一种短壁矸石胶结连采连充采煤法的制作方法

本发明涉及煤矿充填开采技术领域，具体涉及一种短壁矸石胶结连采连充采煤法。

背景技术：

随着我国煤炭黄金十年的开采，制约煤炭发展的“三下”压煤问题越来越突出，据不完全统计，我国“三下”压煤量已达140亿吨，如何安全高效地开采“三下”压煤资源，越来越受到人们的重视。

目前现有技术中的开采技术主要采用壁式垮落开采方法，采空区上覆岩层直接垮落，导致地表变形严重，下沉量大，同时地表水位下降，矸石山堆积，土地破坏等严重问题日益严重。CN103883350A公开了一种间隔跳采的充填采煤方法，该方法首先是在区段平巷末端开掘出第一开切眼，然后在距离第一开切眼一定距离掘进第二开切眼，待第二开切眼掘进完毕后，在第二开切眼用壁式体系采煤法进行开采；在距离第二开切眼一定距离掘进第三开切眼，在掘进第三开切眼的同时对第二开切眼处开采后的采空区进行充填，依次类推，直至开采至停采线。该充填方法在充填开采结束后，回采剩下的煤柱不需要进行充填，减少了充填材料，节省了充填成本。

技术实现要素：

本发明的任务在于提供一种短壁矸石胶结连采连充采煤法，该方法能有效的解决壁式垮落开采的弊端，同时地表变形小，可以有效保护地表建筑物，为“三下”开采提供了新的思路。

其技术解决方案包括：

一种短壁矸石胶结连采连充采煤法，依次包括以下步骤：

a沿着煤层倾向方向开挖两条上山巷道，分别作为回风上山和运输上山，沿着煤层走向方向开挖两条顺槽，分别作为回风顺槽和运输顺槽，其中，所述回风上山和所述回风顺槽相连，所述运输上山和所述运输顺槽相连，在所述回风顺槽和运输顺槽的尾端开挖开切眼，并使得所述开切眼的上、下两端与回风顺槽、运输顺槽保持相通；

b在煤层上平行于开切眼方向平均划分为多个支巷，从右到左依次编号为第一支巷、第二支巷、第三支巷…第N支巷；

c在所述运输上山和运输顺槽内布置运煤系统，在所述回风上山和回风顺槽内布设输矸系统，每条支巷均通过管道连接注浆系统；

d分为两种开采模式，分别为短壁开采模式和旺采开采模式，其中，所述短壁开采模式包括以下子步骤：

第一轮采煤：依次开采第一支巷、第五支巷、第九支巷、第十三支巷、第十七支巷、……，进行间隔跳采，并通过运煤系统将煤输出；

第一轮充填：待开采支巷顶板稳定后，通过注浆系统和输矸系统依次充填第一支巷、第五支巷、第九支巷、第十三支巷、第十七支巷……，间隔充填，在每个支巷内的下端口处均单独设置挡浆墙，并对其进行密封处理，使得混合的浆液和矸石混合并流向支巷底部；

第二轮采煤：依次开采遗留支巷第三支巷、第七支巷、第十一支巷、第十五支巷……；

第二轮充填：待第二轮开采支巷顶板稳定后，依次充填第三支巷、第七支巷、第十一支巷、第十五支巷……；

第三轮采煤：依次开采遗留支巷第二支巷、第四支巷、第六支巷、第八支巷、第十支巷……；

第三轮充填：待第三轮开采支巷顶板稳定后，依次充填第二支巷、第四支巷、第六支巷、第八支巷、第十支巷……；

当开采到达停采线时，回收设备，完成短壁跳采分步充填开采全过程；

所述旺采开采模式，包括以下步骤：

首先开采第一支巷，待第一支巷开采结束后，接着开采与其相邻的“鱼刺”肋支巷，“鱼刺”肋支巷与所述第一支巷成45°夹角，待所述肋支巷开采完毕后，在第一支巷的下出口设置挡浆墙进行密封处理，通过注浆系统向第一支巷内提供充填材料，并充填与其相邻的肋支巷；

