一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法技术

本发明专利技术公开了一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法。该方法在勘探查明残采区遗留煤柱群和柱采区域分布状况的基础上，构筑安装了多级梯式充填模具，采用柱旁双侧分层充填的方式依次侧护了残采区遗留煤柱群，并布置了短壁机械化复采工作面，安全回收了残采区遗留煤柱群。该发明专利技术不仅能实现煤炭资源采出率的提高和企业经济效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采场柱式充填体发生瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害，进而来保障残煤复采后采场柱式充填体的长期稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤炭开采
，尤其是涉及一种多级梯式构造充填复采残采区弃采煤炭资源的方法，主要适用于残采区弃采煤炭资源的安全开采。
技术介绍
受历史技术、经济等条件所限，我国许多煤矿在煤炭资源开始时出现了采厚弃薄、采肥丢瘦、采优弃劣和采易弃难等现象，导致许多块段煤柱的弃采；同时，许多矿区普遍采用柱式体系开采来维持采场覆岩的稳定性，进而防止或减少采动影响对地面建筑物、水体和铁路等的损伤破坏。上述开采活动，使得采场遗留有许多大小不一、纵横交错的煤柱群。残采区遗留煤柱群在我国许多矿区广泛赋存，尤其是资源整合以来，在山西大同、西山和潞安等矿区越来越多地被发现，其储量可观。近年来，随着煤炭资源有限性及其消费需求无限性的矛盾日益突出，残采区遗留煤柱群的复采逐渐成为广大研究学者与工程技术人员关注的焦点，其具有良好的开采价值。回收利用这部分弃采的煤炭资源，不仅可以提高资源的采出率、提升企业经济效益，而且可以延长矿井服务年限、促进可持续发展。中国专利CN102758630A公开了一种条带式充填置换、拱桥式充填置换、连续式充填置换和间隔式充填置换回采断层保护煤柱的方法；中国专利技术专利CN1963149A公开了一种建筑物下矸石置换条带煤柱的开采方法；中国专利技术专利CN102392643A通过设定了建筑物下采煤宽度和保留煤柱的宽度，首先采用充填开采的方式开采了一定宽度的煤炭资源，然后对保留煤柱进行了二次掘进与回采，有效地实现了建筑物下遗留煤柱的回收；中国专利技术专利CN101725352A提出了一种固体充填综采回收房式煤柱的方法，消除了房式煤柱自然、采空区坚硬顶板大面积垮落形成飓风及地表大面积下沉等安全隐患；中国专利技术专利CN103527196A利用地面的黄土作为采空区的充填材料，采用高速动力抛投机和推土机配合作用的方式进行了采空区回填，进而实现了采空区房式煤柱的置换回收。前述专利技术专利能够有效地回收利用残采区弃采的遗留煤柱群，却鲜有关注复采残煤后采场充填体的长期稳定性。残采区遗留煤柱群置换复采以后，采场充填体（尤其是柱式充填体）的受力状态也会逐渐转换为集中分布的载荷，其在长期集中载荷、邻近煤层采动影响、采空区积水、自然发火和地层高温等因素的耦合作用下，会由表及里地发生片帮冒落，进而发生承载面积减小和支撑强度弱化等现象，并引发坍塌破坏。当采场充填体瞬时失稳产生的冲击波转移扩散到邻近充填体时，可能引发采场充填体“多米诺骨牌”式的失稳破坏，进而引发冲击地压等动力灾害，并带来地表沉陷以及建筑物、铁路与水体等的损伤破坏。综上， 亟需寻找一种安全、科学和高效回收残采区遗留煤柱群的方法，进而来实现弃采煤炭资源的安全复采，并能保障复采残煤后采场充填体的长期稳定性，避免多因素耦合作用下瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害的发生。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，不仅能实现煤炭资源采出率的提高和企业经济效益的提升，而且能避免多因素耦合作用下采场柱式充填体发生瞬时失稳或“多米诺骨牌”失稳等动力灾害，进而来保障残煤复采后采场柱式充填体的长期稳定性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法在勘探查明残采区遗留煤柱群和柱采区域分布状况的基础上，构筑安装了多级梯式充填模具，采用柱旁双侧分层充填的方式依次侧护了残采区遗留煤柱群，并布置了短壁机械化复采工作面，实现了残采区遗留煤柱群的安全回收。