一种采空区煤矸石支护性实体充填方法与流程

本发明属于矿山采空区充填
技术领域：
，具体涉及一种采空区煤矸石密实、接顶、网格化、支护性实体充填法。
背景技术：
：采空区煤矸石充填是一项资金投入量很大的采煤附属工程，如何能把该项投入换取更大的经济效益，是本发明的重点之一。采空区煤矸石充填的目的，其一是为了取消矸石山，即取消环境污染带来的经济负担，取消矸石山治理费用，取消矸石山占地购置费用；其二是为了取消地面下沉和塌陷问题，取消赔偿费用；其三是为了减少顶底板水的涌出，降低排水费用；其四是为了减少瓦斯涌出，确保安全生产；其五是为了保证两巷留巷效果，减小或取消顶底板移近，消除采空区顶板垮塌，降低留巷费用。要想达到这些目的，那就必须将充填质量达到与原有煤层对顶板支撑相同或相差不大的效果，然后才能用降低和取消的这些费用总和来冲减采空区充填费用，得到利大于弊的结果。这样的采空区煤矸石充填才是成功的。目前，针对采空区煤矸石充填的方法有很多种，各地都在根据各自具体的情况和特点，因地制宜地进行采纳和应用。比如：有泵送膏体充填法、机械输送原生矸石充填法、泵送塑性流动稠料充填法和采空区内采岩充填法等充填方法。但是，这些方法都有一个共同的特点，那就是充填后材料的压实系数和压实空间较大。因此其充填后所带来的经济价值不大。技术实现要素：鉴于此，本发明的目的在于，提供一种采空区煤矸石密实、接顶、网格化、支护性全方位实体充填与安全生产、经济效益相结合的方法，使投入与效益融为一体、相依并存，实现两全其美的最佳效果，实现以矸换煤，采空区超前支护，用煤矸石替代原有煤层对顶板支撑的良性循环状态。为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：一种采空区煤矸石支护性实体充填方法，为充分利用废弃煤矸石对采空区进行密实、接顶、网格化、支护性实体喷射充填，实现采空区煤矸石充填全方位实体化。其中，在充填过程中，将高强度煤矸石混凝土充填材料与纯矸石无强度充填材料，通过控制系统调配，采用两种材料交叉喷射作业的方式，使采空区形成高强度网格状支护体系与无强度网格内充填相结合的网状结构状态，形成网格状抗压结构支撑体系，完成对采空区密实、接顶、网格化、支护性全方位实体充填。其中，所述网格状抗压结构支撑体系包括纵横交错的高强度密实接顶连续支护性充填实体墙构成的支护网格及其支护网格内部包围区的纯煤矸石无强度密实接顶吸附性充填实体，所述高强度密实接顶连续支护性充填实体墙包括横向高强度密实接顶支护性实体墙和纵向高强度密实接顶连续支护性充填实体墙；其中，所述高强度煤矸石混凝土充填材料为将煤矸石粉料与a、b料的混合浆料混合，形成的干硬性煤矸石混凝土充填材料；所述a料为调和剂，所述b料为凝固剂。其中所述纯矸石无强度充填材料将煤矸石粉料与水混合形成的干硬性矸石泥充填材料。其中，所述纯矸石无强度充填材料的含水率为13％～17％。其中，所述a料与b料的配比为1：1；所述a、b料的混合浆料与煤矸石粉料的配比为1：10。其中，所述两种材料交叉喷射作业的方式，采取移架必充填的作业方法。其中，所述移架必充填的作业方法为任一部液压支架前移，该液压支架后方采空区即快速填充，液压支架前移与后方填充同步进行的方法。具体包括如下操作程序：一、煤矸石的破碎由于目前还没有比较合适的在井下进行煤、矸彻底分离的设备，有待于进一步发展之后方可实现。因此，煤矸石仍需从井下运至地面，再从地面运至井下的这样一个二次运输的过程。在地面，将动筛车间筛选的矸石和选煤车间洗选的矸石，经皮带运输机运至矸石集料仓(或集料堆)，然后经破碎机进行破碎，破碎后的矸石要求为，粒径小于2mm以下的颗粒和粉状物的混合体(没有级配要求)，然后，再经皮带运输机运至煤矸石粉料仓(或井口投料仓)且尽量保持干燥状态。二、煤矸石粉料及其它材料从地面向井下工作面的运输：1、煤矸石粉料的运输：煤矸石粉料从地面煤矸石粉料仓到井下工作面的运输有多种方式：采用螺旋管道输送机多节链接输送、皮带运输机输送、皮带输送机与螺旋管道输送机接力输送、采用封闭式吊挂刮板机输送等。