接着开采第二支巷与其相邻的肋支巷，并通过注浆系统对第二支巷、相邻的肋支巷进行充填；

按照此步骤直至填充完第N支巷和其对应的肋支巷。

作为本发明的一个优选方案，所述回风顺槽和运输顺槽的长度均为300-500m。

作为本发明的另一个优选方案，所述支巷的长度为80-120m，宽度为5m。

优选的，所述注浆系统所选用的充填材料为水泥、粉煤灰和电石灰，三者的重量比依次为1:3:1。

优选的，所述输矸系统包括输矸皮带和机头，机头设置在所述输矸皮带的最右端，并直达所述开切眼的上方，在与开切眼平行的支巷顶端设置抛矸机。

优选的，所述注浆系统包括管道、流量计和阀门，所述流量计和阀门均设置在所述管道上，所述管道的一端与地面供浆系统连接，另一端通入待充填支巷中。

本发明所带来的有益技术效果：

与CN103883350A公开的采煤方法相比，本发明有以下不同点：

本发明一次划分所有支巷，并采用连采机进行采煤，通过刮板输送机、转载机、运煤皮带、半连续化采煤，本发明所有支巷全部充填，全采全充模式，减小了开采对地表的影响；

本发明第一次开采第一支巷、第五支巷、第九支巷、第十三支巷、第十七支巷…，之后依次充填，第二次开采：第三支巷、第七支巷、第十一支巷、第十五支巷…，之后依次充填，第三次开采：第二支巷、第四支巷、第六支巷、第八支巷、第十支巷…，之后依次充填，即每条支巷开采后立刻充填，在充填支巷两侧不是煤柱支巷就是已经充填支巷，可以更好的保护地表建筑物。

本发明基于充填开采的思路，提出了短壁跳采分步充填开采方法，该方法主要把煤层平行于开切眼方向，按固定宽度划分成多个条带煤柱，采用连采机依次间隔开采条带煤柱，待顶板稳定后依次间隔充填，其中，水泥浆料和矸石分别通过输浆系统和输矸系统，到达工作面混合，注入充填支巷，完成充填开采过程，通过充填开采，顶板不下沉，只发生弯曲变形，有效的解决壁式垮落开采的弊端，同时地表变形小，可以有效保护地表建筑物，为“三下”开采提供了新的思路。

本发明工序简单，设备投资小，效率高；实现了矸石不外运，采充平行作业，可以有效地控制顶板下沉，减小地表变形，为“三下”开采提供借鉴意义。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为短壁开采模式平面图；

图2为单面旺采开采模式平面图；

图3为双面旺采开采模式平面图；

图4为短壁模式支护平面图；

图5为旺采模式支护平面图；

图6为挡浆墙布置图；

图7为短壁模式采充顺序图；

图中编号说明：1、回风上山，2、运输上山，3、回风顺槽，4、输矸皮带，5、三通，6、抛矸机，7、输矸皮带机头，8、风门，9、开切眼，10、挡浆墙，11、运输顺槽，12、桥式转载机，13、刮板输送机，14、注浆孔，15、阀门，16、流量计，17、连采机，18、运煤皮带，19、皮带转载机，20、风筒，21、局部通风机，22、输浆管，23、支巷，24、皮带输送机支架，其中：支巷从右向左依次连续编号第一支巷、第二支巷、第三支巷、……第N支巷，25、肋支巷，26、密封装置，27、钢带。

○代表锚杆布置位置，□代表锚索布置位置。

具体实施方式

本发明提出了一种短壁矸石胶结连采连充采煤法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

一、材料配比设计

本发明所涉及到的注浆系统充填材料选用普通32.5水泥、粉煤灰、电石灰1:3:1，质量浓度50％，输矸系统涉及到的矸石采用地面洗矸与井下煤矸分离矸石4:6混合，成品充填料质量浓度75-78％，设计28天充填体强度不小于2MPa。

二、顺槽长度设计

顺槽长度主要考虑运煤和运矸，采用皮带运输机连续化运输，皮带宽度以1.0-1.4m为宜，采用1.1m，根据运输成本和通风要求，顺槽长度不易过长，以300-500m为宜。

三、支巷长度设计

影响支巷长度主要因素包括支巷掘进费、巷内运输费、巷道维护费等组成，一般按吨煤费用最低原则合理确定支巷长度，吨煤费用为：

式中：

Z₁——支巷掘进费，元；

Z₂——巷内运输费，元；

Z₃——支巷维护费，元；

L——支巷长度，m；

a——掘进费用系数，元/(m·t)；

b——运输费用系数，元/(m·t)；

c——运输费用系数，元/(m·t)；

——辅助费，元/t。

对公式式求导按吨煤费用最低支巷长度：

结合现场相关实测数据计算L为80-120m，同时考虑实际回采最短半连续运输、充填等因素确定支巷最佳长度为80m。

四、支巷宽度设计

目前支巷合理宽度一般按照“简支梁”计算较为合理，在设计之前应确定直接顶岩梁所受的载荷，顶板一般由几层以上的岩层组成，因此在计算直接顶岩层极限跨度时根据直接顶上方岩层之间的相互影响来确定，第n层对直接顶综合影响形成附加载荷W_n可由下式计算：

式中：

E₁、E₂、E₃——顶板岩层弹性模量，GMpa；

h₁、h₂、h₃——顶板岩层厚度，m；

ρ₁、ρ₂、ρ₃——顶板岩层容重，g/cm³。

当计算到(W_n+1)₁＜W_n)₁时，即(W_n)₁可作为施加第一层岩层的载荷，第n+1上的岩层重量将不对第一层岩层施加影响，此时可利用上式结果作为岩梁所受载荷来计算支巷极限跨度。

