特厚煤层综放开采回收上部残煤并回填采空区的方法

摘要

本发明公开了一种特厚煤层综放开采回收上部残煤并回填采空区的方法，属于煤矿开采领域。该方法针对特厚煤层，是一种以确定垮落带高度为前提，结合复采上部弃煤或残煤，井下初步分选和矸石回填采空区的绿色高效回收残煤的方法。本发明有效回收了残留的煤炭资源，又避免了矸石运送到地面造成的环境污染，还有效地解决了地表沉陷问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种绿色高效回收残煤的方法，具体是一种特厚煤层综放开采回收上部残煤 并回填采空区的方法，属于煤矿开采领域。

背景技术

近年来，煤炭资源有限性与资源需求无限性这一矛盾日益显著，残煤复采成为新的课题。 由历史原因形成的残煤大致包括整层的弃采煤层和具有可观经济效应的残留煤柱，这两大类 型残煤的复采成为重点研究对象，但受技术条件和经济因素的限制，残煤复采仍处于攻关阶 段。

随着综合机械化放顶煤技术的不断革新，厚度超过20m的特厚煤层一次性采出成为可能， 并得到广泛应用。一方面，由于煤层采出厚度大，顶板岩层垮落范围也较大，其势必引起较 严重的地表沉陷；另一方面，特厚煤层上方一定范围往往存在大量的残留煤层，顶板的大范 围垮落使上部残煤被放落至下部工作面成为可能，生产实践中也出现过下部特厚煤层放顶后 将上部煤层放出的现象。因此，利用特厚煤层综放开采覆岩垮落范围大的特点回收上部残留 煤层成为残煤复采的一条新途径，但这种方法又将面临上部煤层被放下后的煤矸分选等问题。

发明内容

本发明提供了一种特厚煤层综放开采回收上部残煤并回填采空区的方法，巧妙地利用特 厚煤层综放开采的特点回收上部残煤的同时，运用井下煤矸分选装置直接将煤炭资源回收， 同时依靠充填支架将分离后的矸石和巷道开拓过程产生的矸石回填到采空区。这样，既有效 回收了残留的煤炭资源，又避免了矸石运送到地面造成的环境污染，还有效地解决了地表沉 陷问题。

本发明是一种确定垮落带高度为前提，结合复采上部弃煤或残煤，井下初步分选和矸石 回填采空区的绿色高效回收残煤的方法。针对特厚煤层，将回收上部残煤、井下煤矸分选、 矸石回填采空区结合在一起。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种特厚煤层综放开采回收上部残煤并回填采空区的方法，包括以下步骤：

A.基于特厚煤层综放工作面采高、煤岩层物理力学特性及上部残煤与下部工作面间距， 对残煤可回收性进行判定；

B.对判定后具备可回收性的残煤所在区域进行可回收的安全性评价，主要考虑残煤区瓦 斯和水的富集状况；

C.对于可安全回收的上部残煤，在下部工作面顶煤正常回收前提下，利用特厚煤层综放 开采将残煤及层间岩层从充填采煤液压支架落煤口落下，并利用井下光学式煤矸分选装置对 煤矸进行初步分选；

D.经过初步分选后，将煤通过刮板运输机运至地面选煤厂进行二次分选，同时使用充填 采煤液压支架将落下矸石和岩石退至后方支架保护范围内的采空区进行充填。

上述方法中，所述步骤A中的上部残煤可回收性是依据残煤是否处于下部特厚煤层综放 开采的冒落带来判定；其中，特厚煤层综放开采的冒落带可由以下公式确定：

式中：M为累计采高，单位m；

a，b为常数，通过最小二乘法拟合确定；

q为修正常数；

根据采空区上覆岩层的岩性，将上覆岩层分为：坚硬、中硬、软弱和极软弱四种情况； 根据大量观测数据通过拟合给出不同岩层状况下a、b及修正常数q的值：

①上覆岩层为坚硬时，a＝2.1，b＝16，q＝2.5；

②上覆岩层为中硬时，a＝24.7，b＝19，q＝2.2；

③上覆岩层为软弱时，a＝3.2，b＝32，q＝1.5；

④上覆岩层为极软弱时，a＝7.0，b＝63，q＝1.2。

上述方法中，所述步骤B中，对判定后具备可回收性的残煤所在区域进行可回收的安全 性评价，其目的是探明上部采空区的具体位置与深度，探明采空区内瓦斯与水的富集情况， 具体方法是采取瞬变电磁法、测氡法、钻探方法的结合使用。

