膏体充填结合顶板预裂复采特厚煤层停采线煤柱的方法

摘要

本发明公开了一种膏体充填结合顶板预裂复采特厚煤层停采线煤柱的方法，通过对特厚煤层顶板施行深孔预裂爆破，预裂煤层上覆顶部岩层，破坏采空区与停采线煤柱上方的压力拱结构，然后采用膏体充填方式，对特厚煤层停采线煤柱进行充填开采。本发明对停采线到大巷之间的煤柱上覆岩层进行预裂爆破，减小了坚硬顶板条件下特厚煤层煤柱开采过程中顶板的悬露面积，避免了坚硬顶板悬而未垮现象的发生；降低了坚硬顶板条件下的特厚煤层停采线煤柱开采过程中的周期来压步距和来压强度，避免了综放开采工程中的坚硬顶板瞬间破断时引发的动力灾害，保证生产安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种膏体充填结合顶板预裂复采特厚煤层停采线煤柱的方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

当前，煤炭作为我国最重要的一项能源，对我国各行各业的发展有着重要作用。在长壁式采煤法开采煤炭资源的过程中，煤炭资源往往以煤柱的方式被遗弃在井下，这其中大多数以停采线煤柱的形式被遗弃，尤其以特厚煤层遗留煤柱居多。然而，煤炭作为一种不可再生资源，在满足各行各业对其要求的同时，更需要在煤炭开采过程中减少对煤炭资源的浪费，提高煤炭资源的采出量，保证煤炭资源的高效利用。如今，特厚煤层矿井在我国分布广泛，并且在其开采过程中，停采线煤柱的留设宽度相当大，以塔山煤矿8105工作面为例，停采线煤柱宽度达230m，造成煤炭资源的极大浪费，但是停采线煤柱的留设宽度又将直接影响到主要巷道在使用期间的稳定性、可靠性、煤炭资源的采出量及企业的经济效益，因此亟待找到一种合理采出特厚煤层停采线煤柱的方法。

目前学者研究最多的是如何减少停采线煤柱的宽度，从而减少停采线煤柱的压煤量，即由经验公式、现场实测、软件计算等方式确定停采线煤柱的合理位置。煤层开采以后，在回采工作空间上方，由于岩石自然平衡的结果形成一个“压力拱”结构，因此，将主要巷道布置在压力拱以外工作面前方的超前支撑压力分布区的稳压区内，就使得巷道所受压力最小，稳定性最高，达到安全开采的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种膏体充填结合顶板预裂复采特厚煤层停采线煤柱的方法，对特厚煤层上覆坚硬顶板进行深孔预裂爆破，破坏停采线到大巷之间的煤柱上方的压力拱结构，实现应力转移，并结合膏体充填的手段，对停采线煤柱进行开采。

本发明的创新点是：破坏采空区与停采线煤柱上方的压力拱结构，实现应力的释放，同时以膏体充填为手段，对特厚煤层停采线煤柱进行充填开采，即在适当改变工作面前方超前支承压力分布的条件下，主要巷道仍处于工作面前方超前支撑压力分布区的稳压区内，同时对特厚煤层停采线煤柱进行复采，达到减少煤炭损失的目的。

本发明提供了一种膏体充填结合顶板预裂复采特厚煤层停采线煤柱的方法，以深孔爆破作为主要手段，通过对特厚煤层顶板（基本顶）施行深孔预裂爆破，预裂煤层上覆顶部岩层，破坏采空区与停采线煤柱上方的压力拱结构，实现应力转移，然后采用膏体充填方式，对特厚煤层停采线煤柱进行充填开采，解决停采线煤柱的压煤量过多、煤炭损失严重的问题。具体实施步骤如下：

（1）根据矿井资料确定坚硬顶板条件下的特厚煤层上覆坚硬顶板层位、依据现场实测数据确定开采过程中采场的初次来压步距及周期来压步距，结合现场矿压实测数据以及数值模拟分析确定工作面前方超前支承压力的分布规律；

