一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法与流程

本发明提供一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法，涉及地下煤炭资源开采范畴，尤其适用于超长综采面上存在分散群落村庄建筑物压煤情况。

背景技术：

近年来，随着综合机械化开采的不断发展和完善，我国综采工作面开拓布置长度越来越长，有部分矿井的单个综采工作面推进长度已达到4km，如此推进长度的工作面必然面临地面分散群落村庄建筑物压煤问题，也必然对综采工作面规整布置方式产生影响。针对分散群落村庄建筑物压煤区域内煤层采用充填法开采，利用充填开采技术控制分散群落村庄建筑物压煤区域的地表沉陷，保护其生态环境；分散群落村庄建筑物压煤区域外煤层采用垮落法开采，降低生产成本。现有综采设备是建立在垮落法开采基础上，充填法开采需要专门购置充填开采设备，并在井下更换充填设备，存在施工工艺复杂化、投资成本高、工作面接替紧张等突出问题。为此，亟待探索出一种在现有综采设备和综采技术上能实现垮落法开采和充填法开采自由转换的开采方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述针对超长综采面上存在分散群落村庄建筑物压煤问题，同时需要采用充填法开采系统和跨落法开采系统时出现的经济、技术等问题，提供一种在技术上简单可行、经济效益突出且实用性强的在开采过程中实现垮落法开采和充填法开采自由转换的开采方法。该方法能有效针对超长综采面上存在分散群落村庄建筑物压煤问题，可实现垮落法开采和充填法开采系之间自由转变，能解决传统处理方法存在的施工工艺复杂化、投资成本高、工作效率低、经济效益差、工作面接替紧张等突出问题。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法，沿综采工作面开采方向，依次设置初始高强控制区和接续稳固支撑区；初始高强控制区选择在基本顶断裂块下进行控制，主要包括支架前的锚杆索支护系统、支架后的木柱网支挡系统与连续约束窄充填体支撑系统；支架前锚杆索支护系统即在支架与煤壁间进行锚杆索施工，在进入采空区前完成顶板整体性控制；连续约束窄充填体支撑系统在工作面每割一刀即进行高浓度充填，并用锚索横向约束，对之后的窄充填体进行连续约束，形成整体支撑；接续稳固支撑区由锚杆支护系统和高浓度窄充填体支护系统组成，之后采用常规浓度充填材料和宽充填袋进行正常充填开采。

所述初始高强控制区处于垮落到充填过渡初期，可依据工作面采掘生产条件和矿压规律制定其控制距离w为4.8~9.6m，即包含2~4组连续约束窄充填体，在经历初始高强控制区强力支护采后顶板后，能初步实现顶板稳定，并为后续接续稳固支撑区创造支护环境；

所述接续稳固支撑区布置在所述初始高强控制区之后，支护期间顶板压力已趋向稳定，可依据初始高强控制区顶板稳定情况并结合顶板压力测量情况制定接续稳固支撑区距离v为2.4~8m。

所述初始高强控制区的承压支撑主体为连续约束窄充填体支撑系统，所述连续约束窄充填体支撑系统是由高浓度充填材料、预留孔窄长方体充填袋、锚索及托盘组成，是在综采工作面推进后，及时跟进采后充填作业，实行即时充填，实现单次高浓度充填长度等于工作面每割一刀的长度；在预留孔窄长方体充填袋两侧托盘袋中放置托盘，将高浓度充填材料注入到预留孔窄长方体充填袋中，形成单次高浓度窄充填体，在其预留孔位置加穿两排或者多排横向锚索，同时锚索穿过两侧托盘，之后施加预紧力进行初次约束，形成初始单约束窄充填体；随着工作面继续推进，新增单次高浓度窄充填体加穿在横向锚索上，其一侧紧靠初始单约束窄充填体，另一侧加托盘施加预紧力，进行即时约束；随着工作面连续推进，新增单次高浓度窄充填体如穿“串”状，依次加穿在整根横向锚索上，对每个新增单次高浓度窄充填体进行即时预紧、即时约束，可由两个或者多个单次高浓度窄充填体构建成为连续约束窄充填体；整个构建过程中，连续约束窄充填体内部加穿高强高预应力锚索及外侧托盘对其围压增强，在采后空间大变形情况下，能增加其承载力、抗剪切及抗变形能力，能强力支撑采后顶板。