所述技术方案具体按照以下步骤进行：（1）结合资源枯竭型矿井原有地质、技术资料，勘探查明残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布位置，绘制残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布形态图，调研柱采区域中矿井水积聚与有害气体的赋存状况；（2）设计多级梯式构造充填的基本参数，包括多级梯式构造充填体的层数、宽度、垂高、腰角和腰长；（3）按照步骤（2）中确定的多级梯式构造充填体的参数，构筑并安装多级梯式充填模具；（4）根据残采区遗留煤柱群的受力状态，确定多级梯式构造充填体的强度，并配制充填膏体；（5）在充填泵的作用下，采用柱旁双侧分层充填的方式，将步骤（4）制备的充填膏体均匀注入残采区遗留煤柱两侧的柱采区域中，使其在多级梯式充填模具中凝固、硬化，对残采区遗留煤柱产生侧护作用；（6）布置短壁机械化复采工作面，采用后退式垮落法复采经多级梯式构造充填体侧护的残采区遗留煤柱；（7）待步骤（6）中遗留煤柱开采完毕，重复步骤（4）~（6）的施工工艺，采用多级梯式构造充填的方式依次侧护残采区邻近遗留煤柱群，使弃采煤炭资源逐渐安全复采。优选地，所述的残采区遗留煤柱群为边界煤柱、保安煤柱、构造煤柱、区段煤柱、刀柱煤柱、条带煤柱或房式煤柱的一种或者几种的组合。优选地，所述的步骤（1）采用三维激光扫描仪勘探查明残采区遗留煤柱群的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸及体积，通过钻孔勘探、物理勘探和化学勘探相结合的方法调研柱采区域中矿井水的积聚与有害气体的赋存状况。优选地，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的层数需根据残采区遗留煤柱的高度和台阶式构造充填体的高度来确定，一般取3~5层。优选地，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的垂高h自下而上依次递减，其中最下层梯式构造充填体的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/3~1/2，最上层梯式构造充填体的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/6~1/4。优选地，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的腰角α自下而上依次递减，其中最下层梯式构造充填体的腰角为45°~75°，最上层梯式构造充填体的腰角为15°~30°。优选地，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的腰长l根据垂高h和α来确定，l=h/sinα。优选地，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的底长自下而上依次递减，其中最上层梯式构造充填体的上部底长a为3~8m，最下层梯式构造充填体的下部底长d为9~24m。优选地，所述步骤（3）中的多级梯式充填模具包括底侧模板、斜侧模板和水平模板，多级梯式充填模具的层数为3~5层，每层由斜侧模板和水平模板连接而成，斜侧模板和水平模板的数量按充填模具的层数来确定，最下层的底部设有底侧模板，与其上方的竖直模板连接，能够避免多级梯式构造充填体模具发生滑移错动。进一步地，所述水平模板的宽度自下而上依次递减，其中最上层水平模板的宽度为最下层宽度的1/3，最上层水平模板的宽度为3~8m，最下层的宽度为9~24m；斜侧模板的垂高、腰长自下而上依次减小，最下层的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/3~1/2，最上层的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/6~1/4；斜侧模板、水平模板的厚度为5cm~15cm；底侧模板的宽度为5~15m，厚度为5cm~15cm；充填模具每层的腰角α自下而上依次递减，其中最下层的腰角为45°~75°，最上层的腰角为15°~30°。优选地，所述步骤（3）中的多级梯式充填模具由木质三合板钉制或者由钢质材料焊接形成。