胶结充填法与胶结充填相比工艺相对简单且初期投入成本较低，但是该技术存在弊端较多，如井下充填设备占用空间太大，运输系统极为复杂等。针对当前房式采空区充填工艺所面临的问题，亟待发明一种成本低、易操作、运送方便的提高房式采空区顶板强度进而控制上覆岩层的方法。

技术实现要素：
本发明旨在提供一种房式采空区的充填方法，解决了如何在最大限度地减少房式采煤法造成的煤损前提下，有效、经济地控制采空区上覆岩层垮落的问题。本发明提供了一种房式采空区的充填方法，包括以下步骤：（1）首先选取井下房式采空区相邻的两个煤柱，在顶板下方煤柱的中心位置处设置凹槽，相邻两个煤柱上的凹槽为相对设置；（2）在相邻煤柱之间重复步骤（1）的操作，设置一系列凹槽，在此期间为防止发生顶板冒落，布置金属网假顶保证施工安全；即在工作面已开采完毕并留设煤柱之后，实施上述工艺之前，及时铺设金属网假顶；（3）采用适用于煤炭、水煤浆运输的厚壁钢板为原材料通过无缝焊接技术生产注浆槽，将注浆槽安装于两个相邻煤柱的凹槽上方，注浆槽两端的形状与凹槽形状相同，且注浆槽端部尺寸小于凹槽的尺寸，以能卡在凹槽内为准；在注浆槽的顶部中心处设有注浆孔；（4）在注浆槽布置完毕后，通过注浆装置向注浆槽内注入膨胀料浆，待膨胀料浆固结并达到最终强度后，判断是否与采空区顶板接顶，若接顶，则该工序结束；若不接顶，则进行二次注入，直到充填体与采空区接顶；充填完毕。上述充填方法中，所述步骤（1）中相邻煤柱上的凹槽形状为长方体或者U型。所述步骤（1）中凹槽的形状为长方体时；凹槽位于截面为矩形的煤柱顶部，凹槽的长度为煤柱的矩形长边的1/3~1/2，凹槽的宽度为煤柱矩形宽边的1/3~1/2，凹槽的高度与其宽度相等，这样形成的支撑结构稳定性最高。或者，所述步骤（1）中凹槽的横截面为U型时，底部为1/4圆环结构，所述圆环对应圆的半径为煤柱的矩形长边的1/3~1/2。步骤（3）中对于注浆槽的形状，如果煤柱上凹槽为长方体结构，注浆槽即为上部开口且中空的长方体形状的槽，注浆槽端口的形状应与煤柱上凹槽的形状相同，但尺寸比凹槽略小，以正好能卡在凹槽处为准；如果煤柱上凹槽为U型，注浆槽即为上部开口且中空、端部为弧形的槽，注浆槽的形状其尺寸略小于凹槽，同样以能卡入凹槽为准。上述充填方法中，步骤（3）中的厚壁钢板，对于采用普通无缝钢材或者单层耐磨无缝钢材，虽然初期投资小，但是其寿命较低，强度较小，总体来说性价比较低；因此本发明中采用双层耐磨金属复合钢材，其优点：强度大、寿命长、抗腐蚀、抗风化性能强，对于井下复杂环境来说，最好采用双层耐磨金属复合钢材。上述充填方法中，所述注浆装置包括地面充填站、充填钻孔、输送管道，所述的充填钻孔是在充填工作面的地面钻孔，输送管道由充填泵站通过地面充填钻孔延伸至井下采空区，再通过专用充填控制阀与井下的输送管道相连接，井下管道之间通过各种输送弯管连接分别延伸至不同的充填工作面后再与充填软管、充填工作面控制阀连接；其中充填钻孔连接地面充填站和井下采空区，输送管道布置于上下山巷道内；膨胀料浆在泵送作用下从地面充填站通过充填钻孔到达输送管道内，然后通过输送管道注入注浆槽内。上述充填方法中，对于地下采矿工程房式采空区，以四个相邻煤柱为例，设置2~4条对应的注浆槽，可大大提高采空区顶板强度，此时可继续在原有煤柱的基础上减小煤柱尺寸，增加煤炭回收率。上述充填方法中，步骤（4）中的膨胀料浆按质量百分比其组成成分是：煤矸石：粉煤灰：水泥：膨胀剂：水=35%-45%：15%-25%：10%-20%：0.02%-0.15%：12%-25%，按上述比例配制得到质量浓度为75%-80%的充填料浆。该充填料浆20h的固化膨胀率可以达到8%-15%，且28d单轴抗压强度可达到1.80-2.35MPa，作为井下支护材料，可以达到较好的效果。进一步地，所述膨胀剂种类包括硫酸铝钙类、氧化钙类、铁粉系膨胀剂、氧化镁型膨胀剂、硫铝酸钙－氧化钙类复合膨胀剂。实验研究表明，膨胀剂用量控制在0.02%-0.15%时，28d的抗压强度可达到1.80-2.35MPa，且其膨胀率可达到8%-15%。