直接顶任意一点处正应力和剪应力：

式中：

M_x——任意一点截面弯矩，N·m；

y——任意一点到中性轴的距离，m；

t——梁的厚度，m。

最大弯矩发生在梁中央最大拉应力发生梁截面y＝±t/2下表面：

式中：

W——岩梁上均布载荷，kg/cm²；

L——梁的跨度，m。

岩梁许用正应力为σ_max，抗拉强度为R₁，则

式中：

F——安全系数，一般取3，

用σ_e代替(5)σ_max可得细砂岩极限跨距：

根据内蒙古裕兴煤矿顶板现场实际情况，带入各岩层岩石力学参数，其中取F＝3，最终计算L＝8.9m，综合考虑现场施工、采充工艺、煤层厚度等因素影响，现场最终确定支巷宽度为5m。

五、工作面布置设计

主要分为三种布置情况：

(1)短壁开采模式，如图1所示

(2)单面旺采模式，如图2所示：

(3)双面旺采模式，如图3所示：

准备工作：沿着煤层倾向方向开挖两条上山，回风上山1和运输上山2，沿着煤层走向方向开挖两条顺槽，运输顺槽11和回风顺槽3，其中运输顺槽11和运输上山2相连，回风顺槽3和回风上山1相连，继续开挖开切眼9，开切眼9长度80-120m，开切眼9中部设置两道风门8，风门8材料防火，与巷道交界处水泥灌注，不漏风，同时风门8可以旋转，行人能够通过，开切眼9上端与回风顺槽3右端相连，下端与运输顺槽11右端相连，煤层平行于开切眼方向9平均分成多个支巷23，宽度以5m为宜，依次编号为第一支巷、第二支巷、第三支巷、……第N支巷，N为工作面实际推荐长度除以5得到的数据，N取整，根据矿井实际情况具体确定的。

设备铺设：在运输上山2和在运输顺槽11中均铺设运煤皮带18，连接处通过皮带转载机19进行搭接，输顺槽11中运煤皮带右端通过桥式转载机12与刮板输送机13下端搭接，连采机17骑在刮板输送机13上，可以在刮板输送机13移动，其中刮板输送机13可伸缩，能够在一定弯曲角度下正常运行。

在回风上山1和回风顺槽3中均铺设输矸皮带4和输浆管5，皮带间通过皮带转载机19进行搭接，输矸皮带4右端设有输矸皮带机头7，并直达工作面开切眼9，在充填支巷上端口设置抛矸机6。

输浆管22在充填支巷上端口设有三通5，改变方向后，依次连接流量计16、阀门15、注浆孔14。

注浆系统：浆料通过管路由地面达到工作面输浆管22，通过三通5，改变方向，进入充填支巷，依次通过流量计16、阀门15、注浆口16。

运矸系统：地面矸石经过回风上山1中的输矸皮带4，通过皮带转载机19到达回风顺槽3中的输矸皮带4上，通过抛矸机6，抛到充填支巷，与料浆混合。

运煤系统：连采机17采下的煤经过刮板输送机13，桥式转载机12，达到运煤皮带18上，运煤皮带下方为皮带输送机支架24，煤经过刮板输送机、桥式转载机和运煤皮带后，汇入井下运煤系统。

回风系统：

(1)支巷贯通时：局部通风机21在顺槽内取风，经过风筒20，达到采煤工照面，冲洗工作面之后，通过支巷向上，汇入回风顺槽3，进入矿井回风系统。

(2)支巷位贯通时：局部通风机21在顺槽内取风，经过风筒20，达到采煤工照面，冲洗工作面之后，通过支巷向下，进入运输顺槽11右端，通过开切眼9，风门8，进入回风顺槽3，汇入矿井回风系统

(3)当采用旺采时，新鲜风流还需清洗采煤肋条支巷，在汇入回风系统。

六、支护方式设计

(1)短壁开采模式支护方式。

如图4所示：

支巷23采用锚杆锚索支护，顶板采用左旋快装预应力锚杆锚索，采用：杆体+托盘+阻尼螺母+承载垫圈+减阻垫圈连接模式，同一断面布置3颗锚杆锚索，其中两侧为锚杆，中间为锚索，锚杆距两帮0.85m，间距1.65m，排距1.8m；

