1.本發(fā)明屬于固廢廢物綜合利用及煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法。

背景技術(shù)：

2.受歷史及開(kāi)采技術(shù)水平限制，在許多產(chǎn)煤區(qū)存在大量的柱式空區(qū)遺煤。柱式空區(qū)遺留煤柱常見(jiàn)尺寸為6

×

6m或6

×

4m(長(zhǎng)度

×

寬度)，由于留設(shè)煤柱尺寸較窄，容易造成礦震現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。常規(guī)的采空區(qū)封閉、煤柱加固等措施無(wú)法杜絕上述隱患，對(duì)柱式空區(qū)遺留煤柱進(jìn)行回收是標(biāo)本兼治的有效途徑。

3.專利cn101725352a公開(kāi)了一種固體充填綜采回收房式煤柱方法，主要是對(duì)預(yù)回收房式煤柱區(qū)域內(nèi)的煤柱和煤房頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，然后按常規(guī)綜采回收煤柱，對(duì)支架后方的采空區(qū)實(shí)施固體充填。但該方法需要人員先進(jìn)入房柱式空區(qū)進(jìn)行煤柱和煤房的加強(qiáng)支護(hù)工作，由于房柱式空區(qū)內(nèi)普遍安全條件差，采空區(qū)內(nèi)作業(yè)危險(xiǎn)性高，也違反煤炭開(kāi)采相關(guān)安全規(guī)定，實(shí)際可操作性差。

4.專利cn103527196a公開(kāi)了一種黃土充填回收房式遺留煤柱的采煤方法，煤柱回收采用炮采工藝，利用地面的黃土作為采空區(qū)的充填材料，采用高速動(dòng)力拋投機(jī)與推土機(jī)配合作業(yè)的方式進(jìn)行采空區(qū)回填，由致密的黃土充填體置換出房式遺留的煤柱支撐采空區(qū)頂板。但該方法一方面也需要在房柱式空區(qū)內(nèi)進(jìn)行黃土回填作業(yè)，安全性差。另一方面煤柱回收時(shí)采用炮采工藝，為目前淘汰落后工藝。

5.專利cn106014412a公開(kāi)了一種梯式構(gòu)造充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱群的方法，該方法在勘探查明殘采區(qū)遺留煤柱群和柱采區(qū)域分布狀況的基礎(chǔ)上，構(gòu)筑安裝了充填模具，采用柱旁雙側(cè)充填的方式依次側(cè)護(hù)了殘采區(qū)遺留煤柱群，并布置了短壁機(jī)械化復(fù)采工作面，安全回收了殘采區(qū)遺留煤柱群。但該方法也需要在房柱式空區(qū)內(nèi)進(jìn)行磨具安裝作業(yè)，安全性差。

6.專利cn105545309a公開(kāi)了一種柱旁雙側(cè)部分充填復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱的方法，采用分段柱旁雙側(cè)部分充填的方法依次側(cè)護(hù)殘采區(qū)遺留煤柱，在柱旁雙側(cè)充填體中掘進(jìn)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，并布置短壁機(jī)械化工作面復(fù)采殘采區(qū)遺留煤柱。但該方法完成柱旁雙側(cè)部分充填，同樣需要在井下搭設(shè)模板進(jìn)行充填作業(yè)。同時(shí)，采用矸石和廢棄混凝土作為充填材料，將充填體和煤體同時(shí)采出后，對(duì)煤質(zhì)影響大，洗選難度大，費(fèi)用高。其次，在回采過(guò)程中，工作面兩側(cè)受側(cè)向支承壓力作用處于增壓區(qū)，其壓力大于開(kāi)采前所受應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會(huì)引起“多米諾骨牌效應(yīng)”而致使工作面兩側(cè)柱式空區(qū)煤柱失穩(wěn)。

7.在現(xiàn)有柱式空區(qū)煤層重構(gòu)技術(shù)方面，一方面現(xiàn)有技術(shù)都局限在局部區(qū)域，僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)柱式空區(qū)回采作業(yè)區(qū)域應(yīng)力重構(gòu)的作用，而未實(shí)現(xiàn)全區(qū)域柱式空區(qū)的應(yīng)力重構(gòu)和整體形態(tài)重構(gòu)。若僅對(duì)柱式空區(qū)部分區(qū)域煤層進(jìn)行重構(gòu)，則在綜采工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面兩側(cè)柱式空區(qū)受工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ淖饔?，部分煤柱必然?yīng)力集中，有可能引起“多米諾骨牌效應(yīng)”，導(dǎo)致柱式空區(qū)煤柱失穩(wěn)的概率大大增加，其綜采工作面回采過(guò)程的安全將受到嚴(yán)

