专利名称：控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法
技术领域：
本发明涉及一种控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，适用 于厚度在2米以上煤层的采煤工作面，属于煤炭开采充填领域。
背景技术：
房柱式采煤法是在煤层内开掘有一定宽度的煤房，煤房间用联络巷相连，形成 近似长方形的煤柱，煤柱的宽度由数米到数十米不等。回采在煤房中进行，煤房采完 后，再将煤柱按要求采出。如果煤柱留下不采，称之为房式采煤法。由于房柱式采煤法 与房式采煤法巷道布置基本相似，因此美国现在将这两种方法均称为房柱式采煤法。由 于房式采煤法属于部分回采，能够有效地控制覆岩移动，减少地表移动和变形，特别适 合于不能搬迁又不便加固维修的密集建筑物下(如村庄)采煤。美国通常采用房柱式开 采法来保护地面建筑物，例如当地面坡度小于5%时，则从被保护的建筑物15英尺处的 一点向下引一 15°直线与煤层相交，所圈的面积内煤层回采率限制在15%，煤柱均勻布 置，每个煤柱的最小尺寸为20X30英尺。有时要求有更大的安全系数，要以地面建筑物 125英尺处引垂线与煤层相交，并且所圈的煤层不得采动，此外还要在起始线处向下引一 条25°直线与煤层相交，这中间的煤柱回采率为50%，煤柱尺寸不小于20X30英尺。美 国的多年开采实际证明，采出率为50%时，煤柱能够支承地表长期稳定不沉陷。我国因煤矿地下开采而引起的地表沉陷问题越来越突出，特别是在高潜水位矿 区，开采后地表移动盆地内大面积积水，村庄被迫搬迁，生态环境受到严重的破坏，由 此引发了一系列社会、经济及环境问题。这不仅影响和损害了当地居民的利益，也严重 影响和制约了煤矿自身的可持续性发展。因此如何控制开采沉陷已成为一项重要技术工 作。在这种情况下，房柱式开采的优越性逐渐被煤炭行业认同，使之成为控制地表沉陷 保护地面建筑物的重要开采措施之一。由于我国煤炭消耗量大(约占总能源消耗的70%)，煤炭赋存量少(不及美国的 50%),煤层赋存条件差，厚煤层比重低，使得我国不可能采用像美国那样低回收率的房 柱式采煤工艺。由于现有的充填方式都难以解决厚煤层开采后的顶板下沉问题，不能满 足充填开采后对地表沉降的有效控制，无法解放厚煤层“三下”压煤。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够利用 上覆岩层岩性、通过房柱式开采与高水膨胀材料充填相结合的方法有效控制煤层开采后 上覆岩层的移动变形、解决“三下”压煤的开采回收率低及安全程度低等问题的控制上 覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，尤其适用于厚度在2米以上煤层的采 煤工作面。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种控制上覆岩层移动变形的中 厚煤层房柱式充填开采方法，其特征在于该方法按下述步骤进行
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(1)分析煤层顶板岩性特征，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，设 计所采的煤房宽度NSM，所留的煤柱宽度RSL，煤房和煤柱间隔设置；(2)开采煤房按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风 系统，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机开采煤房、留设煤柱，开采过程中确保 开采的煤房宽度NSM，留设的煤柱宽度RSL，开采过程中对顶板进行锚杆或锚索支 护；(3)充填煤房采空区选用高水膨胀材料对煤房采空区进行全部充填，具体充 填步骤如下a、撤出所有开采设备，清净浮煤；b、制作充填挡墙在煤房采空区的上、下端面砌筑挡墙，并在上端面的挡墙顶 部预留一个充填口，上、下端面挡墙和煤房采空区两侧的煤柱形成煤房充填区；C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤房充填区中，待 煤房充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封；(4)开采煤柱待煤房充填区中的高水膨胀材料完全凝固后，利用房柱式连续 采煤机或使用掘锚一体机将留设的煤柱开采出来；(5)充填开采煤柱后的采空区根据地表建筑物及其附着物保护等级设计充填 比例，对煤柱采空区进行全部重填、部分充填或不充填，充填时选用高水膨胀材料，具 体充填步骤如下a、撤出所有开采设备，清净浮煤；b、制作充填挡墙根据充填比例确定煤柱充填区的上、下端面，并上、下端面 砌筑挡墙，上端面的挡墙顶部预留一充填口，上、下端面挡墙以及采空煤柱两侧的已充 填煤房共同构成煤柱充填区；C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤柱充填区中，待 煤柱充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封。