一种井工矿采空区矸石充分接顶充填方法与流程

[0001]
本发明涉及煤矿绿色开采技术领域，具体涉及一种井工矿采空区矸石充分接顶充填方法。


背景技术：

[0002]
固体充填采矿方法属绿色开采技术体系，是解决煤矿开采环境问题的理想途径，矸石充填开采为固体充填开采方法中的一种充填形式，具有充填材料取材便捷、充填材料经济投入相对小、避免矸石上井和消耗利用地表矸石山而有效缓解地表环境污染等优点。结合矸石充填的采煤方法主要有巷式充填开采（条带充填开采）、掘巷充填回收部分条带煤柱、长壁工作面矸石充填开采、柱式体系充填开采、短壁充填开采等，此外还有针对硐室、巷道的矸石充填开采。欠接顶量是衡量矸石充填质量的重要指标，欠接顶量的存在不仅会减弱充填矸石支撑体系对顶板的主动支护效果，还为顶板进一步断裂下沉提供了空间，在矸石充填区域周围留设有保护煤柱的情况下，因欠接顶量而产生的顶板弯曲下沉将会使得周围保护煤柱产生应力集中并在煤柱边界顶板处产生不协调变形带而影响保护煤柱的整体稳定性。矸石充填密实率则是矸石充填充分接顶的前提和基础，只有保证充填矸石较大的密实率，才能更好的发挥充填矸石充分接顶的作用和价值。
[0003]
现有的关于矸石充填接顶的方法中存在着作业方法不规范、相应设备和工艺不适应、机械化程度低、作业效率低、充填接顶质量差等特点，针对现公开的矸石充填方法中存在矸石无法有效充实待充填区域而导致的矸石欠接顶现象，其原因主要有以下几方面：1.矸石充填体为散体材料，充填体受重力影响会产生自然安息角，矸石易滑落而难以接顶；2.受井下工作空间的限制，矸石充填无法从任意高度和角度进行作业，存在作业盲区和低频区；3.充填设备和工艺不合理，现有充填方法中的充填设备和工艺均以向采空区输送矸石的宏观目标为主要设计要求，矸石充分接顶因素没有得到足够重视和充分考虑,虽提出了将矸石装编织袋充填至欠接顶空间的概念，但并没有明确此充填过程中的相应配套设备及工艺，或者仅利用铲车、人工将装矸石编织袋充填至矸石体和顶板之间的间隙，甚至有人工攉矸、人工捣实的充填接顶工艺，充填效率低，接顶质量差；4.现公开的已充填矸石的夯实作业方法效果有限，作为充填矸石接顶的基础，矸石的夯实质量很大程度上会影响到矸石的接顶程度和接顶质量，现公开的矸石充填夯实方法有利用小面积夯实板对矸石体进行斜向上夯实、利用夯实板对矸石堆下部分进行水平夯实、利用井下铲车对矸石体进行夯实等，夯实效果有限，夯实质量得不到进一步的提高。此外，现有矸石充填方法及配套充填工艺多针对全部充填，矸石全部充填多用于长壁开采管理采空区顶板，考虑到不同充填区域特点、矸石产生量与矸石充填需求量、充填成本、充填效果等因素，部分充填或以部分充填为单位的小范围全部充填有其独特的经济、工效优点和较好的充填环境适应性。
[0004]
基于井下矸石充填接顶质量差、可选择充填接顶方法少的现状，以在提高充填矸石密实率的基础上减小矸石充填欠接顶量为目标，综合考虑矸石充填满足多数充填环境需要等因素，提出一种充填效率和质量好、机械化程度高、矸石夯实面广、夯实质量佳、充填接
顶率高、接顶质量好、配套设备和工艺明确、对除长壁开采之外的不同充填环境适应性好的矸石充填接顶方法。


技术实现要素：

[0005]
本发明基于现有技术的不足，为克服现有技术的缺陷，提出了一种井工矿采空区矸石充分接顶充填方法，针对非长壁开采采空区，在充分考虑井下作业环境的基础上通过创新矸石充填夯实、接顶工艺及配套功能设备来实现矸石充填高质量充分接顶的目标。
[0006]
本发明实现发明目的的技术方案，包括矸石充填前的准备工作、充填设备与充填工艺的配合作业及以上相关的说明等部分，具体技术方案如下。
[0007]
一种井工矿采空区矸石充分接顶充填方法，其步骤包括：步骤1.在回采采空区内构筑矩形围墙，围墙的四面墙体围成的矩形空间为充填工作单元，其中一面墙体的顶部与顶板之间留设充填窗口。所述围墙的墙体为人工砌筑挡墙，挡墙自底板起砌筑至顶板，充填窗口所在挡墙砌筑至距离顶板0.8-1.0m处，此挡墙顶部至顶板间的缺口作为所述充填窗口。