重威脅。所以，為保證工作面安全生產(chǎn)，應(yīng)對(duì)柱式空區(qū)進(jìn)行全部充填重構(gòu)，方可實(shí)現(xiàn)全區(qū)域柱式空區(qū)的應(yīng)力和整體形態(tài)重構(gòu)。

8.另一方面，現(xiàn)有技術(shù)主要集中在采用黃土、矸石等材料對(duì)空區(qū)進(jìn)行回填，充填體與煤體同時(shí)采出后，洗選難度大，費(fèi)用高，煤質(zhì)差。所以，煤與充填體分離依舊需要妥善解決，方可進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

9.煤泥是煤炭生產(chǎn)和洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，由于具有粘濕特性，很難被大規(guī)模工業(yè)使用，此前長(zhǎng)期作為民用能源使用。大規(guī)模工業(yè)用途主要是和高熱值煤摻混后作為動(dòng)力煤燃燒使用。但濕煤泥的黏濕特性使其很難被資源化利用，同時(shí)也給煤泥的運(yùn)輸和儲(chǔ)存帶來(lái)諸多困難。煤泥堆積形態(tài)不穩(wěn)定，雨天造成大量流失，風(fēng)干會(huì)導(dǎo)致飛揚(yáng)。大量的煤泥若采用傳統(tǒng)的熱烘干煤泥處理工藝導(dǎo)致能耗和污染增加。

10.國(guó)內(nèi)對(duì)煤泥的烘干處理研究較多，專利cn106568305a描述了一種高溫?zé)煔夂娓晒に嚕@些煤泥處理工藝無(wú)一例外地采用了干燥工藝，但這些煤泥的烘干工藝往往伴隨著能源消耗以及環(huán)境污染問(wèn)題。

11.煤氣化渣量作為工業(yè)固廢，體量巨大，若處理不當(dāng)，將會(huì)造成極大的環(huán)境危害和土地資源浪費(fèi)。經(jīng)現(xiàn)有研究可知，氣化渣在生產(chǎn)過(guò)程中，受原煤成分、添加劑、工藝流程等因素影響，氣化渣中含有大量殘?zhí)?，還具備一定的再燃燒價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

12.為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，以期綜合解決柱式空區(qū)大面積懸頂災(zāi)害防治與煤泥/細(xì)煤渣資源化處置的問(wèn)題。為有效防止柱式空區(qū)大面積懸頂產(chǎn)生動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生“礦震”，進(jìn)一步提高資源采出率，同時(shí)為煤泥/細(xì)煤渣的資源化利用提供了一個(gè)新的途徑。

13.為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

14.一種柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，包括如下步驟：

15.步驟一：分析礦井柱式空區(qū)情況，確定煤層重構(gòu)區(qū)域；

16.步驟二：在煤層重構(gòu)區(qū)域，以類煤功能材料作為充填材料，配制為充填料漿進(jìn)行充填，以進(jìn)行應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)，所述類煤功能材料為含熱值燃料或具有含熱值燃料功能的材料，所述應(yīng)力重構(gòu)是指將礦井柱式空區(qū)煤柱的二維受力狀態(tài)重構(gòu)為三維應(yīng)力狀態(tài)，所述形態(tài)重構(gòu)是指將柱式空區(qū)的煤柱殘留形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麑?shí)體形態(tài)；

17.步驟三：在應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)完成后，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采。

18.優(yōu)選地，所述步驟一中，對(duì)礦井柱式空區(qū)冒落情況、柱式空區(qū)分布面積及所屬煤層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以煤層進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，以礦井井田范圍為邊界，排除地面已塌陷區(qū)域，將同一煤層其他所有柱式空區(qū)全部統(tǒng)計(jì)為煤層重構(gòu)區(qū)域。

19.優(yōu)選地，所述礦井柱式空區(qū)的寬度范圍為50m～5km，面積范圍為100m2～30km2，其中留置的煤柱為房柱式煤柱或窄條帶煤柱，煤柱寬度5-15m。