优选地，所述的步骤（4）中的充填膏体的骨料选用煤矿采空区矸石、废弃混凝土或碱渣中的一种或几种，胶结料选用水泥、粉煤灰或废弃棉纤中的一种或几种，并辅以水和聚羧酸高效减水剂；充填膏体由骨料：胶结料：聚羧酸高效减水剂：水=60%~75%：8%~10%：2%~5%：15%~25本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）结合资源枯竭型矿井原有地质、技术资料，勘探查明残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布位置，绘制残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布形态图，调研柱采区域中矿井水积聚与有害气体的赋存状况；（2）设计多级梯式构造充填的基本参数，包括多级梯式构造充填体的层数、宽度、垂高、腰角和腰长；（3）按照步骤（2）中确定的多级梯式构造充填体的参数，构筑并安装多级梯式充填模具；（4）根据残采区遗留煤柱群的受力状态，确定多级梯式构造充填体的强度，并配制充填膏体；（5）在充填泵的作用下，采用柱旁双侧分层充填的方式，将步骤（4）制备的充填膏体均匀注入残采区遗留煤柱两侧的柱采区域中，使其在多级梯式充填模具中凝固、硬化，对残采区遗留煤柱产生侧护作用；（6）布置短壁机械化复采工作面，采用后退式垮落法复采经多级梯式构造充填体侧护的残采区遗留煤柱；（7）待步骤（6）中遗留煤柱开采完毕，重复步骤（4）~（6）的施工工艺，采用多级梯式构造充填的方式依次侧护残采区邻近遗留煤柱群，使弃采煤炭资源逐渐安全复采。

【技术特征摘要】
1.一种多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）结合资源枯竭型矿井原有地质、技术资料，勘探查明残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布位置，绘制残采区遗留煤柱群和柱采区域的分布形态图，调研柱采区域中矿井水积聚与有害气体的赋存状况；（2）设计多级梯式构造充填的基本参数，包括多级梯式构造充填体的层数、宽度、垂高、腰角和腰长；（3）按照步骤（2）中确定的多级梯式构造充填体的参数，构筑并安装多级梯式充填模具；（4）根据残采区遗留煤柱群的受力状态，确定多级梯式构造充填体的强度，并配制充填膏体；（5）在充填泵的作用下，采用柱旁双侧分层充填的方式，将步骤（4）制备的充填膏体均匀注入残采区遗留煤柱两侧的柱采区域中，使其在多级梯式充填模具中凝固、硬化，对残采区遗留煤柱产生侧护作用；（6）布置短壁机械化复采工作面，采用后退式垮落法复采经多级梯式构造充填体侧护的残采区遗留煤柱；（7）待步骤（6）中遗留煤柱开采完毕，重复步骤（4）~（6）的施工工艺，采用多级梯式构造充填的方式依次侧护残采区邻近遗留煤柱群，使弃采煤炭资源逐渐安全复采。2.根据权利要求1所述的多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，其特征在于，所述的残采区遗留煤柱群为边界煤柱、保安煤柱、构造煤柱、区段煤柱、刀柱煤柱、条带煤柱或房式煤柱的一种或者几种的组合。3.根据权利要求1所述的多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步骤（1）采用三维激光扫描仪勘探查明残采区遗留煤柱群的宽度、高度、分布区域及其失稳状况，了解柱采区域的分布方位、尺寸及体积，通过钻孔勘探、物理勘探和化学勘探相结合的方法调研柱采区域中矿井水的积聚与有害气体的赋存状况。4.根据权利要求1所述的多级梯式构造充填复采残采区遗留煤柱群的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中多级梯式构造充填体的层数需根据残采区遗留煤柱的高度和台阶式构造充填体的高度来确定，一般取3~5级；多级梯式构造充填体的垂高h自下而上依次递减，其中最下层梯式构造充填体的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/3~1/2，最上层梯式构造充填体的垂高为残采区遗留煤柱高度的1/6~1/4；多级梯式构造充填体的底长自下而上依次递减，其中最上层梯式构造充填体的上部底长a为3~8m，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，白锦文，戚庭野，姜海纳，郭军，刘国艳，王泽华，李振，康立勋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14