所述的步骤(2)开采煤房时，可以按照离采区运输巷道从近到远的顺序用一台 连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤房，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机 同时开采多个煤房。其中，间隔布置连续采煤机开采煤房可以提高生产效率。所述步骤(3)中的充填工作既可以在每采完一个煤房后进行一次充填，也可以 待所有煤房全部采完后一起充填。所述的步骤(4)开采煤柱时，可以按照离采区运输巷道从远到近的顺序用一台 连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤柱，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体机 同时开采多个煤柱。所述步骤(5)中的充填工作既可以在每采完一个煤柱后进行一次充填，也可以 待所有煤柱全部采完后一起充填。所述充填条带的充填材料选用高水膨胀材料，该高水膨胀材料是由粉煤灰、膨 胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10 30%， 各原料按以下配比组成粉煤灰300 400kg/m3膨胀剂0.2 lkg/m3
延缓剂0.6 0.8kg/m3固化剂30 100kg/m3水 800 1000kg/m3其中，所述的膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。充填煤房采空区或煤柱采空区时选用高水膨胀材料，可以满足及时充填、充分 接顶、快速凝固的要求，通过开采煤房_充填采空煤房-开采煤柱的方法，通过充填材料 和关键层对上覆岩层进行有效的支撑，就像桥墩和桥梁一样，从而达到控制地表变形、 保护地面建筑物和附着物的目的。由于此种方式开采煤房时由煤柱支撑顶板，开采煤房后充填及时、完全接顶， 不会造成煤房的采空区顶板下沉，而且可以把地表的沉降变形控制在允许的极小范围 内，能够有效保护地表建筑物及其附着物不被破坏。除此之外，挡墙厚度按采高的50%设计，采取防渗漏措施，上端面挡墙上预 留的充填口的尺寸和形状需要根据实际情况现场决定，一般采用300毫米圆孔或300毫 米X 300毫米方孔。本发明适用于厚度在2米以上煤层的采煤工作面，依据老顶初次来压步距理 论，利用高水膨胀材料对采空煤房进行全部充填，并利用高水膨胀材料的膨胀性使整个 采空煤房完全接顶、充实，充填完毕后，再将原来的煤柱采出，然后根据保护等级设计 充填比例，对采空煤柱进行全部重填、部分充填或不充填，采空煤柱的具体充填比例如 下一类、二类保护等级的地表建筑物及其附着物采用100%全部充填；三类保护等级 的地表建筑物及其附着物采用部分充填方法，充填比例在10 50%之间；四类保护等级 的地表建筑物及其附着物则不需要充填。通过强度充足和主动接顶的高水膨胀材料充填 体来控制上覆岩层的移动变形。本方法可实现任何条件下煤炭资源的高回收率开采，可 将煤层开采后的覆岩移动和地表沉降控制在允许的极小范围之内，保证地表建筑物和附 着物的安全，属于中厚煤层开采技术领域。本发明所具有的有益效果是提供一种控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱 式充填开采方法，适用于厚度在2米以上煤层的采煤工作面，依据老顶初次来压步距理 论，可针对煤层上覆岩层的岩性采取不同的充填比例，使上覆岩层的移动变形完全控制 在允许范围内，而且通过控制关键层，能够确定最经济的充填率，实现效益最大化；利 用高水膨胀材料对采空煤房和采空煤柱进行充填，能够实现任何情况下的无煤柱开采， 达到资源回收率最大化，而且在无煤柱开采的同时，能将煤层上覆岩层移动变形和地表 的沉降变形控制在建筑物允许变形的极小范围内，实现地表平缓均勻下沉量极小，达到 保护地表建筑和附着物、不造成地表环境破坏、实现绿色开采目的，从而大幅度地提高 采煤工作面的安全程度；开采煤房时，可间隔布置多个煤房开采工作面，生产效率高。
图1是待开采煤层的结构示意图；图2是煤房开采充填后的结构示意图；图3是煤柱开采后全部充填的结构示意图；图4是煤柱开采后部分充填的结构示意图。
