本發(fā)明涉及采礦工程技術領域，尤其是一種用于綜采放頂煤工作面的分區(qū)域放煤和充填開采方法。

背景技術：

目前，在綜采放頂煤開采中，采空區(qū)的頂板采用垮落法處理，由于頂板垮落會造成地表沉陷，尤其是厚度較大的煤層開采，地表沉陷造成建筑物、地面交通實施以及地表水的破壞。同時放頂煤開采產(chǎn)生的大量矸石堆積后會造成環(huán)境污染。充填開采是目前解決地表沉陷問題的有效方法，尤其是矸石充填工藝既能消化矸石還能有效的減少地表沉陷。但是由于綜采放頂煤開采過程中頂煤垮落，并且采空區(qū)的礦壓顯現(xiàn)等情況復雜，可實施充填的空間小，充填難度大。因此，綜采放頂煤工作面的充填需要對開采方法整體進行涉及，需要提出適用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法。

技術實現(xiàn)要素：

為解決綜采放頂煤工作面頂板控制以及放頂煤開采地表變形大的技術問題，本發(fā)明提供了一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法，具體技術方案如下。

一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法，步驟包括：

a.將綜采放頂煤工作面沿工作面走向劃分為充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域，所述充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域的長度等于工作面走向長度，充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域?qū)挾戎偷扔诠ぷ髅鎸挾龋凰龀涮顓^(qū)域和放頂煤區(qū)域相鄰；

b.確定工作面循環(huán)步距；

c.在綜采放頂煤工作面前方對步驟a中劃分的充填區(qū)域進行支護，完成移架推溜工序，在放頂煤區(qū)域完成放煤，在充填區(qū)域架設圓木支護；

d.充填區(qū)域達到充填步距后，在液壓支架后方設置充填篷布，泵送充填膏體至充填區(qū)域；

e.重復步驟c和步驟d，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。

一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法，步驟包括：

a.將綜采放頂煤工作面沿走向和傾向劃分充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域，所述充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域呈矩形并且交錯布置，沿工作面走向和傾向分別劃分多個充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域；所述充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域相鄰；

b.確定工作面循環(huán)步距；

c.在綜采放頂煤工作面前方對步驟a中劃分的充填區(qū)域進行支護，完成移架推溜工序，在放頂煤區(qū)域完成放煤，在充填區(qū)域架設圓木支護；

d.充填區(qū)域達到充填步距后，在液壓支架后方設置充填篷布，泵送充填膏體至充填區(qū)域；

e.當工作面由放頂煤區(qū)域推進至充填區(qū)域時，在綜采放頂煤工作面前方進行支護，在工作面后方架設圓木支護，重復步驟d；當工作面由充填區(qū)域推進至放頂煤區(qū)域時，在充填區(qū)域完成步驟d后，完成移架推溜，在放頂煤區(qū)域完成放煤；隨工作面推進充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域交錯設置，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。

優(yōu)選的是，綜采放頂煤工作面布置在厚度均勻的硬煤層中；放頂煤區(qū)域長度和寬度小于基本頂初次來壓步距。

優(yōu)選的是，工作面循環(huán)步距具體是根據(jù)綜采放頂煤工作面的日推進距離確定。

優(yōu)選的是，支護包括設置錨桿、錨索和錨網(wǎng)聯(lián)合支護，所述圓木支護包括均勻排列由立柱和橫梁組成的圓木支護。

優(yōu)選的是，綜采放頂煤工作面采用綜采液壓支架支護，綜采液壓支架后方設置有2根后支護梁。

進一步優(yōu)選的是，后支護梁和綜采液壓支架后方鉸接固定，后支護梁的后端伸至充填體上方。

還進一步優(yōu)選的是，充填膏體中含有膨脹劑，膨脹劑為硫鋁酸鈣膨脹劑，膨脹劑的成分包含鈣礬石。

本發(fā)明的有益效果包括：

(1)將綜采放頂煤工作面劃分為若干個充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域，充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域相鄰布置，從而能有效的控制頂板下沉，減小地表沉降；另外充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域交錯布置，進一步的劃分了充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域，有利于形成的“三角形”的控頂結構從而穩(wěn)定性更強。