所述初始高强控制区的木柱网支挡系统在靠垮落矸石侧布置，所述木柱网支挡系统由木支柱和柔性金属网组合形成，在综采工作面顶板提前铺设柔性金属网，即从液压支架前开始铺网，随着液压支架推进，柔性金属网埋入采空区垮落矸石长度为1~3m，采空区侧挂网长度为采高与柔性金属网埋入采空区长度之和，在液压支架后采空侧支设木支柱强力支撑顶板，通过木支柱作为柔性金属网支架，能充分发挥柔性金属网伸缩特性，阻隔采空区垮落矸石窜入采后空间，实现临时支挡，为后续及时充填准备作业空间。

所述初始高强控制区的顶板采用锚杆索支护系统进行加固，所述锚杆索支护系统由锚杆、锚索、柔性金属网、托盘及钢筋梯子梁组合形成，其在液压支架与实体煤壁间即开始施工，在平行工作面方向上施工安装锚杆索，以钢筋梯子梁作为锚杆索支护连接体，之后加托盘并施加预紧力；锚索与锚杆分别锚固在基本顶和直接顶，锚索锚固在顶板岩层深部为锚杆支护创造了锚固稳定性区域，钢筋梯子梁连接多根锚杆索，并紧固柔性金属网贴紧顶板表层，使预应力场由顶板岩层浅部深入到顶板岩层深部，能整体加固顶板，在进入采空区后，顶板依然能保证完整，为后续充填作业创造良好顶板环境。

所述接续稳固支撑区顶板采用锚杆支护系统进行加固，所述锚杆支护系统由锚杆、柔性金属网、托盘及钢筋梯子梁组合形成，其在液压支架与实体煤壁间即开始施工，在平行工作面方向上施工安装锚杆，以钢筋梯子梁作为锚杆支护连接体，之后加托盘并施加预紧力，整体加固顶板；所述接续稳固支撑区承压支护主体为高浓度窄充填体支护系统，所述高浓度窄充填体支护系统由高浓度充填材料、窄长方体充填袋组合形成，将高浓度充填材料注入窄长方体充填袋，凝结成高浓度窄充填体支撑采后顶板，通过观察和实测顶板压力值趋于稳定后，结束接续稳固支撑区，开始采用常规浓度充填材料和宽充填袋进行正常充填开采。

所述连续约束窄充填体，其加穿锚索密集程度和加穿单约束充填体个数与实际支护方式、控顶距离、开采高度及抗剪切抗变形有关。

有益效果:本发明提供一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法，采用本发明可解决超长综采面上存在分散群落村庄建筑物压煤问题时，实现垮落法开采区域直接过渡到充填法开采区域，并实现垮落法开采和充填法开采系之间自由转变，无需留设保护煤柱，无需重新开切眼布置充填工作面，省去工作面搬家，有效缓解工作面接替紧张，工作效率高、资源回收率高、经济效益好，具有广泛且重要的实用价值。