[0008]
步骤2. 通过充填窗口对充填工作单元逐层往复式均匀充填矸石，期间对所充填矸石进行逐层的夯实，逐层重复以上矸石充填和夯实步骤，直至充填至高度极限，矸石无法有效充填至充填工作单元为止。充填工作单元顶部余下欠接顶空间。
[0009]
步骤3. 将袋装矸石逐袋推送至散充矸石与顶板之间的欠接顶空间并进行夯实，直至袋装矸石填满散充矸石与顶板之间的欠接顶空间。
[0010]
步骤4. 将充填窗口按照挡墙施工标准进行封闭，在此过程中充填工作单元内接近充填窗口处剩余的未充填空间，用袋装矸石或散粒矸石进行充填。
[0011]
步骤5. 对各挡墙上部与顶板之间的空隙喷射混凝土浆液至浆液充满挡墙与顶板之间空隙。
[0012]
所述人工砌筑挡墙，是由矸石和混凝土砌筑的挡墙。
[0013]
所述人工砌筑挡墙采用毛石砌筑形式，挡墙断面形状为等腰梯形，其上底= ，下底，两腰底角= 。目的在于提高挡墙稳定性。
[0014]
所述步骤2为：利用履带移动式抛矸机通过充填窗口对充填工作单元逐层往复式均匀充填矸石，期间利用散充矸石夯实装置对所充填矸石进行逐层的夯实。
[0015]
所述矸石直径为30-40mm。
[0016]
所述步骤3为：利用袋装矸石推送夯实装置将袋装矸石逐袋推送至散充矸石与顶板之间的欠接顶空间并进行夯实。
[0017]
除了矸石充填窗口所在挡墙外，其余三堵挡墙均可根据实际作业环境在可靠、安全的前提下充分利用煤（岩）柱进行代替，从而避免不必要的经济和时间成本。
[0018]
在一个充填单元内，将充填窗口所在挡墙和与其平行的挡墙称为长边挡墙，长边挡墙长度c值没有特定范围，受实际作业环境影响，比如受长边挡墙两端空间距离限制，将长边挡墙之外的另外挡墙称为短边挡墙，短边挡墙长度d值大小受充填工艺配套设备的最大作业半径影响。
[0019]
履带移动式抛矸机、散充矸石夯实装置和袋装矸石推送夯实装置的构造特点与工作方式主要内容如下：
a.履带移动式抛矸机的机身工作部分和机底底盘行走部分之间可通过履带、回转机构实现人工操纵下的机械化360
°
旋转，从而实现抛矸机机身在抛矸皮带不变方向基础上的横向平行移动，且抛矸机抛送端皮带工作长度可通过操纵室灵活调节，不仅便于抛矸机在井下有限空间的移动，同时也减小了抛矸工作时抛矸机机身的移动频率；b.散充矸石夯实装置工作方式为：通过操纵室控制主液压伸缩柱将夯实工作部分送入充填工作单元内，而后通过夯实工作部分的上、下液压伸缩柱将上支撑板与下夯实板分别推至顶板和散充矸石表面，最后以顶板为着力端通过下液压伸缩柱的伸缩调节来实现对一层矸石的夯实，其中散充矸石夯实装置的机身主体部分可实现升降调节以适应不同高度的工作环境；c.袋装矸石推送夯实装置设置送料平板主要有以下几个优点：.为袋装矸石的充填提供一个摩檫力小、平滑的推送平台通道，以提高袋装矸石的充填质量和充填速度，.在已充填散充矸石上表面平整作业中，送料平板可利用其尖端的刀锋状断面顺利插入散充矸石之间，可利用送料平板本身将其上部的待推整散充矸石和其下部的固定散充矸石分离开来，以利于之后进行的散充矸石上部表面的平整作业。
[0020]
4. 所述步骤2中，逐层往复式均匀充填矸石是指一种散粒矸石逐层充填于充填工作单元中的充填路径和顺序方式，具体为：抛矸机进行散粒矸石充填过程中在横向上要按照由左侧到右侧的方向而顺序充填，在纵向上要按照前进式和后退式首尾相接的方式而逐步充填，其中每一次纵向上的前进式充填或后退式充填部分称为一个充填条区，当按照以上方向和顺序完成最右侧充填条区的散粒矸石充填工作时即完成一层矸石的充填循环，下一层的矸石充填作业则沿上一层矸石充填的路径和顺序反向进行。
[0021]