可根据现场实际运输环境状况选择确定。2、其它材料的运输：其它材料是指能与煤矸石粉料混合形成高强度煤矸石混凝土支护材料的原料。该原料分为a料和b料两种，a料为调和剂，液态材料；b料为凝固剂，干粉状材料。a料的运输可采用通用水管从地面储液罐中送至井下工作面。b料的运输可采用矿车串车运输。所述纯矸石无强度充填材料的制备方法是：把从地面运输到井下工作面的煤矸石粉料送入充填湿喷机入料口后，煤矸石粉料在主机风动力作用下通过喷浆管运至充填湿喷机喷枪口，在喷枪口处安装有注水口，煤矸石粉料在喷枪口处按比例与水混合，其中，所述煤矸石粉料与水混合后，煤矸石粉料的含水率在13％～18％为最佳状态，可降低或取消喷射时的粉尘，形成具有吸附力的干硬性矸石泥，然后将喷枪口喷出的具有一定冲力的干硬性矸石泥向采空区喷射堆积，形成既能接顶、密实性又高的无强度实体充填体。所述高强度煤矸石混凝土充填材料的制备方法为：通过注浆泵的搅拌桶将a料和b料按比例搅拌均匀，形成浆体材料。将上述浆体材料通过喷浆管注入到充填湿喷机喷枪的注浆口，使浆体材料与煤矸石粉料在充填湿喷机喷枪口处按比例进行混合，形成干硬性煤矸石混凝土，然后将充填湿喷机喷枪口喷出的具有一定冲力的干硬性煤矸石混凝土向采空区喷射堆积，形成高强度支护性实体充填体。所述高强度煤矸石混凝土充填材料具备了普通混凝土的基本性能，按c30混凝土要求配比，浆体材料：煤矸石粉料＝1：10，重量比，24h抗压强度11.6mpa,72h抗压强度23.8mpa,7天抗压强度28mpa，28天抗压强度30.3mpa，如有要求时还可达到更抗压高强度标准，而且成本低廉，运输方便。因此，这种煤矸石混凝土材料充填称为支护性充填。所述网格化实体充填为：在采空区煤矸石充填过程中，采用网格化充填是在大面积的采空区内，采用高强度支护性充填材料将其分成纵横交叉墙体网格状主要支撑体系，然后在网格内充填无强度充填材料为辅助支撑体系，二者相结合的采空区网格状结构支撑状态，以最低成本、支护效果最好，实现以矸换煤，实现用煤矸石替代原有煤层对顶板支撑的充填方式。通过这种全方位密实、接顶、网格化、支护性喷射充填方式，取消采空区内空洞和空隙，减小压实空间，实现采空区充填实体化，有效阻止采空区内的空气流动，阻止瓦斯涌出、顶底板移近和水的涌出等不利因素发生，充分体现其充填后所带来的经济价值最大化。本发明的有益效果：1、可取消矸石山。取消了由于矸石山自燃引发的空气污染，取消了植被损害，节约了矸石山治理费用和矸石山占地购置费用。归还大自然青山绿水，美化企业周边环境。2、采空区煤矸石实体化充填，实现以矸换煤，能减少或取消地面下沉和塌陷问题，对土地和建筑物的破坏降到最低，取消赔偿费用。3、对采空区进行密实、接顶、网格化、支护性实体化充填，减少或取消顶底板破坏，减少顶底板水的涌出，降低回采工作面水患威胁，提高回采效率，降低排水费用。4、对采空区进行密实、接顶、网格化、支护性实体化充填，将采空区全方位覆盖上密实的充填体，减少瓦斯涌出，保证回采快速、安全。5、对采空区进行密实、接顶、网格化、支护性实体化充填，实现采空区全方位支护性实体化，可以保证两巷留巷效果，降低留巷费用，从而实现无煤柱开采，提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，缓解采掘接续紧张。6、对采空区进行密实、接顶、网格化、支护性实体化充填，采后可形成完整顶板，大大减小或取消采空区顶底板移近量，减小顶底板压力，为下分层开采创造良好条件。7、对采空区进行全方位密实、接顶、网格化、支护性实体化充填，可为采空区创造良好的密闭条件，有效阻止采空区内的空气流通，取消煤矸石自燃和遗煤自燃现象发生，而且取消了采空区黄泥灌浆环节，节约了黄土资源，取消了相关购置费。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的网格状抗压结构支撑体系结构示意图；图2为本发明喷枪3的结构示意图；图3为本发明喷枪3与液压支架4的连接示意图。具体实施方式本发明主要阐述的是采用高强度煤矸石混凝土充填材料与无强度充填材料交叉喷射作业，形成井下采空区全方位密实、接顶、网格化、支护性充填工艺的一种新型充填方法，改变以往全部垮落法采煤方式，提高回采工作面顶板支护，实现安全生产更上一层楼。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为了使本