附图说明

图1是一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法的实施结构示意图一。

图2是一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法的实施结构示意图二。

图3是一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法的实施结构示意图三。

图4是一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法的实施结构示意图四。

图5是图1中1-1剖面图。

图6是图2中2-2剖面图。

图7是图3中3-3剖面图。

图8是图4中4-4剖面图。

图9是钢筋梯子梁示意图。

图10是托盘示意图。

图11是分散群落村庄建筑物压煤的综采工作面开采示意图。

图12是锚杆索支护系统的局部放大图。

图13是锚杆支护系统的局部放大图。

附图标记说明如下：1、初始高强控制区；2、接续稳固支撑区；3、木柱网支挡系统；3-1、木支柱；3-2、柔性金属网；3-3、单体支柱；3-4、临时单体支柱；4、锚杆索支护系统；4-1、锚杆；4-2、锚索；4-3、托盘；4-4、钢筋梯子梁；5、连续约束窄充填体支撑系统；5a、单次高浓度窄充填体；5b、连续约束窄充填体；5-1、高浓度充填材料；5-2、预留孔窄长方体充填袋；5-3、锚索；5-4、托盘；5a、单次高浓度窄充填体；5b、连续约束窄充填体；6、锚杆支护系统；6-1、锚杆；6-2、托盘；6-3、钢筋梯子梁；7、高浓度窄充填体支护系统；7-1、窄长方体充填袋；7-2、高浓度窄充填体；8、液压支架；9、采煤机；10、刮板输送机；11、实体煤壁；12、采空区；12-1、采空区垮落矸石；13、综采工作面；14、顶板；14-1、直接顶；14-2、基本顶；15、正常充填开采；16、垮落法开采区域；17、充填法开采区域；18、群落村庄建筑物。

具体实施方式

为实现本发明的上述问题，本发明提供一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法。

实施例

如图1~4、11，一煤矿的单个综采工作面13总长度达到2.4km，在工作面推进距离0.8~1.1km、1.6~1.9km两段区域内存在分散群落村庄建筑物18压煤问题，提出对分散群落村庄建筑物压煤18区域内煤层采用充填法开采，形成充填法开采区域17，保护其生态环境；对分散群落村庄建筑物压煤区域外煤层采用垮落法开采，形成垮落法开采区域16，以降低生产成本，即采用垮落法开采工作面长度为0~0.8km、1.1~1.6km、1.9~2.4km，采用充填法开采工作面长度为0.8~1.1km、1.6~1.9km两段，综合考虑现有综采设备是建立在垮落法开采基础上，如果采用充填法开采需要专门购置充填开采设备，初期投资高，而且充填设备利用率低，为了降低成本，缓解工作面接替紧张，实现垮落到充填自由转换，采用本发明提供一种实现综采面垮落到充填开采过渡的顶板控制方法，具体方法为：在总长为2.4km的综采工作面13，采用垮落法和充填法进行合理分段开采，先采用垮落法开采0~0.8km后，对分散群落村庄建筑物压煤区域内煤层采用充填法开采0.8~1.1km，即在垮落到充填过渡交界处，开始布置初始高强控制区1和接续稳固支撑区2，即在基本顶断裂a块下进行控制；初始高强控制区1主要包括支架前锚杆索支护4、架后木柱网支挡系统3与连续约束窄充填体支撑系统5；接续稳固支撑区2主要包括锚杆支护系统6和高浓度窄充填体支护系统7组成。

如图5，首先，在所述初始高强控制区1靠垮落矸石侧，布置木柱网支挡系统3，所述木柱网支挡系统3由木支柱3-1和柔性金属网3-2组合形成，在综采工作面顶板提前铺设柔性金属网3-2，即从液压支架8前开始铺网，随着液压支架8推进，柔性金属网3-2埋入采空区垮落矸石12-1长度为2m，采空区侧挂网长度为采高与柔性金属网3-2埋入采空区12长度之和，在液压支架8后支设临时单体支柱3-4，之后在靠近采空侧支设木支柱3-1强力支撑顶板14，木支柱3-1排距间隔0.5m，通过木支柱3-1作为柔性金属网3-2支架，能充分发挥柔性金属网3-2伸缩特性，阻隔采空区垮落矸石12-1窜入采后空间，实现临时支挡，为后续及时充填准备作业空间。

如图6、9、10，其次，所述初始高强控制区1的顶板岩层采用锚杆索支护系统4进行加固，所述锚杆索支护系统4由锚杆4-1、锚索4-2、托盘4-3及钢筋梯子梁4-4组合形成，其在液压支架8与实体煤壁11间开始施工，在平行工作面方向上施工安装锚杆4-1、锚索4-2，第一排安装锚索4-2，安装角度α为75°，即与水平方向的夹角为75°，锚杆4-1安装间排距为800×800mm，锚索4-2安装间排距为1600×1600mm，以钢筋梯子梁4-4作为锚杆4-1、锚索4-2支护连接体，之后加托盘4-3并施加预紧力；锚杆4-1与锚索4-2分别锚固在基本顶14-2和直接顶14-1，锚索4-2锚固在顶板岩层深部，为锚杆4-1支护创造了锚固稳定性区域，钢筋梯子梁4-4连接多根锚杆4-1、锚索4-2，并紧固柔性金属网3-2贴紧顶板表层，使预应力场由顶板岩层浅部深入到顶板岩层深部，能整体加固顶板岩层，在进入采空区12后，顶板14依然能保证完整，为后续充填作业创造良好顶板环境。

