一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法
【专利摘要】本发明提出了一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法，属于煤矿开采领域。该方法包括对首先对特厚、巨厚煤层进行合理划分，然后分别对下分层工作面进行开采与充填、充填效果及顶板运移进行分析，最后逐步向上开采各分层，直至完成所有分层的充填开采。本发明方法具有低下沉量、资源利用率高、对地表形态影响较小等特点，同时能够有效的控制煤层自然发火、瓦斯涌出等灾害的威胁，对“三下”或者需要进行地面保护的特厚、巨厚煤层的高效开采具有重要的指导意义，实现了矿井的可持续发展和绿色开采。
【专利说明】—种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法。
【背景技术】
[0002]随着我国侏罗纪煤层储量的逐渐减少，其下部的石炭系厚、特厚及巨厚煤层所占的开采比例越来越大。目前针对厚煤层，有大采高一次采全厚综采采煤方法、倾斜分层铺网下行垮落法开采和综采放顶煤开采方法，上述几种采煤方法都有各自的优点和试用范围，但是针对厚煤层开采，有如下缺点和不适用性:大采高一次采全厚综采采煤方法适用于小于5m的煤层；倾斜分层下行垮落采煤方法回采率较低，且容易造成自然发火等隐患；综采放顶煤开采方法时在顶板、瓦斯和自然发火管理上有较大困难。
[0003]目前所采用的上行开采是针对近距离煤层群而言，已经试验过的厚煤层分层恒底式上行顺序采煤方法存在顶板破碎、矿压显现剧烈、极易冒顶等问题，应用较为局限，尚没有其它适用性广泛的单一厚煤层的上行开采技术。
[0004]目前我国煤矿“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)的压煤量超过百亿吨，随着城市建设、工业农业的发展，“三下”压煤，特别是建筑物下压煤会逐渐增多，不仅制约矿井产能的提升，而且容易造成低回采率和资源浪费，有违可持续发展和绿色开采的目标和理念。充填开采技术能够有效的提高煤炭资源的利用率，同时有效的减少因煤炭开采引发的二次污染和灾害。目前煤矿常用的充填开米技术有覆岩尚层注衆充填技术、砰石机械化充填技术、(似)膏体充填技术、(超)高水充填技术等。上述充填开采技术因施工工艺、投资成本等的不同，在降低地表下沉量方面有不同的控制效果，(似)膏体充填技术尽管充填材料成本较高，初期投资较大，工艺复杂，但充填密实度高，减沉效果好，得到矿区的普遍认同。山东济北矿区采用膏体泵送充填技术回收遗留条带煤柱，充填充实率达到95%以上，充填体早期强度高，压缩率仅为3%~5%，地表下沉系数达到0.05~0.1。
[0005]因此，急需一种适合“三下”特厚(3.5~8.0m)、巨厚煤层(≥8.0m)的开采方法，以减小地表下沉量，节约成本同时提高资源利用率，达到可持续发展和绿色开采的目标。
【发明内容】
[0006]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法，以保证“三下”或者需要地面保护的特厚、巨厚煤层的开采，提高资源利用率，实现矿井的绿色开采。
[0007]本发明技术方案包括:
[0008]一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法，包括以下步骤:
[0009]a.对特厚、巨厚煤层进行合理划分:
[0010]首先对所采厚煤层进行顶底板、煤层参数分析，根据充填支架的参数将其划分为若干个分层，划分完成后，对各分层开米时间进行划分；[0011]b.对下分层工作面进行开采与充填:
[0012]工作面采煤工作完成后，将支架前移，架后支撑板保持水平，支撑住架后顶板；
[0013]压实机械手带动充填挡板紧贴支架，将泵送高强度充填体接口与泵送系统相连，向采空区注入充填体；
[0014]待充填体充填完毕后，压实机械手向后推进，将充填体压实并始终保持一定的工作压力；
[0015]支架再次前移后，打开数个充填挡板，进行位移及应力监测系统测点的安装，安装完毕后重新装好充填挡板，进行下一轮充填工作；