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的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。本工艺以一次性采全高工作面为例进行阐述。1、地面部分：在地面井口附近建一个矸石集料仓，一个煤矸石破碎车间，一个煤矸石粉料仓，一个a料溶液储液罐(需要有保温措施，冬季储液温度不低于6℃)，一个b料储料库房。设备：煤矸石破碎机及配套除尘设备，皮带运输机配套使用。(1)、煤矸石粉料的制备：把动筛车间筛选的矸石和选煤车间洗选出的矸石，分别通过皮带运输机运至矸石集料仓缓存，然后再通过皮带运输机把矸石运至煤矸石破碎车间，经破碎机破碎后，再通过皮带运输机把煤矸石粉料运至煤矸石粉料仓备用。(2)、把配制好的a料溶液，泵入溶液储液罐备用。(3)、把配制好的b料运至b料储料库房备用。至此，完成了材料的生产和准备工作。2、地面向井下工作面的材料运输部分：(1)、煤矸石粉料的运输：应根据不同环境条件现场确定。或用螺旋管道输送机串接运输，或用皮带运输机运输，或用吊挂式全封闭刮板机运输，总之无论采用哪种运输方式，能在最低投入的前提下，按需用量把煤矸石粉料运至井下工作面充填湿喷机的进料口内，即完成了煤矸石粉料的运输。(2)、a料运输：a料为液态材料，从地面向井下工作面安装一趟通用水管，作为a料的专用输送管道即可。(3)、b料运输：b料为袋装干粉料，采用矿车串车运输即可。至此，完成了从地面向井下工作面材料运输的工作。3、工作面采空区充填设备及安装布置：采空区充填设备可以采用矿用充填湿喷机和矿用气动注浆泵。设备安装布置：将矿用充填湿喷机和矿用气动注浆泵布置在工作面材料巷和切割巷的交叉处或附近点。(1)、矿用充填湿喷机喷浆管的布置：矿用充填湿喷机的喷浆管道布置总长是从充填湿喷机主机出口开始，横穿工作面液压支架尾部，一直布置到最后一架液压支架为止。该管道在横穿液压支架时，从第一架液压支架开始一直到最后一架液压支架为止，在每一架液压支架的中间安装一个三通管件，然后，每一架液压支架的中间安装一个向采空区喷射充填材料的湿喷机喷枪，即一根喷浆管道安装多个喷枪3，喷枪3的尾部一端用喷浆软管与三通管件连接，喷枪3的头部一端为喷枪口6，在喷枪3的尾部与喷浆软管连接处安装一个阀门，用以控制煤矸石粉料的喷射与关停。至此，矿用充填湿喷机的喷浆管道布置完毕。(2)、矿用气动注浆泵喷浆管道的布置：首先，说明一下喷枪3的构造，如图2所示，喷枪3是一根长约500mm的锥形钢管，粗口一端与湿喷机喷浆管连接，称为给料口。细口一端为出料口，称为喷枪口6。在喷枪3粗口一端的锥形钢管道8的管壁上，对称安装有两个短管接口，其中一个为喷枪3的注水口5，另一个为喷枪3的注浆口7，在喷枪3的注水口5和注浆口7处分别安装一个阀门，用以控制其流量。然后，当使用无强度充填材料时，则开启注水阀门(关闭注浆阀门)，形成煤矸石粉料与水的混合材料；当使用高强度煤矸石混凝土充填材料时，则开启注浆阀门(关闭注水阀门)。矿用气动注浆泵的喷浆管布置：矿用气动注浆泵的喷浆管布置与矿用充填湿喷机的喷浆管布置方法相同，只是将气动注浆泵喷浆管的三通上引出的喷浆管与湿喷机喷枪上的注浆口阀门连接即可。水管的布置也是如此，将三通引出的喷浆管与湿喷机喷枪上的注水口阀门连接即可。(3)、液压支架4与喷枪3的固定连接：其一，矿用充填湿喷机、矿用气动注浆泵的喷浆管道和水管，都是横穿工作面液压支架尾部，一直布置到最后一架液压支架为止的，而液压支架是分架单独前移的，因此，为使液压支架前移时与横向穿越的喷浆管道互不影响，如图3所示，在液压支架4尾梁下安装一个圆环吊链401，将连接喷枪3的管道吊挂在尾梁下的圆环吊链401上，使管道与液压支架4之间形成软过渡，确保管道不被挤破漏液。