所述步骤3中，袋装矸石充填于散充矸石与顶板之间的空隙的具体步骤如下：a.首先利用袋装矸石推送夯实装置对单元内散充矸石上表面进行平整作业，将送料平板调至低于单元内散充矸石高度0.1-0.15m，然后将送料平板推入到矸石中直至送料平板尖端9距离充填工作单元另一侧长边挡墙1.0-1.5m，而后利用推板10将送料平板上的矸石推向充填工作单元内侧，达到平整散充矸石上表面的目的；b.散充矸石上表面平整工作完成之后，将袋装矸石从充填工作单元外侧置于送料平板上并由推板将其推入充填工作单元内侧，并利用推板进行夯实。
[0022]
所述步骤3中，关于袋装矸石的要求为：矸石装袋并封口之后，要求矸石装填量占袋中总空间的70%-80%，保留矸石袋整体的柔性变形能力，以满足袋装矸石在充填夯实过程中对充填环境的适应调节能力，从而保证袋装矸石的充填质量，扎实推进矸石充填充分接顶作业。
[0023]
本发明的有益效果在于：充填工作单元尺寸的灵活性能较好的适应不同的作业环境，以充填工作单元为作业单位的设计可以实现采空区内任意密度的部分充填，充填工作单元的构建彻底克服了现公开矸石充填方法中因自然安息角而存在的弊端，更利于矸石密实充填和接顶，逐层往复式矸石充填方法能较好地实现矸石均匀充填，并保持每一层充填矸石上表面相对平整，利于接下来夯实装置的夯实作业，创新的矸石夯实方法极大地提高了矸石的夯实质量和效率，提高充填矸石密实率的同时也为矸石充分接顶奠定了坚实基础，创新的袋装矸石推送充填和夯实方法使得矸石充填充分接顶更易实现，接顶质量和效率更高。创新的整套矸石充填及充分接顶工艺详尽，配套设备功能、作用明确，极大地提高
了其实际应用价值。
附图说明
[0024]
图1为本发明充填工作单元构建立体示意图。
[0025]
图2为本发明充填工作单元构建侧视断面示意图。
[0026]
图3为本发明履带移动式抛矸机作业立体示意图。
[0027]
图4为本发明散充矸石夯实装置作业立体示意图。
[0028]
图5为本发明散充矸石夯实装置作业断面示意图。
[0029]
图6为本发明袋装矸石推送夯实装置作业立体示意图。
[0030]
图7为本发明袋装矸石推送夯实装置作业断面示意图。
[0031]
图8为本发明充填工作单元充填完成立体示意图。
[0032]
图9为本发明充填工作单元充填完成断面示意图。
[0033]
图10为本发明逐层往复式某一层矸石充填路径方向和顺序示意图。
[0034]
图11为本发明实施例所述房式采煤法基本布置示意图。
[0035]
图12为本发明基于房式采煤法的矸石充填作业完成实施例布置示意图。
[0036]
附图标记说明1-充填工作单元，2-充填窗口，3-履带移动式抛矸机，4-散充矸石夯实装置，5-挡墙，6-散充矸石夯实装置主液压伸缩柱，7（a）-散充矸石夯实装置上部支撑板液压伸缩柱，7（b）-散充矸石夯实装置下部夯实板液压伸缩柱，8-散充矸石，9-袋装矸石推送夯实装置，10-送料平板尖端，11-推板，12（a）-散充矸石夯实装置上部支撑板，12（b）-散充矸石夯实装置下部夯实板，13-充填条区，14-回转机构，15-抛矸机操纵室，16-抛矸机投送距离调节装置，17-工作部分高度调节装置，18-散充矸石夯实装置操纵室，19-散充矸石夯实装置液压泵保护外壳，20-袋装矸石推送夯实装置液压泵保护外壳，21-送料平板，22-袋装矸石推送夯实装置操纵室，23-袋装矸石，24-煤房，25-煤房间煤柱，26-煤房间联络巷，27-进风平巷，28-回风平巷，29-运输平巷，30-相邻准备巷道间联络巷，31-准备巷道间保护煤柱，32-煤房中充填工作单元，33-联络巷中充填工作单元。
[0037]
a-挡墙断面上底宽度，b-挡墙断面下底宽度，-挡墙断面两腰与底板夹角，c-长边挡墙长度，d-宽边挡墙长度，h-采高，l-联络巷宽度，m-留设煤柱长度，n-留设煤柱宽度，f-煤房宽度，u-准备巷道宽度，v-准备巷道间的联络巷宽度，j-相邻准备巷道间距，k-准备巷道间相邻联络巷间距。
具体实施方式
[0038]
下面结合实施例和附图，对本发明方法作进一步详细说明。