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图中1、煤房；2、煤柱；3、煤房充填区；4、挡墙；5、挡墙；6、煤柱充 填区；7、挡墙；8、挡墙
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述具体结合厚度为2.6 3.2米的10_3煤层房柱式充填开采对本发明作具体说明(1)顶板岩性分析及充填尺寸确定10_3煤层厚度2.6 3.2米，倾角5° 8°，瘦煤。底板为1.2米厚的炭质泥 岩，顶板为4.5米厚的粉砂岩。经开采实测，初次来压步距L为25 30米，周期来压 步距M为17 20米。安全起见，设计开采的煤房宽度N为12米，留设的煤柱宽度R 为15米，煤房1和煤柱2间隔设置。(2)开采煤房按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风系统，使用掘锚 一体机开采煤房1、留设煤柱2，一次采全宽，开采过程中对顶板进行锚杆支护，锚杆间 排距为1米Xl米，间隔10米布置一组锚索，锚索长度为6米，间距1米。开采时，按 照离采区运输巷道从近到远的顺序逐个开采煤房，后期为了提高生产效率，间隔五个煤 柱布置两台掘锚一体机同时开采两个煤房，月进度350米，产煤1.75万吨。(3)充填煤房采空区充填前，先撤出掘锚一体机及其它辅助设备，清净浮煤，然后在煤房采空区的 上、下两端用粉煤灰砌筑挡墙4、5，上端挡墙4厚度为3米，下端挡墙5厚度为5米， 上、下端面挡墙4、5和煤房采空区两侧的煤柱2形成煤房充填区3在上端挡墙4的顶部 预留一个300毫米X300毫米的充填孔，用200#水泥砂浆抹逢、周边防渗漏，挡墙固结 48小时后，使用高水膨胀材料进行充填。充填时，采用直径159毫米超高分子量聚乙烯 内衬无缝钢管作为充填管，流量每小时220立方米，连续充填至料浆液位达到预留的充 填口下沿时停止充填，封堵充填口。(4)开采煤柱待煤房充填区3中的高水膨胀材料完全凝固后，利用掘锚一体机将留设的煤柱2 全部开采出来，开采煤柱的工序与开采煤房的工序相近似，按照离采区运输巷道从远到 近的顺序逐个开采煤柱。(5)充填开采煤柱后的采空区为确保开采区域地表建筑物及其附着物保护不 受影响或破坏，对煤柱采空区进行全部重填，充填过程与煤房采空区的充填过程相同。所用高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料浆，膨 胀剂选用铝粉，延缓剂选用石膏粉，固化剂选用石灰，各原料按以下配比组成粉煤灰 300 400kg，铝粉 0.2 lkg，石膏粉 0.6 0.8kg，水泥 30 100kg，水 800 1000kg， 固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10 30%。充填煤房采空区或煤柱采空区时选用高水 膨胀材料，可以满足及时充填、充分接顶、快速凝固的要求，通过开采煤房——充填煤 房采空区——开采煤柱——充填煤柱采空区的方法，通过充填材料和控制老顶不垮落， 就像桥墩和桥梁一样，对上覆岩层进行有效的支撑，从而达到控制地表变形、保护地面 建筑物和附着物的目的。
整个工作面充填开采完毕后，对地表下沉情况进行了观测。经观测，利用房柱 式开采全部充填的方法，在采高3米、埋深340米的情况下，地表下沉量在0 10毫米， 地表建筑物没有任何变形、破坏。本发明适用于厚度在2米以上煤层的采煤工作面，依据老顶初次来压步距理 论，利用高水膨胀材料对采空煤房进行全部充填，并利用高水膨胀材料的膨胀性使整个 煤房采空区完全接顶、充实，充填完毕后，再将原来的煤柱采出，然后根据保护等级设 计充填比例，对煤柱采空区进行全部重填、部分充填或不充填，煤柱采空区的具体充填 比例如下一类、二类保护等级的地表建筑物及其附着物采用100%全部充填，如图3所 示；三类保护等级的地表建筑物及其附着物采用部分充填方法，充填比例在30 50%之 间，如图4所示；四类保护等级的地表建筑物及其附着物则不需要充填。通过强度充足 和主动接顶的高水膨胀材料充填体来控制上覆岩层的移动变形。本方法可实现任何条件 下煤炭资源的高回收率开采，可将煤层开采后的覆岩移动和地表沉降控制在允许的极小 范围之内，保证地表建筑物和附着物的安全，属于中厚煤层开采技术领域。
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权利要求