上述方法中，所述步骤C中的井下光学式煤矸分选装置为光学式井下煤矸分离装置， 该装置由破碎机、光学分选装置和风机组成。其优点为成本低，低消耗，节省了水资源，使 用寿命长，机身可适应井下狭窄的环境。

上述方法中，所述步骤C中的支架是指充填采煤液压支架，该支架包括落煤口、顶梁、 底座、立柱、推压板，所述推压板位于支架一侧，井下分选装置位于支架内部，固定于顶梁 与底座之间，刮板运输机位于底座之上。

本发明提供的特厚煤层综放开采回收上部残煤并回填采空区的方法，与现有技术相比， 具有以下的优点与积极效果：

(1)提高了残留底煤的回采率，解放了永久呆滞储量，充分挖掘并释放了资源潜力，提 高了经济效益，缓解了企业压力，延长矿井及整个矿区的寿命。

(2)有效地防治了矸石山堆积的占地和环境污染问题，控制地表变形，减少地表下沉对 面建筑物(构筑物)的影响。

附图说明

图1是特厚煤层工作面推进示意图。

图2是充填采煤液压支架。

图中1为整层弃煤，2为残留煤柱，3为层间岩层，4为特厚煤层，5为充填采煤液压支 架，6为落煤口，7为井下光学式煤矸分选装置，8为刮板运输机，9为推压板，10为顶梁， 11为底座，12为立柱；M是特厚煤层厚度，h₂为特厚煤层工作面高度，h₁为放顶煤高度，h₃为两层煤之间夹层厚度，h₄为上部残煤或弃煤厚度，H是特厚煤层工作面冒落带高度。

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：

如图1、图2所示，上部薄煤层可能出现的两种情形为：整层弃煤1或残留煤柱2，上部薄 煤层下方为层间岩层3，层间岩层3为特厚煤层4，M为特厚煤层工作面高度，H为通过上述公 式计算出的冒落带高度，h₂为特厚煤层工作面高度，h₁为放顶煤高度，h₃为两层煤之间夹层 厚度，h₄为上部残煤或弃煤厚度，当h₃+h₄<H，可以认为上部弃煤或残煤可以通过本发明 所示方法采出。

随着特厚煤层综放开采工作面正常推进，特厚煤层4上部顶煤，层间岩层3和上部残煤或 弃煤自然垮落，从充填采煤液压支架5的落煤口6落下，进入井下光学式煤矸分选装置7进行初 步分选，分选后的煤通过刮板运输机8运至地面进行二次分选，分选剩余的矸石通过充填采煤 液压支架自带的推压板9将矸石推至后方采空区进行充填作业。

下面以大同矿区塔山煤矿8106工作面为例进一步说明本发明：

为探明2号煤层采空区的具体位置与深度，采用测氡法与瞬变电磁法相结合的综合方法 对采空区的范围和深度进行划定，得到采空区厚度h₄。采用钻探方法测得2号煤层与3～5 号煤层间砂质泥岩厚度h₃。

如表1所示，3～5号煤厚14.47m，2号煤厚4.92m，两层煤间夹砂质泥岩，属坚硬顶板， 厚3.70m。带入上述公式

所得结果表示冒落带高度处于28.69m～33.69m之间。说明上部煤层处于垮落带范围之 内，可使用本发明所述的残煤回收并回填采空区方法进行开采。

表1

在井下采用综合探测方式探测2号煤层采空区积水和积气量，初次排水与注入氮气和阻燃 剂同时进行，以驱替有害气体；在掘巷过程中采用CT扫描方式每掘30m探测采空区的积水 量，每隔50m设置测量有害气体和温度的传感器，监测CO、CO2、瓦斯和煤体的温度，判断 采空区遗留煤炭资源氧化及发火状态。

随着特厚煤层综放开采工作面正常推进，3～5号煤层上部砂质泥岩及2号煤层残煤自然垮 落，从充填采煤液压支架的落煤口落下，进入井下煤矸分选装置进行初步分选，分选后的煤 通过刮板运输机运至地面进行二次分选，分选剩余的矸石通过充填采煤液压支架自带的推压 杆将矸石推至后方采空区进行充填作业。