实施例
[0039]
某煤矿回收村庄建筑物下的部分煤炭资源，此部分煤炭赋存条件为：采深为320.0m，近水平煤层，煤层厚度为3.8m。采用房式采煤法回收此部分煤炭资源，相关参数为：采高h=3.8m，设有7个煤房，准备巷道3条，各煤房宽度f=6.0m，相邻煤房间的联络巷宽度l=6.0m，所留设煤柱尺寸为m
×
n=7.0m
×
7.0m，煤房推进方向长度为156.0m，准备巷道宽度u=
5.0m，准备巷道间联络巷宽度v=5.0m，相邻准备巷道间距j=10.0m，准备巷道间相邻联络巷间距k=15.0m。为了提高煤炭资源采出率，煤柱留设尺寸相对较小，考虑到提高采出率要以覆岩稳定为前提，为了提高煤柱稳定性和覆岩稳定性，决定将房式开采方法与本专利矸石充填方法相结合，具体方案如下：在房式采煤法回收煤炭资源的基础上，将本专利矸石充填方法应用于煤房、联络巷等采空区。-：在煤房间隔设置充填工作单元并依本专利工艺进行高质量的矸石充填，形成矸石支撑体系，其中每个充填工作单元的宽边挡墙由留设煤柱代替，在煤房轴向上的相邻充填工作单元间隔距离为7.0m，每个充填工作单元宽边长度d=6.0m（即两长边外侧边缘距煤柱外侧边缘平行距离均为0.5m），长边长度c=f=6.0m，挡墙上底断面宽度a=1.5m，挡墙下底断面宽度b=2.8m，挡墙两腰与底板夹角；-：在各联络巷中设置充填工作单元并依本专利工艺进行高质量的矸石充填，其中每个充填工作单元的宽边挡墙由留设煤柱代替，在联络巷轴向上的相邻充填工作单元间隔距离为7.0m，每个充填工作单元宽边长度d=6.0m（即两长边外侧边缘距煤柱外侧边缘平行距离均为0.5m），长边长度c=l=6.0m，挡墙上底断面宽度a=1.5m，挡墙下底断面宽度b=2.8m，挡墙两腰与底板夹角。施工方法步骤如下：步骤1.此步骤为煤房和联络巷中的充填工作单元构建和矸石充填作业顺序进行说明：煤房中充填工作单元的构建需要在上一个充填工作单元充填完成后才能进行，而联络巷中的充填工作单元构建则不需要逐个顺序作业，可以进行各联络巷中充填工作单元构建的平行作业，在煤房和联络巷中矸石充填作业的顺序总体上按后退式设计，具体为：对每一列煤房及相邻联络巷的矸石充填作业按
①→②→③→④→⑤……
的顺序进行，当一列煤房及相邻联络巷矸石充填作业均完成后即可进行下一相邻煤房及其联络巷的矸石充填作业，后退式方向为由右到左。
[0040]
步骤2.依步骤1所述顺序在煤房中构筑第一个充填工作单元
①
，其中宽边挡墙由两侧煤柱代替，无需另外构建，按后退式方向先后构建两堵长边挡墙，其中第一堵挡墙直接砌筑至接顶，第二堵挡墙先砌筑至距离顶板0.8m处而留出充填窗口，而后利用履带移动式抛矸机通过充填窗口对此充填工作单元进行逐层往复式均匀矸石充填，期间利用散充矸石夯实装置对所充填矸石进行逐层的夯实，逐层重复以上矸石充填和夯实步骤，直至充填至高度极限，矸石无法有效充填至充填工作单元为止。
[0041]
步骤3.利用袋装矸石推送夯实装置将散充矸石上表面进行平整作业后再将袋装矸石逐个推送至散充矸石与顶板之间的欠接顶空间并进行夯实，直至袋装矸石填满散充矸石与顶板之间的欠接顶空间。
[0042]
步骤4.采用大块矸石和混凝土将充填窗口封闭，在此过程中充填工作单元内近充填窗口处出现新的未充填空间，则用袋装矸石或散粒矸石进行充填。
[0043]
步骤5.封闭后的挡墙顶端与顶板之间若留有微小间隙，则对间隙喷射混凝土浆液至浆液充满此间隙。
[0044]
步骤6.重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5中的矸石充填作业对联络巷中
②
充填工作单元进行矸石充填作业。
[0045]
步骤7.依步骤1中所述相关充填工作单元构建和矸石充填作业顺序进行充填工作单元构建并重复以上步骤2、步骤3、步骤4、步骤5中的矸石充填作业在其他煤房中和联络巷中顺序进行矸石充填作业。