(2)在充填區(qū)域先利用錨網(wǎng)、錨索和錨桿結構進行支護，再在綜采液壓支架后方設置圓木支護，保證了在采空區(qū)形成一個穩(wěn)定、有效和安全的充填空間，從而可以使用充填篷布將充填膏體隔離在充填區(qū)域。利用充填區(qū)域和放煤區(qū)域交錯布置，形成交錯的充填區(qū)域，從而能夠進一步的加強充填支護效果。

(3)為適應該充填開采方法，在綜采液壓支架后方設置后支護梁，方便了規(guī)范化操作并進一步的保證了施工安全；尤其是在充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域交錯布置時，保證了工作面推進過程中由充填區(qū)域變?yōu)榉彭斆簠^(qū)域時放頂煤施工的安全。

(4)在充填膏體中添加膨脹劑，從而使充填膏體凝固后體積增大，充填區(qū)域向兩側不充填區(qū)域移動擴大，進而使含有浮煤和破碎矸石的不充填區(qū)域的密度增大，可有效提高采空區(qū)的充實率和控頂能力。

附圖說明

圖1是綜采放頂煤工作面的充填開采方法充填區(qū)域劃分示意圖；

圖2是綜采放頂煤工作面的充填開采方法充填區(qū)域交錯劃分示意圖；

圖3是圖1的工作面支護結構剖面示意圖；

圖4是圖2的工作面支護結構剖面示意圖；

圖中：1-綜采液壓支架；2-充填篷布；3-錨網(wǎng)；4-錨桿；5-充填區(qū)域；6-放頂煤區(qū)域；7-后支護梁；8-充填管路；9-頂煤；10-充填體；11-采空區(qū)；12-順槽。

具體實施方式

結合圖1至圖4所述，本發(fā)明提供的一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法，具體實施方式如下。

實施例1

如圖1和圖3所示，一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法具體施工步驟包括：

步驟a.當綜采放頂煤工作面布置在厚度均勻的硬煤層中，并且工作面內(nèi)無較大斷層時,將綜采放頂煤工作面沿工作面走向劃分為充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6。充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6的長度等于工作面走向長度，充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)6域?qū)挾戎偷扔诠ぷ髅鎸挾?，并保證放頂煤區(qū)域長度和寬度小于基本頂初次來壓步距，其中充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6相鄰。將綜采放頂煤工作面劃分為若干個充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6，充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6呈條帶狀相鄰布置，從而減小放頂煤的面積，能有效的控制頂板下沉，減小地表沉降。

步驟b.確定綜采放頂煤工作面的循環(huán)步距，根據(jù)工作面的來壓和計算確定直接頂?shù)倪\動參數(shù)，工作面循環(huán)步距具體是根據(jù)綜采放頂煤工作面的日推進距離確定。

步驟c.在綜采放頂煤工作面前方對步驟a中劃分的充填區(qū)域進行支護，支護包括在綜采液壓支架1前方的頂板位置設置錨桿4、錨索和錨網(wǎng)3聯(lián)合支護頂板。期間根據(jù)放頂煤區(qū)域開采頂板離層情況調(diào)整錨桿錨索設置間距，也可以只用錨桿和錨網(wǎng)支護，當錨桿錨網(wǎng)支護效果不能滿足要求時，加設錨索進行支護。完成移架推溜工序，并在放頂煤區(qū)域6內(nèi)完成放煤，在充填區(qū)域5架設圓木支護，圓木支護具體是在充填區(qū)域密布均勻排列圓木進行支護。另外，在綜采液壓支架的選取上，充填區(qū)域的綜采液壓支架可以不具備放煤的功能，但是便于充填；放頂煤區(qū)域的綜采液壓支架具有放煤的功能，可以選用綜采放頂煤液壓支架。