进一步地，所述水泥为普通硅酸盐425#水泥。本发明的有益效果：（1）本发明所需膨胀料浆量与现有充填技术相比大大减少，且该料浆在2h内具有自流性，运输方便，降低了运输难度同时节省了原材料费用和运输费用。（2）本发明与现有的采空区充填技术相比，施工工艺大大简化，且井下设备占用空间不大，操作方便，易于实施。（3）本发明采用的是膨胀料浆，与现有一般充填料浆相比，其接顶性较好，对于采空区上覆岩层的控制效果更好。（4）本发明与现有留设煤柱处理采空区的措施相比，可以在一定程度上减小煤柱尺寸，减少遗煤，增加煤炭采出率。附图说明图1为实施例中的凹槽分布平面示意图（沿顶板俯视方向）。图2为本发明充填装置示意图。图3为图2中沿B-B线的剖面图。图中：1-采空区上覆顶板；2-煤柱；3-注浆槽；4-凹槽；5-注浆孔；6-充填软管；7-膨胀料浆。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。实施例1：选择房式采空区中两相邻煤柱为例说明，如图1中，在采空区煤柱2与采空区上覆顶板1相接触的位置，于煤柱上开挖一个凹槽4，凹槽的形状为长方体；凹槽位于截面为矩形的煤柱顶部，凹槽的长度为煤柱的矩形长边的1/2，凹槽的宽度为煤柱矩形宽边的1/3，凹槽的高度与其宽度相等，这样形成的支撑结构稳定性高。在另一相邻煤柱上做同样的工作，在此期间为防止发生顶板冒落，可在施工区域布置金属网假顶保证施工安全。在两个凹槽已经开挖完毕的相邻煤柱上方设置一个注浆槽3，该注浆槽3上设有注浆孔5。其中注浆槽3采用的材料为适用于煤炭、水煤浆等运输的厚壁钢板并采用无缝焊接技术生产。对于注浆槽的形状，因煤柱上凹槽为长方体结构，注浆槽即为上部开口且中空的长方体形状的槽，注浆槽端口的形状应与煤柱上凹槽的形状相同，但尺寸比凹槽略小，以正好能卡在凹槽处为准。如图2、图3所示。在上述注浆槽布置完毕后，在注浆槽与煤柱凹槽相连接的地方填充混凝土材料进行加固，防止注浆槽破坏煤柱。加固完毕后，即可开始通过注浆装置向注浆槽内注入膨胀料浆。所述注浆装置包括地面充填站、充填钻孔、输送管道，所述的充填钻孔是在位于有利于充填站泵送充填料浆以及最有利于铺设输送管道到井下采空区的充填工作面的地面钻孔，输送管道由充填泵站通过地面充填钻孔延伸至井下采空区，再通过专用充填控制阀与井下的输送管道相连接，井下管道之间通过各种输送弯管连接分别延伸至不同的充填工作面后再与充填软管6、充填工作面控制阀连接，然后进行工作面的充填工作。其中充填钻孔连接地面充填站和井下采空区，输送管路布置于上下山等（上下山是煤矿专业名词，即在煤矿井下的运输上山和轨道上山）巷道内；膨胀料浆在泵送作用下从地面充填站通过充填钻孔到达输送管道内，然后通过输送管道注入注浆槽内。注浆过程如下：首先在地面充填站内制备膨胀料浆，然后通过充填钻孔把料浆运送到井下，然后通过输送管道把料浆输送到工作面后方采空区内，再经过充填软管6、注浆孔5，把膨胀料浆7注入注浆槽内。待膨胀料浆固结并达到最终强度后，判断是否与采空区顶板接顶，若接顶，则该工序结束；若不接顶，则进行二次注入，直到充填体与采空区接顶。本实施例提供的膨胀料浆包括以下质量百分比的组分：煤矸石：粉煤灰：水泥：膨胀剂：水=45%：25%：15%：0.05%：14.95%，按此比例配制可得到质量浓度为80%的充填料浆。该充填材料20h的固化膨胀率可以达到12%，且28d单轴抗压强度可达到1.83MPa，作为井下支护材料，可以达到较好的效果。上述膨胀料浆中使用的膨胀剂为氧化镁型膨胀剂，使用的水泥为普通硅酸盐425#水泥。在房式采空区内，有大量的煤柱来支撑采空区上覆岩层，以四个煤柱一组为例，如图1所示，两两相邻的煤柱间设置一条注浆槽来支撑上覆岩层，会形成类似于条带式开始过后的采空区形态，大大提高了煤柱对上覆岩层的支撑作用，在此基础上，对于大尺寸的煤柱可在一定程度上继续回收，减小煤柱的尺寸，提高煤炭采出率。