1.一种控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其特征在于该方 法按下述步骤进行(1)分析煤层顶板岩性特征，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，设计所 采的煤房宽度NSM，所留的煤柱宽度RSL，煤房和煤柱间隔设置；(2)开采煤房按照正常的采区布置准备采区巷道和各工作面顺槽，形成回风系 统，利用房柱式连续采煤机或使用掘锚一体机开采煤房、留设煤柱，开采过程中确保开 采的煤房宽度NSM，留设的煤柱宽度RSL，开采过程中对顶板进行锚杆或锚索支护；(3)充填煤房采空区选用高水膨胀材料对煤房采空区进行全部充填，具体充填步 骤如下a、撤出所有开采设备，清净浮煤；b、制作充填挡墙在煤房采空区的上、下端面砌筑挡墙，并在上端面的挡墙顶部预 留一个充填口，上、下端面挡墙和煤房采空区两侧的煤柱形成煤房充填区；C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤房充填区中，待煤房 充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封；(4)开采煤柱待煤房充填区中的高水膨胀材料完全凝固后，利用房柱式连续采煤 机或使用掘锚一体机将留设的煤柱开采出来；(5)充填开采煤柱后的采空区根据地表建筑物及其附着物保护等级设计充填比 例，对煤柱采空区进行全部重填、部分充填或不充填，充填时选用高水膨胀材料，具体 充填步骤如下a、撤出所有开采设备，清净浮煤；b、制作充填挡墙根据充填比例确定煤柱充填区的上、下端面，并上、下端面砌筑 挡墙，上端面的挡墙顶部预留一充填口，上、下端面挡墙以及采空煤柱两侧的已充填煤 房共同构成煤柱充填区；C、通过充填管将高水膨胀材料从上端面挡墙的充填口输送到煤柱充填区中，待煤柱 充填区充满后停止充填工作，并将上端面挡墙的充填口密封。
2.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其 特征在于所述的步骤(2)开采煤房时，可以按照离采区运输巷道从近到远的顺序用一 台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤房，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体 机同时开采多个煤房。
3.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其 特征在于所述步骤(3)中的充填工作既可以在每采完一个煤房后进行一次充填，也可 以多个或所有煤房全部采完后一起充填。
4.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其 特征在于所述的步骤(4)开采煤柱时，可以按照离采区运输巷道从远到近的顺序用一 台连续采煤机或掘锚一体机逐个开采煤柱，也可以间隔布置多台连续采煤机或掘锚一体 机同时开采多个煤柱。
5.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其 特征在于所述步骤(5)中的充填工作既可以在每采完一个煤柱后进行一次充填，也可 以待多个或所有煤柱全部采完后一起充填。
6.根据权利要求1所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法， 其特征在于所述的高水膨胀材料是由粉煤灰、膨胀剂、延缓剂、固化剂和水组成的料 浆，固液比为1 1.2 1.5，膨胀率为10 30%，各原料按以下配比组成粉煤灰300 400kg/m3 膨胀剂0.2 lkg/m3 延缓剂0.6 0.8kg/m3 固化剂30 100kg/m3 水 800 1000kg/m3
7.根据权利要求6所述的控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，其 特征在于所述膨胀剂是铝粉，延缓剂是石膏粉，固化剂是石灰或水泥。
全文摘要
本发明属于煤炭开采充填领域，特别涉及一种控制上覆岩层移动变形的中厚煤层房柱式充填开采方法，适用于厚度在2米以上煤层的采煤工作面，依据老顶初次来压步距理论，确定老顶的初次来压步距L和周期来压步距M，间隔设置煤房和煤柱，通过开采煤房-充填采空煤房-开采煤柱——充填煤柱采空区的方法，充填时采用高水膨胀材料。通过控制关键层，能够确定最经济的充填率，实现效益最大化；在实现无煤柱回采的同时，使上覆岩层的移动变形完全控制在允许范围内，实现地表平缓均匀下沉量极小；利用高水膨胀材料可实现任何条件下的煤炭资源的高回收率开采，并能够大幅度地提高采煤工作面的安全程度；开采煤房时，可间隔布置多个煤房开采工作面，生产效率高。
文档编号E21C41/18GK102011588SQ20101056556
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刘树江, 李志佩, 王向宏, 王德良, 王苇, 王龙珍, 石建新, 路连营, 韩吉玉 申请人:淄博市王庄煤矿