步驟d.當充填區(qū)域5達到充填步距后，在綜采液壓支架1后方設置充填篷布2，充填篷布2將充填區(qū)域5和工作面支架的區(qū)域隔離，通過充填管路8泵送充填膏體至充填區(qū)域5。充填管路8布置在順槽12內(nèi)，經(jīng)過工作面液壓支架下方，到達各個充填部位，從充填篷布2上方的入口將充填膏體送至待充填的區(qū)域。充填篷布2在設置的時候，需保證充填篷布2的高度大于充填的高度，保證充填篷布2的底邊和底板緊密接觸。在充填膏體中添加膨脹劑，添加膨脹劑從而使充填膏體凝固后充填體10體積增大，充填區(qū)域5向兩側的放頂煤區(qū)域6移動擴大，進而使含有浮煤和破碎矸石的放頂煤區(qū)域6的采空區(qū)密度增大，進而有效提高采空區(qū)11的充實率和控頂能力。其中膨脹劑為硫鋁酸鈣膨脹劑，膨脹劑的成分包含鈣礬石，膨脹劑主要以石膏和鋁礦石為主要材料，經(jīng)煅燒制作而成。充填膏體選用硫鋁酸鈣膨脹劑、水泥、粉煤灰和矸石的組合，混合物的質(zhì)量比例為硫鋁酸鈣膨脹劑：水泥：粉煤灰：矸石＝0.5:1:4:6。

步驟e.重復步驟c和步驟d，在充填區(qū)域5的綜采放工作面前方繼續(xù)采用錨網(wǎng)、錨索和錨桿以支護，后方繼續(xù)使用圓木密集支護，達到充填步距后進行充填；在放頂煤區(qū)域6可以對頂板進行預裂從而方便放煤，期間保持充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域移架推溜工作的一致，保證工作面連續(xù)推進，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。圓木可以選用2根立柱和1條橫梁的結構，將圓木設置后形成可靠的施工空間。另外在礦山壓力大的地方，還可以選用單體液壓支柱代替圓木進行支護。由于充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6相鄰并呈條帶狀布置，所以便于規(guī)范化操作，充填區(qū)域連續(xù)且方便充填管道的布置。

如圖2和圖4所示，充填區(qū)域和放煤區(qū)域交錯布置時，應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法具體施工步驟包括：

步驟a.綜采放頂煤工作面布置在厚度均勻的硬煤層中，并且工作面內(nèi)無較大斷層時,將綜采放頂煤工作面沿工作面走向劃分為充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6。充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6呈矩形并且交錯布置，沿工作面走向和傾向分別劃分多個充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6，其中放頂煤區(qū)域6的長度和寬度小于基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵瑥亩ＷC放頂安全，充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域相鄰。利用充填區(qū)域和放煤區(qū)域交錯布置，形成交錯的充填區(qū)域，從而能夠進一步的縮小頂板連續(xù)垮落的面積加強充填支護效果。

步驟b.確定綜采放頂煤工作面的循環(huán)步距，根據(jù)工作面的來壓和計算確定直接頂?shù)倪\動參數(shù)，工作面循環(huán)步距具體是根據(jù)綜采放頂煤工作面的日推進距離確定。

步驟c.在綜采放頂煤工作面前方對步驟a中劃分的充填區(qū)域5進行支護，該支護包括設置錨桿4、錨索和錨網(wǎng)3聯(lián)合支護，完成移架推溜工序，并在放頂煤區(qū)域6完成放煤，在充填區(qū)域架設圓木支護，其中圓木支護具體是在充填區(qū)域密布均勻排列圓木進行支護。另外綜采放頂煤工作面使用綜采液壓支架1支護，在綜采液壓支架1后方設置有2根后支護梁，對充填區(qū)域5進行簡單的支護，后支護梁7和綜采液壓支架1后方鉸接固定，方便移架并為圓木支護提供操作空間，后支護梁7的后端伸至充填體10上方臨時固定，移架時將后支護梁7從充填體10上方抽出。

步驟d.充填區(qū)域達到充填步距后，在綜采液壓支架1后方設置充填篷布2，通過充填管路8泵送充填膏體至充填區(qū)域，并在充填膏體中添加膨脹劑，充填時膏體自下而上依次充入并凝結牢固。添加膨脹劑從而使充填膏體凝固后體積增大，充填區(qū)域向兩側以及前后的放頂煤區(qū)域移動擴大，進而使含有浮煤和破碎矸石的相鄰放頂煤區(qū)域的采空區(qū)11密度增大，進而有效提高采空區(qū)11的充實率和控頂能力。