20.優(yōu)選地，所述類煤功能材料的熱值為煤層重構(gòu)區(qū)域中煤柱的熱值的20％-70％。

21.優(yōu)選地，所述步驟二包括：

22.s1，分析煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布情況及其承載特征，根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程覆巖與煤柱應(yīng)力分布變化規(guī)律，設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度及充填率；

23.s2，開(kāi)展配比實(shí)驗(yàn)確定滿足充填體強(qiáng)度、熱值及流動(dòng)性需求的充填材料配比；

24.s3，根據(jù)確定的充填材料配比配制充填料漿；

25.s4，根據(jù)充填料漿的流動(dòng)性能，設(shè)計(jì)地面充填鉆孔布置方案；

26.s5，設(shè)計(jì)充填泵送系統(tǒng)，將配制的料漿充填至煤層重構(gòu)區(qū)域，對(duì)煤層重構(gòu)區(qū)域一次全部充填并達(dá)到充填率要求；

27.s6，充填體在井下自然養(yǎng)護(hù)，取樣檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即完成煤層重構(gòu)區(qū)域的煤層重構(gòu)工作。

28.優(yōu)選地，所述s1，應(yīng)力分布情況的分析方法：采用數(shù)值計(jì)算軟件(abaqus三維非線性有限元分析程序、falc

3d

等)建立符合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱特征的模型(包括蠕變模型)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其塑性區(qū)、應(yīng)力分布情況；

29.所述承載特征的分析方法：采用有效區(qū)域理論或wilson理論等理論方法計(jì)算煤柱承載情況，并采用鉆孔取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤柱力學(xué)性能以進(jìn)一步驗(yàn)證煤柱實(shí)際承載特性；

30.然后，根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程應(yīng)力分布變化規(guī)律，結(jié)合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布及煤柱承載特征，應(yīng)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)(二維或三維)、數(shù)值計(jì)算軟件(abaqus三維非線性有限元分析程序、falc

3d

等)建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬分析不同充填體強(qiáng)度、不同充填率條件下進(jìn)行長(zhǎng)壁綜采時(shí)覆巖與煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律，以此為依據(jù)確定充填體強(qiáng)度及充填率。

31.優(yōu)選地，所述s2，充填材料配比需滿足的要求為：充填料漿塌落度a大于27cm、擴(kuò)散度d大于35cm，充填料漿養(yǎng)護(hù)形成充填體后，充填體強(qiáng)度為2-10mpa，充填體熱值為500-4500大卡；

32.所述s4，根據(jù)充填率要求，單個(gè)鉆孔的服務(wù)范圍為：s＝n1*d或s＝n2*a，n1取值范圍為20～110，n2取值范圍為20-180，充填率要求越高，則n1和n2取值越小；

33.所述s5，結(jié)合煤層重構(gòu)充填工程量及工期要求進(jìn)行設(shè)備配套選型，充填泵泵送能力為60～400m3/h，充填泵類型為泥漿泵或充填工業(yè)泵，攪拌機(jī)攪拌能力為80～450m3/h，管道流速0.8～2m/s，管路長(zhǎng)度≤20km，充填泵物料出口壓力≤25mpa。充填率c＝n*v1/v2，v1為充填至煤層重構(gòu)區(qū)域料漿總體積，n為凝固后充填體體積與料漿體積比，v2為煤層重構(gòu)區(qū)域總體積，并通過(guò)鉆孔窺視等方法對(duì)實(shí)際充填率進(jìn)行驗(yàn)證；

34.所述s6，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥28天，充填料漿凝固早期杜絕礦井水涌入，充填體養(yǎng)護(hù)期間涌入至煤層重構(gòu)區(qū)域礦井水高度≤5cm；對(duì)滿足養(yǎng)護(hù)時(shí)間的充填體鉆孔取樣，參照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》或《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，取樣測(cè)試強(qiáng)度必須大于或等于設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度。

35.優(yōu)選地，所述充填料漿中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，骨料占60％-85％，膠凝材料占10％-38％，添加劑占1-5％，質(zhì)量濃度60-80％；所述骨料為煤泥和/或細(xì)煤渣/或氣化爐渣，所述膠凝材料為粉煤灰和/或水泥，添加劑由堿激發(fā)劑及分散劑組成。