[0016]c.充填效果及顶板运移分析:
[0017]下分层自切眼回采后持续进行顶底板位移及应力的监测，分析下分层顶底板运移规律及充填材料的变形特征，确定顶底板运动的稳定时间；
[0018]对顶板运移情况进行分析，当顶底板运移较小且上覆煤岩体稳定之后，进行上分层工作面的掘进；
[0019]上下分层之间留有一定厚度的煤，在顺槽和切眼的掘进过程中，监测下分层顶底板位移及应力监测系统的数据，同时观测上分层巷道的顶底板移近量、两帮变形量和应力变化情况；
[0020]d.逐步向上开采各分层:
[0021]按照步骤a中煤层的划分情况，待下一分层稳定后，重复步骤c、d逐步向上开采上面各分层，直至完成所有分层的充填开采。
[0022]本发明所带来的有益技术效果:
[0023]本发明首先对特厚、巨厚煤层进行合理划分，结合矿井或者采区的采掘计划进行各分层开采时间的合理规划，其次进行下分层工作面的开采与充填，同时布置相应的顶底板位移及应力监测系统的测点，持续监测顶底板的运移规律，然后根据监测数据分析下分层顶底板运移规律及充填材料的变形特征，确定顶底板运动的稳定时间，对顶板运移评价情况进行评价，然后进行上分层工作面的掘进与回采工作，最后逐步向上开采各分层，最终将煤层全部采出。
[0024]本发明是基于高强度充填体技术和充填效果监测技术进行的特厚、巨厚煤层采煤方法的技术革新，具有低下沉量、资源利用率高、对地表形态影响较小等特点，同时能够有效的控制煤层自然发火、瓦斯涌出等灾害的威胁，对“三下”或者需要进行地面保护的特厚、巨厚煤层的高效开采具有重要的指导意义，实现了矿井的可持续发展和绿色开采。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明:
[0026]图1为本发明煤层划分示意图；
[0027]图2为本发明充填支架结构示意图；
[0028]图3为本发明应力及位移监测点布置图；
[0029]图4为本发明应力及位移监测器结构示意图。
【具体实施方式】[0030]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步清楚、完整的说明。
[0031]本发明首先对特厚、巨厚煤层进行合理划分，结合矿井或者采区的采掘计划进行各分层开采时间的合理规划，其次进行下分层工作面的开采与充填，同时布置相应的顶底板位移及应力监测系统的测点，持续监测顶底板的运移规律，然后根据监测数据分析下分层顶底板运移规律及充填材料的变形特征，确定顶底板运动的稳定时间，对顶板运移评价情况进行评价，然后进行上分层工作面的掘进与回采工作，最后按照设计逐步向上进行各分层的开采，最终将煤层全部采出。
[0032]本发明以某一巨厚煤层为例，进行如下说明:
[0033]( I)对特厚、巨厚煤层进行合理划分
[0034]首先对所采厚煤层进行顶底板、煤层参数等进行分析，当煤层底板和煤层硬度均为中硬以上时，方可采用本方法，对于底板为软岩或者煤层较软时支护成本过高且难以保证上分层的安全回采，针对本方法设计的充填支架，其设计高度为3m，根据充填支架的参数将特厚、巨厚煤层划分为若干分层，同时，上下分层之间留有一定厚度的煤，以有效保证上分层工作面底板的完整性；
[0035]由于下分层开采结束后需要一定的稳定时间方能进行上分层的掘进与回采工作，因此需要结合矿井或者采区的采掘计划和部署，进行各分层开采时间的初步规划，以便够在给各分层留有足够稳定时间的前提下，保证矿井的有效接续；
[0036]假设某一巨厚煤层厚度为M，上方有大量的民用建筑和工业生产企业，经分析，其底板和煤质均较为坚硬，适用于本采煤方法。依据充填支架的参数，设计将其划分为三个分层，分别为Hi1, m2, Hl3分层，厚度均为A，初步确定各分层间距为B，划分示意图如图1所示；
[0037]实际进行回采时，Hi1分层采高按照A进行回采，m2, m3分层采高及分层间距B根据下述步骤(3)进行修正和调整；
[0038](2)对下层工作面进行开采与充填