（2）在满足将主要巷道布置在特厚煤层停采线超前支承压力分布的减压区的条件下，确定新停采线位置a，并以此作为第一排爆破孔位置；

（3）在煤柱内贴紧煤层顶板侧开掘一条顶板预裂巷道，作为后期煤柱开采的充填巷道；

（4）在顶板预裂巷道内向顶板钻取预裂爆破孔，对顶板进行预裂爆破；爆破孔的布置方式为：从顶板上方倾斜向下设置，一直延伸到预裂巷道内，且若干个爆破孔沿预裂巷道的方向平行分布；爆破孔的分布方式为扇形；

（5）取深孔爆破孔排间距c，沿预裂巷道的方向依次设置爆破孔，直到原停采线位置b；

（6）在特厚煤层停采线煤柱中布置工作面，对停采线煤柱进行间隔放顶煤充填开采，对煤柱进行回收。

上述方案中，步骤（1）中，依据矿井钻孔柱状图确定距离坚硬顶板条件下的特厚煤层最近的上覆坚硬岩层，依据工作面在开采过程中的记录数据确定采场的初次来压步距及周期来压步距，依据现场矿压实测数据以及数值模拟分析确定特厚煤层的支承压力分布情况，并确定其减压区范围。

上述方案中，步骤（3）开掘的顶板预裂巷道位于煤柱横向的中央、在靠近顶板的位置。

上述方案中，步骤（4）中装药的方式为：采用木塞加抗静电软管制成炮棍进行装药，采用双雷管起爆，雷管分别安设在装药段的中部和尾部，用黄土进行封孔。

上述方案中，爆破孔的深度满足，其中，M-采高，K_p-岩石膨胀系数；爆破孔的直径d₀为8～15mm。爆破孔的倾斜角度α为15°～75°。

上述方案中，步骤（4）爆破孔的钻取过程及顶板的预裂爆破过程要符合煤柱回收矿井的爆破要求及其有关规定。

上述方案中，步骤（5）中，爆破孔的排间距是(3/5～4/5)L±3m，其中L为采场初次来压步距L₁、周期来压步距L₂之间的较小值。排间距是指沿着预裂巷道水平方向的距离。

上述方案中，步骤（7）中，充填过程中，采用以下质量百分比的组分：煤矸石：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝45％—55％：15％—20％：10％—15％：3％—5％：15％—25％，配制成浓度为75％—85％的充填膏体。

上述方案中，步骤（7）间隔放顶煤（间隔一段距离进行充填开采）充填开采中，在工作面放顶煤支架放煤口关闭的情况下，在支架后方用矸石或砖块砌筑墙体，之后进行不放顶煤开采，推进（1/2～2/3）L后，再在支架后方砌筑墙体，并对砌筑所形成的空间进行膏体充填，待充填膏体充分凝固并有效接顶后，再推进工作面进行（1/2～2/3）L距离的放顶煤开采，循环往复，形成图4所示的效果，其中L为采场初次来压步距L₁、周期来压步距L₂之间的较小值。

本发明采用深孔爆破和充填开采技术，其有益效果如下：

（1）本发明对坚硬顶板条件下的特厚煤层停采线到大巷之间的煤柱上覆坚硬岩层进行预裂爆破，破坏其上部的拱形结构，实现应力转移，从而对停采线煤柱进行间隔放顶煤充填开采，解决停采线煤柱的压煤量过多、煤炭损失严重的问题。