36.堿激發(fā)劑包括苛性堿、硅酸鈉、石灰等物質(zhì)或者為這些物質(zhì)中的一種或多種，分散劑包括奈系陰離子表面活性劑、聚羧酸非離子表面活性劑等物質(zhì)或者為這些物質(zhì)中的一種或多種。

37.優(yōu)選地，所述充填料漿的配制過(guò)程中，通過(guò)增加煤泥或細(xì)煤渣含量提高充填體熱值，或根據(jù)充填體與煤混合采出后是否洗選對(duì)配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

38.優(yōu)選地，所述步驟三，參照原生完整煤層進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)，布置綜采工作面，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采，其中所述重構(gòu)煤層綜采工作面寬度為50-200m，采用后退式回采，采空區(qū)處理方式為垮落式或充填式，采用煤柱護(hù)巷或無(wú)煤柱護(hù)巷的方式。

39.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

40.1、采用地面注漿充填的工藝，避免作業(yè)人員進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行支設(shè)模板等工作，有效消除了采空區(qū)作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全充填，提高現(xiàn)場(chǎng)可操作性。

41.2、實(shí)現(xiàn)全區(qū)域柱式空區(qū)的應(yīng)力重構(gòu)和整體形態(tài)重構(gòu)，可有效消除由于工作面兩側(cè)受側(cè)向支承壓力和采動(dòng)影響，引起“多米諾骨牌效應(yīng)”而致使工作面兩側(cè)柱式空區(qū)煤柱失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

42.3、采用類煤功能充填材料進(jìn)行充填，可有效解決充填體與煤體同時(shí)采出后，洗選難度大，費(fèi)用高，煤質(zhì)差的問(wèn)題。同時(shí)為煤泥、氣化爐渣的固廢消納提供新的途徑。

附圖說(shuō)明

43.圖1為綜采工作面四周支承壓力分布情況。

44.圖2為柱式空區(qū)部分區(qū)域煤層重構(gòu)示意圖。

45.圖3為柱式空區(qū)全區(qū)域煤層重構(gòu)示意圖。

46.圖4柱式空區(qū)分布示意圖。

47.圖5地面充填鉆孔布置示意圖。

48.圖6柱式空區(qū)煤層重構(gòu)完成后示意圖。

49.圖7煤層重構(gòu)后長(zhǎng)壁綜采工作面布置示意圖。

50.圖8煤層重構(gòu)后長(zhǎng)壁綜采工作面開(kāi)采順序示意圖。

51.附圖標(biāo)記釋義：

52.1—工作面前方煤壁支承壓力；2—回風(fēng)順槽側(cè)支承壓力；3—運(yùn)輸順槽側(cè)支承壓力；4—采空區(qū)側(cè)支承壓力；5—運(yùn)輸順槽；6—輔助運(yùn)輸順槽；7—遺留煤柱；8—充填體；9—ⅰ期注漿充填孔；10—ⅱ期續(xù)充及檢查孔；11—水平運(yùn)輸大巷；12—水平輔助運(yùn)輸大巷。

具體實(shí)施方式

53.下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

54.陜西神木某煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田神木北部礦區(qū)，距神木市縣城西北約65km，該煤礦于1989年正式建成投產(chǎn)，采用斜井開(kāi)拓，生產(chǎn)能力0.06mt/a，開(kāi)采3-1

煤層，煤層厚度平均3.14m，早期采用房柱式炮采，現(xiàn)已形成房柱式采空區(qū)約5.8km2。

55.如圖1所示，由于工作面兩側(cè)受側(cè)向支承壓力和采動(dòng)影響，在工作面前方煤壁支承壓力1、回風(fēng)順槽側(cè)支承壓力2、運(yùn)輸順槽側(cè)支承壓力3以及采空區(qū)側(cè)支承壓力4的共同作用下，容易引起“多米諾骨牌效應(yīng)”，致使工作面兩側(cè)柱式空區(qū)煤柱產(chǎn)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)如圖2和圖3所示的全區(qū)域柱式空區(qū)的應(yīng)力重構(gòu)和整體形態(tài)重構(gòu)，以有效消除前述風(fēng)險(xiǎn)。圖中，在遺留煤柱7之間的空區(qū)置入充填體8，使二者結(jié)合成為整體，然后采用現(xiàn)有的長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法開(kāi)采，圖中示出了開(kāi)采時(shí)掘進(jìn)的運(yùn)輸順槽5和輔助運(yùn)輸順槽6。本發(fā)明尤其適用于寬度范圍為50m～5km、面積范圍為100m2～30km2的礦井柱式空區(qū)，其中遺留煤柱7為房柱式煤柱或窄條帶煤柱，寬度5-15m。