步驟e.當工作面由放頂煤區(qū)域推進至充填區(qū)域5時，在綜采放頂煤工作面前方進行支護，在工作面后方架設圓木支護，重復步驟d；當工作面由充填區(qū)域5推進至放頂煤區(qū)域6時，在充填區(qū)域5完成步驟d后，完成移架推溜，在放頂煤區(qū)域6完成放煤；隨工作面推進充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6交錯設置，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。具體是，充填區(qū)域達到步驟a劃分的充填區(qū)域范圍邊界后，在該充填區(qū)域5前方變化為放頂煤區(qū)域6，因此在充填區(qū)域5前方進行放煤；在放頂煤區(qū)域6的綜采液壓支架1推進到達到放頂煤區(qū)域6的邊界后，在綜采液壓支架1前方繼續(xù)采用錨網(wǎng)3、錨索和錨桿4以支護，后方繼續(xù)使用圓木密集支護，達到充填步距后進行充填；根據(jù)上述步驟進行交替式放煤和充填作業(yè)，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。在工作面推進過程中保持充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域移架推溜工作的一致，保證工作面連續(xù)推進，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。

實施例2

在實施例1的基礎上，結合工程實例，對該應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法作進一步的說明。某礦綜采放頂煤工作面井下標高為-241.3m，主采煤層為山西組3煤層，3煤煤層結構簡單，無分岔現(xiàn)象，且厚度大，煤層的層位穩(wěn)定。工作面走向長度為700m，傾斜長度150m，煤層厚度平均為8.5m，傾角5～8°，容重1.38t/m3。直接頂為深灰色粉砂巖，一般厚2～3m，比較穩(wěn)定，抗壓強度40.53～62.81mpa；老頂為厚層中粒砂巖，厚10～30m，巖層堅硬，抗壓強度91.20～131.7mpa。

步驟a.根據(jù)上述的采場地質(zhì)條件圍巖性質(zhì)，確定放頂煤區(qū)域6的寬度為10m，充填區(qū)域5的寬度為15m，根據(jù)工作面長度150m，將工作面沿傾向交替劃分為6個放頂煤區(qū)域和6個充填區(qū)域。

步驟b.結合該礦井的現(xiàn)有生產(chǎn)技術條件和相鄰綜采放頂煤工作面直接頂運動參數(shù)，確定循環(huán)充填步距l(xiāng)為3m。

步驟c.依次在充填區(qū)域范圍內(nèi)工作面綜采液壓支架1前方壓茬鋪設5×1.0m規(guī)格的金屬錨網(wǎng)3，網(wǎng)片搭接長度500mm，在搭接處每0.2m用規(guī)格網(wǎng)扣連接起來。充填區(qū)域5范圍內(nèi)金屬錨網(wǎng)3鋪設完畢后，在充填區(qū)域5內(nèi)繼續(xù)打錨桿加強支護。工作面移架推溜完成后，在放頂煤區(qū)域正常放頂煤，充填區(qū)域5不放頂煤并進行支護，在充填區(qū)域5范圍內(nèi)綜采液壓支架1后方，后支護梁7保護區(qū)域，隨綜采液壓支架1推進逐排打設圓木進行密集支護。

步驟d.到達充填步距l(xiāng)后，沿工作面傾向依次在待充填區(qū)域的液壓支架后方設置充填篷布，形成封閉的充填空間。充填篷布2設置完畢后，通過工作面內(nèi)的充填管路8將地面充填站制備的矸石膏體泵送到充填區(qū)域進行充填。

步驟e.在充填區(qū)域5的綜采液壓支架1前方繼續(xù)采用錨網(wǎng)3、錨索和錨桿4以支護，后方繼續(xù)使用圓木密集支護，達到充填步距后進行充填；在放頂煤區(qū)域可以對頂板進行預裂從而方便放煤，期間保持充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6移架推溜工作的一致，保證工作面連續(xù)推進，完成綜采放頂煤工作面的充填開采。

