一种分区域构造充填开采以减小防水煤岩柱尺寸的方法

摘要

本发明公开了一种分区域构造充填开采以减小防水煤岩柱尺寸的方法，包括以下内容：根据防水煤岩柱的类型及其设计规范，通过采前规划，分区域针对性的布置条带状、墩柱状、棱柱状、十字形或箱形充填体，或进行区域性全部充填，减小或消除煤层开采对岩层的扰动，控制顶板冒落带与导水裂隙带的高度，在用充填体替换防水煤岩柱的同时，保证防水煤岩柱的长期稳定。本发明使用充填体替换防水煤岩柱，缩小防水煤岩柱尺寸、提高资源回收率；充填体可对防水煤岩柱进行侧向支护；对采空区部分充填可控制顶板下沉与地表沉陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分区域构造充填开采以减小防水煤岩柱尺寸的方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

在水体下、含水层下或在导水断层、陷落柱等地质构造附近采掘时，为防止地表水、地下水溃入工作地点，需要留出一定宽度或高度的煤岩层不允许采动，这部分煤岩层称为防水煤岩柱。留设防水煤岩柱是矿井防治水害时一种很好的方法，但也造成了煤炭资源的损失，降低了资源回收率。因此，充分了解防水煤岩柱的留设原则，可对其尺寸进行合理的优化。

矿井水害发生必须具备两个条件：（1）充水水源；（2）充水通道。留设防水煤岩柱就是一种堵塞充水通道而隔断充水水源的防水灾方法，其尺寸的计算与导水裂隙带、顶板冒落带的高度密切相关。因此，从根本上降低导水裂隙带和顶板冒落带的高度可以有效的减小防水煤岩柱的尺寸，提高资源回收率。

充填开采是在采空区布置充填体，对煤柱和采空区顶板形成支撑，可有效减小煤层采动影响，减小顶板冒落带和导水裂隙带的高度，从而减小防水煤岩柱的尺寸。

发明内容

本发明旨在提供一种分区域构造充填开采以减小防水煤岩柱尺寸的方法，

本发明根据分区域充填的方法对防水煤岩柱的尺寸进行优化。

本发明提供了一种分区域构造充填开采以减小防水煤岩柱尺寸的方法：根据防水煤岩柱的类型及其设计规范，通过采前规划，分区域针对性的布置条带状、墩柱状、棱柱状、十字形或箱形充填体，或进行区域性全部充填，减小或消除煤层开采对岩层的扰动，控制顶板冒落带与导水裂隙带的高度，在用充填体替换防水煤岩柱的同时，保证防水煤岩柱的长期稳定，从而减小防水煤岩柱的尺寸，提高“水下”压煤资源回收率。

所述防水煤岩柱的类型包括：冲积层及其他上覆含水层下防水煤岩柱、导水断层下防水煤岩柱、陷落柱下防水煤岩柱、老空区积水下防水煤岩柱或水平隔离煤岩柱。

所述防水煤岩柱的设计规范是指：

（1）洪水位下、汇水面积较大的山间沟谷、煤层露头被松散富含水层覆盖时,

H_防=>裂+>保；

（2）洪水位以上、煤层露头被粘土类微透水松散层覆盖时,

H_防=>冒+>保

（3）当断层为导水或含水断层, 煤层位于断层下盘时，

L=>安/sinθ+>裂/tgθ+>裂/tgδ；

（4）水平隔离煤柱，

L=>裂/>1+>裂/>2+(H->裂)/10V

其中：H_防--防水煤岩柱最大高度，m；

H_裂--采后垂直煤层的导水裂隙带最大高度，m；

H_保--保护层防水煤岩柱的厚度，m；

H_冒--采空区冒落带最大高度，m；

H_安--安全防水煤岩柱的厚度，m；

H--静水位高度，m；

θ--煤层与断层的夹角；

δ--岩移塌陷边与煤层的夹角；

所述H_裂=100M/(3.3n+>

H_冒=M/((K-1)cosα)

H_保=6M

H_安=P/V+10

其中：M———累计采厚，m；

n———煤层数；

K———岩石碎胀系数，K=1.25；

α———煤层倾角；

V———突水系数，MPa/m。

上述公式中，H、θ、δ、M、n、K、α、V为可直接测得的参数，H_防、H_裂、H_保、H_冒、H_安可由以上已知参数求出。

上述方法中，在防水煤岩柱和采空区分区进行区域性全部充填或布置条带状、墩柱状、棱柱状、十字形或箱形充填柱，是指在保护层煤岩柱H_保和安全防水岩柱H_安范围内用充填体全部取代煤体，在导水裂隙带煤岩体H_裂范围内使用条带充填体取代原有防水煤岩柱，减小或消除导水裂隙带的高度，提高煤炭开采率；在采空垮落区域内设置墩柱状、棱柱状、十字形、箱形的充填体防止采空区顶板的提前活化与地表沉陷。