56.具體地，本發(fā)明的步驟如下：

57.步驟一：分析礦井柱式空區(qū)情況，確定煤層重構(gòu)區(qū)域。

58.對(duì)礦井柱式空區(qū)冒落情況、柱式空區(qū)分布面積及所屬煤層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以煤層進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，以礦井井田范圍為邊界，排除地面已塌陷區(qū)域，將同一煤層其他所有柱式空區(qū)全部統(tǒng)計(jì)為煤層重構(gòu)區(qū)域。

59.本實(shí)施例中，通過(guò)對(duì)柱式空區(qū)地面勘察，地面無(wú)塌陷情況，在專業(yè)救護(hù)隊(duì)引導(dǎo)下，測(cè)繪人員進(jìn)入柱式空區(qū)進(jìn)行測(cè)繪工作。根據(jù)測(cè)繪結(jié)果，房柱式空區(qū)采用“采5留8”的參數(shù)進(jìn)行開(kāi)采，如圖4所示。采空區(qū)所留設(shè)8m*8m的遺留煤柱7保留完好，未出現(xiàn)較大的片幫冒頂現(xiàn)象，最終確定將所有采空區(qū)都劃分為煤層重構(gòu)區(qū)域。

60.步驟二：在煤層重構(gòu)區(qū)域，以類煤功能材料作為充填材料，配制為充填料漿進(jìn)行充填，以進(jìn)行應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)。

61.本發(fā)明類煤功能材料為含熱值燃料或具有含熱值燃料功能的材料，示例地，其熱值一般為煤層重構(gòu)區(qū)域中遺留煤柱7熱值的20％-70％。

62.應(yīng)力重構(gòu)是指將礦井柱式空區(qū)煤柱的二維受力狀態(tài)重構(gòu)為三維應(yīng)力狀態(tài)，形態(tài)重構(gòu)是指將柱式空區(qū)的煤柱殘留形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麑?shí)體形態(tài)，具體步驟如下：

63.s1，分析煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布情況及其承載特征，根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程覆巖與煤柱應(yīng)力分布變化規(guī)律，設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度及充填率。其中，應(yīng)力分布情況的分析方法：

64.采用數(shù)值計(jì)算軟件(abaqus三維非線性有限元分析程序、falc

3d

等)建立符合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱特征的模型(包括蠕變模型)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其塑性區(qū)、應(yīng)力分布情況。

65.承載特征的分析方法：采用有效區(qū)域理論或wilson理論等理論方法計(jì)算煤柱承載情況，并采用鉆孔取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤柱力學(xué)性能以進(jìn)一步驗(yàn)證煤柱實(shí)際承載特性。

66.根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程應(yīng)力分布變化規(guī)律，結(jié)合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布及煤柱承載特征，應(yīng)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)(二維或三維)、數(shù)值計(jì)算軟件(abaqus三維非線性有限元分析程序、falc

3d

等)建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬分析不同充填體強(qiáng)度、不同充填率條件下進(jìn)行長(zhǎng)壁綜采時(shí)覆巖與煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律，以此為依據(jù)確定充填體強(qiáng)度及充填率。

67.在本實(shí)施例中，以步驟一測(cè)繪的柱式空區(qū)煤柱分布圖為基礎(chǔ)建立flac

3d

模型，并將井下煤柱取樣確定的煤柱力學(xué)參數(shù)輸入模型，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度150m，日推進(jìn)速度10m，采高3m，充填體強(qiáng)度分別為2mpa、3mpa、4mpa、5mpa，充填率分別為70％、80％、90％進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，最終確定采用充填體強(qiáng)度為4mpa，充填率大于80％的充填參數(shù)。

68.s2，開(kāi)展配比實(shí)驗(yàn)確定滿足充填體強(qiáng)度、熱值及流動(dòng)性等需求的充填材料配比，充填材料配比需滿足的要求為：充填料漿塌落度a大于27cm、擴(kuò)散度d大于35cm，充填料漿養(yǎng)護(hù)形成充填體后，充填體強(qiáng)度為2-10mpa，充填體熱值為500-4500大卡。