實施例3

在實施例1的基礎上，結合工程實例，對該應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法作進一步的說明。某礦綜采放頂煤工作面，工作面的走向長度為800m，傾向長度為200m。工作面煤層厚度平均9m，屬穩(wěn)定煤層，煤層傾角平均為9°，其直接頂為平均厚度1.4m的泥巖，平均單向抗壓強度為47.7mpa?；卷敒槠骄穸?.0m的細砂巖，平均單向抗壓強度為119.8mpa。直接底為平均厚度2.4m的泥巖，平均單向抗壓強度為47.7mpa，基本底為平均厚度3.9m的細砂巖，平均單向抗壓強度為119.8mpa。

步驟a.根據(jù)采場采深300m、采厚3.8m、放煤5.2m及基本頂初次來壓步距23m，確定放頂煤區(qū)域的寬度為15m，經(jīng)計算并優(yōu)選比較得出充填區(qū)域5的寬度為25m。根據(jù)工作面的長度200m，將工作面沿傾向交錯劃分為5個放頂煤區(qū)域和5個充填區(qū)域。

步驟b.根據(jù)綜采放頂煤工作面的日推進距離3m，確定循環(huán)充填步距l(xiāng)為3m。

步驟c.依次在充填區(qū)域5范圍內(nèi)工作面綜采液壓支架1前方壓茬鋪設5×1.0m規(guī)格的金屬錨網(wǎng)3，網(wǎng)片的搭接長度為500mm，在搭接處每0.2m用規(guī)格網(wǎng)扣連接起來。充填區(qū)域5范圍內(nèi)金屬錨網(wǎng)3鋪設完畢后，在充填區(qū)域5范圍內(nèi)繼續(xù)打錨桿4加強支護。工作面移架推溜完成后，放頂煤區(qū)域6范圍內(nèi)正常放頂煤，充填區(qū)域5范圍內(nèi)不放頂煤并進行支護，在充填區(qū)域范圍內(nèi)綜采液壓支架1后方隨回采逐排打設圓木進行密集支護，圓木支護支撐效果不好時，更換單體液壓支柱進行支護。

步驟d.在充填區(qū)域5到達充填步距l(xiāng)后，沿工作面傾向依次在待充填區(qū)域的綜采液壓支架1后方設置充填篷布2，形成封閉的充填空間。充填篷布2設置完畢后，通過綜采放頂煤工作面內(nèi)的充填管路8將地面充填站制備的矸石充填膏體泵送到充填區(qū)域5進行充填，其中充填膏體中添加有膨脹劑，膨脹劑在膏體中的的質(zhì)量比例為硫鋁酸鈣膨脹劑：水泥：粉煤灰：矸石＝0.5:1:4:6。

步驟e.隨著工作面的推進，當充填達到充填劃分區(qū)域邊界后，交替進行放頂煤，工作面范圍內(nèi)更換充填區(qū)域5和放頂煤區(qū)域6，即以充填帶5的寬度為15m，未充填區(qū)域的寬度為10m，重復第四步、第五步形成交錯式充填放頂煤開采，開采結束后，經(jīng)監(jiān)測地表的變形很小，驗證了充填對地表沉陷控制的效果。

當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發(fā)明的保護范圍。

技術特征：

技術總結

本發(fā)明提供了一種應用于綜采放頂煤工作面的充填開采方法，涉及采礦工程技術領域，解決了綜采放頂煤工作面頂板控制以及放頂煤開采地表變形大的技術問題，該方法包括：A.將綜采放頂煤工作面沿工作面走向劃分為充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域，或者將工作面沿走向和傾向劃分充填區(qū)域和放頂煤區(qū)域；B.確定工作面循環(huán)步距；C.在工作面前方對充填區(qū)域進行支護，放頂煤區(qū)域完成放煤后，在充填區(qū)域架設圓木支護；D.充填區(qū)域達到充填步距后，在液壓支架后方設置充填篷布，泵送充填膏體；E.重復步驟C和步驟D，完成開采。本方法提出了交替放煤和充填的開采方法，完成了放頂煤工作面的充填開采，有效控制頂板，減少地表沉陷，還具有安全、高效等優(yōu)點。

技術研發(fā)人員：陳紹杰;杜兆文;夏志國;張振;陳兵;李志遠;簡勇

受保護的技術使用者：山東科技大學

技術研發(fā)日：2018.11.15

技術公布日：2019.02.19