其二，为使喷射充填作业的安全性更好，在液压支架4底座的尾部安装一个安全挡板403，随时起到安全防护作用。该安全挡板403可以固定在液压支架4底座的的油缸402上。其三，在充填作业过程中，如采用人工操作，则需将喷枪吊挂在尾梁下，人工操作喷枪口向上、下、左、右方向摆动喷射作业。如果采用远程控制系统时，则需在液压支架尾部增设控制喷枪口向上、下、左、右方向摆动喷射作业的控制油缸及控制系统。至此，所有设备的安装布置全部完毕。本发明所述液压支架与喷枪3的布置方式不仅仅限于上述图3的方式，只要能符合本发明需求、能实现移架必充填的作业方法即任一部液压支架前移，该液压支架后方采空区即快速填充，液压支架前移与后方填充同步进行的方法的固定方式都可以，本发明不作具体限定。4、具体喷射充填实施方式：(1)、具体喷射充填的操作实施方式：第一、检查充填作业所用喷浆管路畅通，水管供水正常，各阀门运用灵活，矿用充填湿喷机、矿用气动注浆泵工作正常，充填材料运输到位等。第二，采空区充填作业前，及时伸出端架液压支架侧护板，保证工作面液压支架控顶区与待充填区(包括留巷)之间构筑一道隔离墙。第三，充填作业，采取移架必充填的作业方法。即无论哪一部液压支架，只要前移，随后就开始快速充填。第四，充填作业完毕(当班工作结束后)，及时清洗矿用气动注浆泵及附属喷浆管道、阀门，以防止a、b料浆凝固(料浆在注浆泵内停留不超过3小时)，损坏设备。清洗方法:把注浆泵搅拌桶内加自来水搅拌清洗，同时开启湿喷机和注浆泵继续喷射充填材料，待喷枪喷出的材料变为无强度充填材料时，则视为注浆泵清洗完毕。此时便可关停设备，关闭管道阀门，切断电源，结束当班充填工作。第五，充填设备的操作:(以人工操作为例)，如图2、3所示，a、采用高强度煤矸石混凝土材料进行充填的操作方法：首先，按比例把a料和b料按1：1的比例分别送入气动注浆泵的搅拌桶内，搅拌均匀；煤矸石粉料送入充填湿喷机上料口内；然后，在先行移架的液压支架下打开湿喷机喷浆管阀门，打开喷枪口处注浆管阀门，启动设备开始进行喷射充填作业。在充填湿喷机作用下，煤矸石粉料通过管道8注入喷枪口6；同时，在气动注浆泵作用下，注浆泵喷浆管中的a、b混合料浆通过注浆口7注入湿喷机喷枪。在喷枪出口处，煤矸石粉料与a、b混合料浆充分混合，在一定风力作用下，该混合材料喷离喷枪口6，形成干硬性高强度煤矸石混凝土喷射充填材料，在人工操控喷枪向上、下、左、右摆动喷射下，均匀地将充填材料喷射于采空区内堆积，由下向上，由远到近逐层喷射，使之形成密实、接顶、支护性充填体。在所述先行移架的液压支架的架后空间充填完毕后，及时关停湿喷机和注浆泵，关闭阀门。然后，再进行下一架液压支架移架后的采空区喷射充填，依次操作至最后全部液压支架前移完毕时，架后采空区便形成一道高强度密实接顶连续支护性充填实体墙1。如某矿工作面长度为240m，采高为2.8m，截深为0.6m，那么，每架液压支架每前移一次，架后则有0.6m(截深)×1.5m(架宽)×2.8m(采高)的采空区可进行喷射充填，当所有160架液压支架全部前移完毕时，则会在架后采空区形成一道长：240m×宽0.6m×高2.8m的具有c30混凝土抗压强度的密实接顶支护性实体墙。b、采用纯煤矸石粉料进行充填的操作方法：当一道高强度密实接顶连续支护性充填实体墙1充填完毕，下一次液压支架前移时，则可使用纯煤矸石粉料无强度充填材料进行采空区充填作业。操作方法如下：首先将煤矸石粉料送入湿喷机上料口内，把自来水注入注浆泵搅拌桶内，然后，在先行移架的液压支架下打开湿喷机喷浆管阀门，打开喷枪口处注水管阀门，启动设备，开始进行喷射充填作业。在充填湿喷机的作用下，煤矸石粉料通过管道8注入喷枪口6；同时，在气动注浆泵作用下，注浆泵喷浆管中的水通过注水口5注入湿喷机喷枪。