69.本發(fā)明充填料漿中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，骨料占60％-85％，膠凝材料占10％-38％，添加劑占1-5％，質(zhì)量濃度60-80％；其中骨料為煤泥和/或細(xì)煤渣/或氣化爐渣，膠凝材料為粉煤灰和/或水泥，添加劑由堿激發(fā)劑及分散劑組成。堿激發(fā)劑包括苛性堿、硅酸鈉、石灰等物質(zhì)，分散劑包括奈系陰離子表面活性劑、聚羧酸非離子表面活性劑等物質(zhì)。在充填料漿的配制過(guò)程中，可通過(guò)增加煤泥或細(xì)煤渣含量提高充填體熱值，或根據(jù)充填體與煤混合采出

后是否洗選對(duì)配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

70.在本實(shí)施例中，以充填體強(qiáng)度4mpa為目標(biāo)，開(kāi)展充填材料配比實(shí)驗(yàn)，最終確定充填材料配比為(質(zhì)量占比)：粉煤灰30％，煤泥45％，氣化爐渣15％，水泥8％，奈系減水劑2％，質(zhì)量濃度75％。充填體養(yǎng)護(hù)56天后，充填體強(qiáng)度為4.18mpa，充填料漿塌落度27.8cm，擴(kuò)散度38cm，充填體熱值為2100大卡。

71.s3，根據(jù)確定的充填材料配比配制充填料漿。

72.s4，根據(jù)充填料漿的流動(dòng)性能，設(shè)計(jì)地面充填鉆孔布置方案。根據(jù)充填率要求，單個(gè)鉆孔的服務(wù)范圍為：s＝n1*d或s＝n2*a，n1取值范圍為20～110，n2取值范圍為20-180，充填率要求越高，則n1和n2取值越小。

73.在本實(shí)施例中，最終確定的地面充填鉆孔的布置方案如圖5所示，ⅰ期注漿充填孔9分布設(shè)計(jì)為40m*40m，ⅱ期續(xù)充及檢查孔10分布設(shè)計(jì)為40m*60m，ⅱ期續(xù)充及檢查孔10與ⅰ期注漿充填孔9插花布置。

74.s5，設(shè)計(jì)充填泵送系統(tǒng)，將配制的料漿充填至煤層重構(gòu)區(qū)域，對(duì)煤層重構(gòu)區(qū)域一次全部充填并達(dá)到充填率要求。具體地，結(jié)合煤層重構(gòu)充填工程量及工期要求進(jìn)行設(shè)備配套選型，充填泵泵送能力為60～400m3/h，充填泵類型為泥漿泵或充填工業(yè)泵，攪拌機(jī)攪拌能力為80～450m3/h，管道流速0.8～2m/s，管路長(zhǎng)度≤20km，充填泵物料出口壓力≤25mpa。充填率c＝n*v1/v2，v1為充填至煤層重構(gòu)區(qū)域料漿總體積，n為凝固后充填體體積與料漿體積比，v2為煤層重構(gòu)區(qū)域總體積，并通過(guò)鉆孔窺視等方法對(duì)實(shí)際充填率進(jìn)行驗(yàn)證。

75.本實(shí)施例中，根據(jù)煤層重構(gòu)區(qū)域總量，結(jié)合礦方施工進(jìn)度安排及充填工藝要求，設(shè)計(jì)選用了三一重工hbmd300型充填泵，充填能力為3003/h，攪拌機(jī)攪拌能力為420m3/h，管道流速0.8m/s，管路長(zhǎng)度3.5km，充填泵物料出口壓力16mpa。將配制的料漿充填至煤層重構(gòu)區(qū)域，對(duì)煤層重構(gòu)區(qū)域一次全部充填并達(dá)到充填率要求。煤層重構(gòu)區(qū)域充填后如圖6所示。

76.s6，充填體在井下自然養(yǎng)護(hù)，取樣檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即完成煤層重構(gòu)區(qū)域的煤層重構(gòu)工作。具體地，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥28天，充填料漿凝固早期杜絕礦井水涌入，充填體養(yǎng)護(hù)期間涌入至煤層重構(gòu)區(qū)域礦井水高度≤5cm；對(duì)滿足養(yǎng)護(hù)時(shí)間的充填體鉆孔取樣，參照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》或《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，取樣測(cè)試強(qiáng)度必須大于或等于設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度。