（2）本发明对停采线到大巷之间的煤柱上覆岩层进行预裂爆破，减小了坚硬顶板条件下特厚煤层煤柱开采过程中顶板的悬露面积，避免了坚硬顶板悬而未垮现象的发生。

（3）本发明降低了坚硬顶板条件下的特厚煤层停采线煤柱开采过程中的周期来压步距和来压强度，避免了综放开采工程中的坚硬顶板瞬间破断时引发的动力灾害，保证生产安全。

附图说明

图1为坚硬顶板条件下特厚煤层煤柱上覆顶板预裂爆破时采场的俯视图；

图2为图1中沿A-A线的剖面图；

图3为图2的左视图；

图4为开采效果示意图。

图中1—主要巷道，2—预裂巷道，3—运输顺槽，4—轨道顺槽，5—煤体，6—坚硬顶板，7—爆破孔，a—新停采线，b—原停采线，c—爆破孔排距线。

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：

同煤集团塔山煤矿某未开采工作面，目前主要开采石炭系3-5^#合并煤层，煤层厚度11.1m～31.7m，平均厚度为15m，煤层倾角1°～3°，属于近水平特厚煤层，采用一次采全高综采放顶煤采煤法。以往塔山矿大巷煤柱宽度一般为230m左右，压煤量高达165万t，8105工作面进行了缩小煤柱试验，将煤柱宽度减小到180m，压煤量仍达到150万t。由于该煤层上部由于煌斑岩侵入的穿插，煌斑岩硬度之大，在该煤层上部形成坚硬顶板。具体实施步骤如下：

（1）通过矿井钻孔柱状图确定该煤层上部煌斑岩侵入厚度，并根据其它地质条件相似的已开采工作面回采数据确定采场初次来压步距和周期来压步距，并将这些工作面停采线煤柱的支承压力分布情况和未开采的工作面支承压力分布情况进行现场实测，得到停采线煤柱的支承压力分布。

（2）根据确定出来的支承压力分布情况，尽量将主要巷道布置1在支承压力分布区的减压区内，由此确定新的停采线a。

（3）在该停采线煤柱中部贴着煤层顶板掘进一条沿煤层推进方向的巷道，作为顶板预裂爆破巷道和后期的充填巷道。

（4）在符合塔山煤矿爆破安全规程的前提下，在该顶板预裂巷道2内钻取直径为10mm，并与坚硬顶板分别保持15°，30°，50°，75°的夹角的爆破孔，并施行爆破。

预裂巷道2也是后期的充填巷道，巷道的位置在顶板和煤柱之间。

如图2和3所示，可以看出，爆破孔的布置方式为：扇形布置方式，从顶板上方倾斜向下设置，一直延伸到预裂巷道内，且若干个爆破孔沿预裂巷道的方向平行分布；爆破孔的倾斜角度α（即爆破孔与竖直方向所成的夹角）为15°～75°。爆破孔沿预裂巷道方向的排间距为：(3/5～4/5)L±3m，其中L为采场初次来压步距L₁、周期来压步距L₂之间的较小值；

装药的方式为：采用木塞加抗静电软管制成炮棍进行装药，采用双雷管起爆，雷管分别安设在装药段的中部和尾部，用黄土进行封孔。

（5）之后每隔(3/5～4/5)L±3m的距离钻取新的爆破孔，直到原停采线b；将坚硬顶板充分预裂，其中L为采场初次来压步距L₁和周期来压步距L₂的较小值。

（6）在充填巷道2内钻取垂直向下直径为100mm的钻孔，作为充填开采料浆的输送管道，之后对特厚煤层停采线煤柱进行间隔充填回收，从而，减少煤炭资源的浪费。

充填过程中，采用以下质量百分比的组分：煤矸石：粉煤灰：水泥：减水剂：水＝50%：16%：12%：4%：18%，配制成浓度为80%的充填膏体。

间隔放顶煤充填开采中，在工作面放顶煤支架放煤口关闭的情况下，在支架后方用矸石或砖块砌筑墙体，之后进行不放顶煤开采，推进（1/2～2/3）L后，再在支架后方砌筑墙体，并对砌筑所形成的空间进行膏体充填，待充填膏体充分凝固并有效接顶后，再推进工作面进行（1/2～2/3）L距离的放顶煤开采，循环往复，形成图4所示的效果，其中L为采场初次来压步距L₁、周期来压步距L₂之间的较小值。

如图4所示，工作面开采前在开切眼外上侧沿顶板开掘一条与开切眼平行的辅助巷道（切顶巷，即后期的充填巷道），同时在巷道顶上的坚硬顶板6，布置爆破孔7进行打眼放炮，以扩大切顶效果。在开切眼后即原停采线b后，一段距离不放顶煤，推进（1/2～2/3）L后，砌筑墙体进行膏体充填，接顶后（即图中b左侧所形成的效果），下一个（1/2～2/3）L后进行放顶开采，回收煤体，如此往复间隔充填放顶，直到新停采线a位置。