在喷枪口6出口处，煤矸石粉料与水充分混合，在一定风力作用下，该混合材料喷离喷枪口，形成干硬性无强度矸石泥充填材料，在人工操控喷枪向上、下、左、右摆动喷射下，均匀地将充填材料喷射于采空区内堆积，由下向上，由远到近逐层喷射，使之形成密实、接顶、吸附性充填体。该架后空间充填完毕后，及时关停湿喷机和注浆泵，关闭阀门。然后，再进行下一架液压支架移架后的采空区喷射充填，依次循环，最后全部液压支架前移完毕时，架后采空区便形成一道纯煤矸石无强度密实接顶吸附性充填实体2。本发明所述的网格化充填作业的操作方法具体如下所述：在进行采空区喷射充填作业时，把每一架液压支架前移后的采空区按网格状进行充填支护性材料的方法，称为网格化充填，形成网格状抗压结构支撑体系。如图1所示，所述网格状抗压结构支撑体系包括纵横交错的高强度密实接顶连续支护性充填实体墙1构成的支护网格及其支护网格内部包围区的纯煤矸石无强度密实接顶吸附性充填实体2，所述高强度密实接顶连续支护性充填实体墙1包括横向高强度密实接顶支护性实体墙101和纵向高强度密实接顶连续支护性充填实体墙102。比如：要喷射横向高强度密实接顶连续支护性充填实体墙时，可把同一截深的横向液压支架后采空区全部采用高强度煤矸石混凝土材料进行喷射充填。下一道支护充填实体墙的喷射可由累计液压支架前移距离确定。如：上一道与下一道支护充填实体墙要间隔6m，那么一次移架0.6m，移架累计十次时再循环作业即可。在中间间隔的十次液压支架移架过程中，即可在架后采空区喷射纯煤矸石粉料无强度充填材料。要喷射纵向高强度密实接顶连续支护性充填实体墙时，可在横向布置的数架液压支架中按间隔要求固定喷射充填高强度煤矸石混凝土材料。如：固定在第一架、第六架、第十一架等喷射充填高强度煤矸石混凝土材料时，纵向高强度密实接顶连续支护性充填实体墙的间距为6m，那么在第二、三、四、五等液压支架前移后的采空区即可喷射纯煤矸石粉料无强度充填材料。依次循环，这样就形成了纵横间距为6m的方形网格化支护体系，同时在方形网格内喷射充填了无强度充填材料。至此，就形成了一种新型采空区充填方法---密实、接顶、网格化、支护性实体充填法。本发明所述网格状抗压结构支撑体系中的高强度密实接顶连续支护性充填实体墙1构成的支护网格的形状不限于图1所述的方形或矩形，可以是符合力学支撑范畴的其他任意形状，如菱形、圆形、多边形等。另外，本发明所述喷射过程可以通过人为或者系统控制喷射阀门的开关，属于现有技术的范畴，本发明中不作具体限定。初始阶段的充填方法：初始阶段充填时，首先应对采空区内原有空当处且在湿喷机喷射能力能涉及到的区域，实施全方位密实接顶连续支护性充填实体的喷射充填，直到采空区内原有空当处全部充填密实、接顶，然后再进行一次移架后采空区通长密实接顶连续支护性充填实体墙的喷射充填。在此阶段，形成采空区顶板从自然垮落到不垮落的缓冲阶段，随着液压支架的前移，这时的顶板仍然有一定程度的下沉，当按照网格化支护性实体充填达到一定有效长度支护后，会形成稳定致密的充填支护体系，方能形成稳定的顶板，然后进入正常状态下的密实、接顶、网格化、支护性实体充填。至此，完成了采空区初始阶段的充填工作。本发明充填方法与现有的充填方法对比，充填材料费具体见下表1：充填方法充填材料费膏体充填直接材料费79.7元/m3松散原生矸石充填材料费26.9元/m3本发明填充方法23.5元/m3由于本发明充填方法可以充分利用采煤过程中产生的煤矸石，在自身煤矿产生的煤矸石完全利用的基础上还存在一定量煤矸石的充填材料的短缺。以年产150万吨矿井为例，工作面长240m，采高2.8m，全年原煤产量150万吨，精煤90万吨，煤矸石60万吨，计算含矸率为40％，剩余60％的煤矸石还需要收集外来煤矸石补充，可以实现有偿代充，按代充费20元/吨计算，可以实现1800万元的代充费，从而为生产企业带来巨大的经济收益。本发明的充填工艺简单有效，不挤占采煤时间，随采随充填，充填工艺即可采用现场人工控制也可采用远程自动化控制的方法进行喷射充填；安全性高；充填过程中无需人员进入充填区；大大降低了充填成本。当前第1页12