77.本實(shí)施例中，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間58d的井下充填重構(gòu)區(qū)域充填體中鉆孔取樣，制成直徑5cm，高10cm的圓柱形試件，測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度為4.6mpa。

78.步驟三，在應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)完成后，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采。具體可參照原生完整煤層進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)，布置綜采工作面，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采，其中所述重構(gòu)煤層綜采工作面寬度為50-200m，采用后退式回采，采空區(qū)處理方式為垮落式或充填式，采用煤柱護(hù)巷或無(wú)煤柱護(hù)巷的方式。

79.在本實(shí)施例中，煤層重構(gòu)區(qū)域完成后，根據(jù)重構(gòu)煤層原大巷所處位置，對(duì)煤層重構(gòu)區(qū)域重新進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度150m，推進(jìn)長(zhǎng)度1200m，如圖7所示，掘進(jìn)了寬4.2m、高3.5m的運(yùn)輸順槽5，掘進(jìn)了寬4.2m、高3.8m的輔助運(yùn)輸順槽6。采用后退式回采，采空區(qū)處理方式為垮落式，采用煤柱護(hù)巷護(hù)巷的方式，掘進(jìn)了水平運(yùn)輸大巷11和水平輔助運(yùn)輸大巷12，如圖8所示。技術(shù)特征：

1.一種柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：分析礦井柱式空區(qū)情況，確定煤層重構(gòu)區(qū)域；步驟二：在煤層重構(gòu)區(qū)域，以類煤功能材料作為充填材料，配制為充填料漿進(jìn)行充填，以進(jìn)行應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)，所述類煤功能材料為含熱值燃料或具有含熱值燃料功能的材料，所述應(yīng)力重構(gòu)是指將礦井柱式空區(qū)煤柱的二維受力狀態(tài)重構(gòu)為三維應(yīng)力狀態(tài)，所述形態(tài)重構(gòu)是指將柱式空區(qū)的煤柱殘留形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麑?shí)體形態(tài)；步驟三：在應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)完成后，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述步驟一中，對(duì)礦井柱式空區(qū)冒落情況、柱式空區(qū)分布面積及所屬煤層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以煤層進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，以礦井井田范圍為邊界，排除地面已塌陷區(qū)域，將同一煤層其他所有柱式空區(qū)全部統(tǒng)計(jì)為煤層重構(gòu)區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述礦井柱式空區(qū)的寬度范圍為50m～5km，面積范圍為100m2～30km2，其中留置的煤柱為房柱式煤柱或窄條帶煤柱，煤柱寬度5-15m。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述類煤功能材料的熱值為煤層重構(gòu)區(qū)域中煤柱的熱值的20％-70％。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述步驟二包括：s1，分析煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布情況及其承載特征，根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程覆巖與煤柱應(yīng)力分布變化規(guī)律，設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度及充填率；s2，開(kāi)展配比實(shí)驗(yàn)確定滿足充填體強(qiáng)度、熱值及流動(dòng)性需求的充填材料配比；s3，根據(jù)確定的充填材料配比配制充填料漿；s4，根據(jù)充填料漿的流動(dòng)性能，設(shè)計(jì)地面充填鉆孔布置方案；s5，設(shè)計(jì)充填泵送系統(tǒng)，將配制的料漿充填至煤層重構(gòu)區(qū)域，對(duì)煤層重構(gòu)區(qū)域一次全部充填并達(dá)到充填率要求；s6，充填體在井下自然養(yǎng)護(hù)，取樣檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即完成煤層重構(gòu)區(qū)域的煤層重構(gòu)工作。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述s1，應(yīng)力分布情況的分析方法：采用數(shù)值計(jì)算軟件建立符合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱特征的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其塑性區(qū)、應(yīng)力分布情況；所述承載特征的分析方法：采用有效區(qū)域理論或wilson理論方法計(jì)算煤柱承載情況，并采用鉆孔取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤柱力學(xué)性能以進(jìn)一步驗(yàn)證煤柱實(shí)際承載特性；然后，根據(jù)分析結(jié)果及長(zhǎng)壁綜采過(guò)程應(yīng)力分布變化規(guī)律，結(jié)合煤層重構(gòu)區(qū)域煤柱應(yīng)力分布及煤柱承載特征，應(yīng)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算軟件建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬分析不同充填體強(qiáng)度、不同充填率條件下進(jìn)行長(zhǎng)壁綜采時(shí)覆巖與煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律，以此為依據(jù)確定充填體強(qiáng)度及充填率。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述s2，充填材料配比需滿足的要求為：充填料漿塌落度a大于27cm、擴(kuò)散度d大于35cm，充填料漿養(yǎng)護(hù)形成充填體后，充填體強(qiáng)度為2-10mpa，充填體熱值為500-4500大卡；