所述方法的具体步骤为：

（1）根据地质条件及水体的位置，设计防水煤岩柱的尺寸，并进行区域划分；将防水煤岩柱和采空区划分为：保护区（安全区）、导水裂隙区和垮落区；

（2）对采区进行采前规划，在不同区域设置不同形式的充填体以减小防水煤岩柱的尺寸，并确定不同结构的充填体的形态与位置；在保护区（安全区）设计全部充填、在导水裂隙区设计条带充填取代原有防水煤岩柱，提高煤炭开采率；在垮落区设计墩柱状、棱柱状、十字形、箱形的充填体支柱支撑顶板，防止采空区顶板的提前活化与地表沉陷；

（3）根据设计好的开采区域的范围，开掘巷道，并进行高强预紧力支护；

（4）回采规划开采区域，并在相应区域内设置模板（挡板）及时充填不同结构的充填体。

所述高强预紧力支护是在巷道掘进后快速安装高强预紧力锚杆或锚索，并在锚杆或锚索安装时，对锚杆施加100-150kN的预紧力，对锚索施加150-250kN的预紧力；

本发明中，用区域性全部充填和条带充填的方式替换部分防水煤岩柱，减小防水煤岩柱的尺寸；在优化后的防水煤岩柱旁开掘巷道，并进行高强预紧力支护，控制防水煤岩柱的前期变形；随着工作面的推进在防水煤岩柱旁进行全部充填，充填体与煤柱紧密结合，使充填体固结后对煤柱形成侧向支护，防止煤柱表面破坏与侧向失稳，同时隔绝采空区与煤柱，防止煤柱风化与自燃；分区域布置充填体条带和充填体支柱控制顶板下沉量、垮落带与导水裂隙带的高度，同时控制地表沉陷。

本发明的有益效果：

（1）使用充填体替换防水煤岩柱，缩小防水煤岩柱尺寸、提高资源回收率；

（2）充填体可对防水煤岩柱进行侧向支护，保持防水煤岩柱的长期稳定；

（3）对采空区部分充填可控制顶板下沉与地表沉陷。

附图说明

图1 为充填前采区的导水断层下防水煤岩柱；

图2为利用本发明分区域充填的方式设计的断层下防水煤岩柱；

图3为充填前采区的含水层下防水煤岩柱；

图4 为利用本发明分区域充填的方式设计含水层下防水煤岩柱。

图中：1-水位线；2-导水断层；3-安全防水煤岩柱；4-导水裂隙带防水煤岩柱；5-垮落式采空区；6-优化后防水煤岩柱；7-全部充填；8-条带充填体；9-墩柱充填体；10-未开采煤体；11-顺槽巷道；12-富含水层；13-保护层防水煤岩柱；H₁-安全（保护层）防水煤岩柱厚度；H₂-导水裂隙带高度；I-保护区（安全区）；II-导水裂隙区；III-垮落区。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

某矿有一导水断层2将上覆含水层与开采煤层导通，为保证工作面的安全生产，防止发生突水事故，故根据煤矿安全手册要求需设置防水煤岩柱。现采用分区域充填的方法对防水煤岩柱尺寸进行优化，其具体步骤为：

（1）根据上覆岩层条件及水位线1和导水断层2的位置，按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》设计防水煤岩柱的尺寸并进行区域划分，确定安全防水煤岩柱3、导水裂隙带防水煤岩柱4及垮落式采空区5的范围；并将其划分为：保护区I、导水裂隙区II、垮落区III。

（2）对采区进行采前规划，在安全区I采用全部充填7取代安全防水煤岩柱3，在导水裂隙区II采用条带充填体8取代导水裂隙带防水煤岩柱4，在垮落区III并在垮落式采空区5设置墩柱充填体9；

（3）根据设计好的开采区域的范围，开掘顺槽巷道11，并进行高强预紧力支护，锚杆预紧力120kN，锚索预紧力200kN；

（4）回采规划开采区域，随工作面的推进，在支架后方相应区域内设置模板（挡板）及时充填相应不同结构的充填体。

实施例2：

某矿开采煤层处于洪水位下，且煤层露头被松散富含水层覆盖，为保证工作面的安全生产，防止发生突水事故，故根据煤矿安全手册要求需设置防水煤岩柱。现采用分区域充填的方法对防水煤岩柱尺寸进行优化，其具体步骤为：

（1）根据上覆岩层条件及水位线1和煤层的位置，按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》设计防水煤岩柱的尺寸并进行区域划分，确定保护层防水煤岩柱13、导水裂隙带防水煤岩柱4及垮落式采空区5的范围；并将其划分为：保护区I、导水裂隙区II、垮落区III。

（2）对采区进行采前规划，在保护区I采用全部充填7取代保护层防水煤岩柱13，在导水裂隙区II采用条带充填体8取代导水裂隙带防水煤岩柱4，在垮落区III并在垮落采空区5设置墩柱充填体9；

（3）根据设计好的开采区域的范围，开掘顺槽巷道11，并进行高强预紧力支护，锚杆预紧力150kN，锚索预紧力250kN；

（4）回采规划开采区域，随工作面的推进，在支架后方相应区域内设置挡板（模板）及时充填相应不同结构的充填体。