[0039]采用设计的充填支架进行下分层工作面的回采，充填支架结构如图2所示，充填支架包括充填挡板1、压实机械手2、架后支撑板3、泵送高强度充填体接口 4、千斤顶5、支架底座6、支柱7、刮板输送机8、采煤机9、支架顶梁10和支架伸缩梁11，进行充填工作时，为了能够持续监测顶底板的运移情况和充填效果，在高强度充填体内部布置若干顶底板位移及应力监测系统的测点。
[0040]现结合图2对充填支架工作进行如下说明:
[0041]①工作面采煤工作完成后，支架前移，架后支撑板保持水平，支撑住架后顶板；
[0042]②压实机械手带动充填挡板紧贴支架，将泵送高强度充填体接口与泵送系统相连，开始向采空区注入高强度充填体；
[0043]③待高强度充填体充填完毕后，压实机械手向后推进，将高强度充填体压实并始终保持一定的工作压力；
[0044]④支架再次前移后，打开数个充填挡板，按照如图3所示位置进行位移及应力监测系统测点的安装，安装完毕后重新装好充填挡板，进行下一轮充填工作，监测系统测点组成示意图如图4所示，包括应力及位移监测器12、顶底板托盘13、支柱14和数据传输线15 ;
[0045]为了保护工作面顶板的稳定性，充填工作要在顶板来压之前进行，以采用“三八”制生产的工作面为例，在正常回采时期，安排两班进行生产，仅在一班进行充填工作；当工作面遇到断层等地质构造时，为了防止在充填之前顶板垮落，需要根据现场实际情况调整充填时间；
[0046]( 3 )充填效果及顶板运移评价
[0047]下分层Hi1自切眼回采后持续进行顶底板位移及应力的监测，分析下分层顶底板运移规律及充填材料的变形特征，确定顶底板运动的稳定时间t，通过监测数据，得到顶板的下沉量进行充填效果及顶底板运移评价，进一步分析步骤(I)中确定的各分层间距B是否合理，能否满足m2分层安全掘进和回采的需要，当顶底板运移较小且工作面上覆煤岩体稳定时间均大于t之后，按照采掘接续计划进行上分层Hl2工作面的掘进工作；
[0048]在顺槽、切眼的掘进中及工作面的回采时，要时刻监测下分层m1、m2采空区充填体重顶底板位移及应力监测系统测点的数据，同时观测上分层Hl2巷道的顶底板移近量、两帮变形量和应力变化情况，当个别区域出现变形量增大，压力集中时分析其原因，采用打钻注浆等手段加强支护；
[0049](4)逐步向上开采各分层
[0050]根据(I)中的煤层划分和设计，待Hi1,分层稳定后，向上开采m3分层。在进行m3分层底板下沉量的观测时，应当计算％、Hl2分层的总下沉量，以便对开采的合理性、安全性作出重新评估，并为修正层间距B提供依据和参考。
【权利要求】
1.一种上行分层开采特厚、巨厚煤层的采煤方法，其特征在于，包括以下步骤: a.对特厚、巨厚煤层进行合理划分: 首先对所采厚煤层进行顶底板、煤层参数分析，根据充填支架的参数将其划分为若干个分层，划分完成后，对各分层开采时间进行划分； b.对下分层工作面进行开采与充填: 采用充填支架进行下分层工作面的回采，待工作面采煤工作完成后，将支架前移，架后支撑板保持水平，支撑住架后顶板； 压实机械手带动充填挡板紧贴支架，将泵送充填体接口与泵送系统相连，向采空区注入充填体； 待充填体充填完毕后，压实机械手向后推进，将充填体压实并始终保持一定的工作压力； 支架再次前移后，打开数个充填挡板，进行位移及应力监测系统测点的安装，安装完毕后重新装好充填挡板，进行下一轮充填工作； c.充填效果及顶板运移分析: 下分层自切眼回采后持续进行顶底板位移及应力的监测，分析下分层顶底板运移规律及充填材料的变形特征，确定顶底板运动的稳定时间； 对顶板运移情况进行分析，当顶底板运移较小且上覆煤岩体稳定之后，进行上分层工作面的掘进； 上下分层之间留有一定厚度的煤，在顺槽和切眼的掘进过程中，监测下分层顶底板位移及应力监测系统的数据，同时观测上分层巷道的顶底板移近量、两帮变形量和应力变化情况； d.逐步向上开采各分层: 按照步骤a中煤层的划分情况，待下一分层稳定后，重复步骤c、d逐步向上开采上面各分层，直至完成所有分层的充填开采。
【文档编号】E21C41/18GK103726846SQ201410016894
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】王刚, 程卫民, 孙路路, 周刚, 陈连军, 张孝强, 王海洋, 黄启铭, 颜国强 申请人:山东科技大学