如图6、10，同时，所述初始高强控制区1的承压支撑主体为连续约束窄充填体支撑系统5，是由高浓度充填材料5-1、预留孔窄长方体充填袋5-2、锚索5-3及托盘5-4组成，是在综采工作面推进后，及时跟进采后充填作业，实行即时充填，实现单次高浓度充填长度等于工作面每割一刀的长度；在预留孔窄长方体充填袋5-2两侧的托盘袋中放置托盘5-4，将高浓度充填材料注入到预留孔窄长方体充填袋5-2中，形成单次高浓度窄充填体5a，在其预留孔位置加穿两排或者多排横向锚索5-3，锚索5-3穿过两侧托盘5-4，之后施加预紧力进行初次约束，形成初始的单约束窄充填体5a；随着工作面继续推进，新增单次高浓度窄充填体5a加穿在横向锚索5-3上，其一侧紧靠初始的单次高浓度窄充填体5a，另一侧加托盘5-4施加预紧力，进行即时约束；随着工作面连续推进，新增的单次高浓度窄充填体5a如穿“串”状，依次加穿在整根横向锚索5-4上，分别对每个新增的单次高浓度窄充填体5a进行即时预紧、即时约束，可由两个或者多个单次高浓度窄充填体5a构建成为连续约束窄充填体5b；整个构建过程中，连续约束窄充填体5b内部加穿高强高预应力锚索5-3及外侧托盘5-4对其围压增强，在采后空间大变形情况下，能增加其承载力、抗剪切及抗变形能力，能强力支撑采后顶板。所述连续约束窄充填体5b，其加穿锚索5-3密集程度和加穿单次高浓度窄充填体5a个数与实际支护方式、控顶距离、开采高度及抗剪切抗变形有关。

如图8，所述初始高强控制区1处于垮落到充填过渡初期，可依据工作面采掘生产条件和矿压规律制定其控制距离w为9.6m，即包含4组连续约束窄充填体5b，在经历初始高强控制区1强力支护采后顶板后，能初步实现顶板稳定，并为后续接续稳固支撑区2创造支护环境；

所述接续稳固支撑区2布置在所述初始高强控制区1之后，支护期间顶板压力已趋向稳定，可依据初始高强控制区顶板1稳定情况并结合顶板压力测量情况制定接续稳固支撑区2距离v为8m。

如图7、8、9，所述接续稳固支撑区2顶板岩层采用锚杆支护系统6进行加固，所述锚杆支护系统6由锚杆6-1、托盘6-2及钢筋梯子梁6-3组合形成，其在液压支架8与实体煤壁11间即开始施工，在平行工作面方向上施工安装锚杆6-1，以钢筋梯子梁6-3作为锚杆6-1支护连接体，之后加托盘6-2并施加预紧力，整体加固顶板；所述接续稳固支撑区2承压支护主体为高浓度窄充填体支护系统7，所述高浓度窄充填体支护系统7由高浓度充填材料7-1、窄长方体充填袋7-2组合形成，将高浓度充填材料7-1注入窄长方体充填袋7-2，凝结成高浓度窄充填体支撑采后顶板，通过观察和实测顶板压力值趋于稳定后，结束接续稳固支撑区2，开始采用常规浓度充填材料和宽充填袋进行正常充填开采15。

如图11第一段充填总长度为0.3km，即采用充填法开采0.8~1.1km范围内工作面，之后采用垮落法开采1.1~1.6km范围内工作面后，对再次遇到群落村庄建筑物压煤问题，采用本发明方法进行垮落到充填自由转换，第二段充填总长度为0.3km，即采用充填法开采1.6~1.9km范围内工作面，最后采用垮落法开采完剩余1.9~2.4km范围内工作面。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，凡在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。