并且满足以下参数：高预应力左旋滚丝螺纹钢锚杆，滚丝长度不小于120mm；

球墨铸铁螺母：螺母材质为QT500；

塑料减阻垫圈：聚乙烯复合材料；

承载钢垫圈：调质处理；

球形托盘：高强板材冲制。

其中：顶板锚杆预应力不小于240N·m(5-6吨)，帮部锚杆预应力不小于120N·m(2-3吨)，锚索预应力不小于400N·m(8-10吨)。

(2)单面和双面旺采模式支护方式。

如图5所示：

支护方式与短壁开采模式基本相同，唯一不同的是，只有支巷进行支护，两侧进行类似“鱼刺”开采的肋巷不进行支护。

七、挡浆墙设计。

如图6所示：

当支巷充填时候，矸石与充填浆料在自重应力下，沿着煤层倾角向下流动，类似于泥石流，一边流动，一边混合均匀，充填支巷；在下支巷设置挡浆墙，并保证一定的厚度，用密封装置26进行密封处理，同时为了防止充填时，由于压力过大倒塌，可以根据现场实际情况，外侧增加几条钢带进行保护，当充填体达到一定应硬度时，回撤钢带27。

八、采充顺序设计。

(1)短壁开采模式，如图7所示：

第一轮采煤过程：依次开采第一支巷、第五支巷、第九支巷、第十三支巷、第十七支巷、……，进行间隔跳采；

第一轮充填过程：当开采支巷顶板稳定后，依次充填第一支巷、第五支巷、第九支巷、第十三支巷、第十七支巷……，间隔充填，在充填支巷内，下端口单独设置挡浆墙10，并进行密封处理，上端口处设有注浆口14和抛矸机6，水泥浆液与矸石在自重作用下混合，流向支巷底部；

第二轮采煤过程：依次开采遗留支巷第三支巷、第七支巷、第十一支巷、第十五支巷、……。

第二轮充填过程：当第二轮开采支巷顶板稳定后，依次充填支巷第三支巷、第七支巷、第十一支巷、第十五支巷、……。

第三轮采煤过程：依次开采遗留支巷第二支巷、第四支巷、第六支巷、第八支巷、第十支巷、……。

第三轮充填过程：当第三轮开采支巷顶板稳定后，依次充填支巷第二支巷、第四支巷、第六支巷、第八支巷、第十支巷、……。

当开采到达停采线时，回收设备，最终完成短壁跳采分步充填开采全过程。

当顶板条件较差时，每条支巷全采全充，当顶板条件较好时，结合矿井实际条件，可以间隔留有支巷不充填，适当调整采充比。

可以在支巷内设置应力传感器，监测开采过程中应力变化，确保矿井正常生产。

(2)旺采模式模式

无论是单面还是双面旺采模式，首先开采支巷23，贯通后，采用连采机开采两侧“鱼刺”肋支巷，带全部开采结束后，在下出口设置挡浆墙，一次全部充填。

单面旺采一次充填一个支巷宽度和一个肋支巷25所在巷道宽度；

双面旺采一次充填一个支巷宽度和两个肋支巷所在巷道宽度。

九、成本预算设计。

一个连采队、两部综掘机、月产3.5万吨、50人测算直接成本，其中材料费40万元，综掘机、装载机租赁费15.45万元/月，维修费20万元/月，人工费30万元/月，电费13.39万元/月，吨煤直接成本133.9元/吨；充填用水泥12.8万元，矸石6.62万元，电费9.39万元，材料费19.48万元，设备折旧6.41万元，人工费9万元，充填吨煤直接成本增加18.2元/吨。

十、充填效果验证设计。

(1)根据Hustrulid实验室煤样强度转换为现场临界立方体试件计算公式，确定高水充填体原位强度计算公式为：

式中：σ_m—立方体充填膏体原位强度，MPa；

σ_c—充填试样平均单轴抗压强度，MPa；

D—圆柱体试样直径或立方体试样边长，m；

L—实验室充填试样的极限尺寸，m

(2)根据Bieniawski煤柱强度计算公式计算充填体强度：

σ_p＝σ_m(0.64+0.36W_p/h)ⁿ

式中：h—充填体的高度，m；

Wp—煤柱开采宽度；

n—当Wp/h＞5时，n＝1.4；当Wp/h＜5时，n＝1。

(3)充填条带上的平均载荷为：

C＝[(A+B)*H-B²*cot(θ/4)]*ρg/A

式中：C—充填条带单位面积的平均载荷，kN/m³；

A—充填条带宽度，m；

B—充填条带间距，m；

θ—采空区上覆岩层垮落角，°；

ρ—上覆岩层平均容重，t/m³；

H—煤层埋深，m；

(4)引入安全系数F，F＝C/σ_p

带入各个数据，得到F值，当F＞1时，稳定性较好，否则，稳定性差。

需要说明的是，本发明所涉及的顺槽长度、支巷长度、支巷宽度等并不是对本发明的限定，本领域技术人员在本发明的指引下作出的简单替换与变形，均应在本发明的保护范围之内。