所述s4，根據(jù)充填率要求，單個(gè)鉆孔的服務(wù)范圍為：s＝n1*d或s＝n2*a，n1取值范圍為20～110，n2取值范圍為20-180，充填率要求越高，則n1和n2取值越??；所述s5，結(jié)合煤層重構(gòu)充填工程量及工期要求進(jìn)行設(shè)備配套選型，充填泵泵送能力為60～400m3/h，充填泵類型為泥漿泵或充填工業(yè)泵，攪拌機(jī)攪拌能力為80～450m3/h，管道流速0.8～2m/s，管路長(zhǎng)度≤20km，充填泵物料出口壓力≤25mpa。充填率c＝n*v1/v2，v1為充填至煤層重構(gòu)區(qū)域料漿總體積，n為凝固后充填體體積與料漿體積比，v2為煤層重構(gòu)區(qū)域總體積，并對(duì)實(shí)際充填率進(jìn)行驗(yàn)證；所述s6，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥28天，充填料漿凝固早期杜絕礦井水涌入，充填體養(yǎng)護(hù)期間涌入至煤層重構(gòu)區(qū)域礦井水高度≤5cm；對(duì)滿足養(yǎng)護(hù)時(shí)間的充填體鉆孔取樣，參照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》或《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，取樣測(cè)試強(qiáng)度必須大于或等于設(shè)計(jì)的充填體強(qiáng)度。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一權(quán)利要求所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述充填料漿中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，骨料占60％-85％，膠凝材料占10％-38％，添加劑占1-5％；所述骨料為煤泥和/或細(xì)煤渣/或氣化爐渣，所述膠凝材料為粉煤灰和/或水泥，添加劑由堿激發(fā)劑及分散劑組成。堿激發(fā)劑為苛性堿、硅酸鈉、石灰中的一種或多種，分散劑為奈系陰離子表面活性劑和/或聚羧酸非離子表面活性劑。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述充填料漿的配制過(guò)程中，通過(guò)增加煤泥或細(xì)煤渣含量提高充填體熱值，或根據(jù)充填體與煤混合采出后是否洗選對(duì)配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，其特征在于，所述步驟三，參照原生完整煤層進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)，布置綜采工作面，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采，其中所述重構(gòu)煤層綜采工作面寬度為50-200m，采用后退式回采，采空區(qū)處理方式為垮落式或充填式，采用煤柱護(hù)巷或無(wú)煤柱護(hù)巷的方式。

技術(shù)總結(jié)

一種柱式空區(qū)充填重構(gòu)煤層綜合機(jī)械化回采方法，分析礦井柱式空區(qū)情況，確定煤層重構(gòu)區(qū)域；在煤層重構(gòu)區(qū)域，以類煤功能材料作為充填材料，配制為充填料漿進(jìn)行充填，以進(jìn)行應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)，所述類煤功能材料為含熱值燃料或具有含熱值燃料功能的材料，所述應(yīng)力重構(gòu)是指將礦井柱式空區(qū)煤柱的二維受力狀態(tài)重構(gòu)為三維應(yīng)力狀態(tài)，所述形態(tài)重構(gòu)是指將柱式空區(qū)的煤柱殘留形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾麑?shí)體形態(tài)；在應(yīng)力重構(gòu)和形態(tài)重構(gòu)完成后，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化回采方法進(jìn)行開(kāi)采。本發(fā)明為有效防止柱式空區(qū)大面積懸頂產(chǎn)生動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生“礦震”，進(jìn)一步提高資源采出率，同時(shí)為煤泥/細(xì)煤渣的資源化利用提供了一個(gè)新的途徑。供了一個(gè)新的途徑。供了一個(gè)新的途徑。

技術(shù)研發(fā)人員：李龍清 唐仁龍 李超 任武昂

受保護(hù)的技術(shù)使用者：唐仁龍 李超

技術(shù)研發(fā)日：2021.11.03

技術(shù)公布日：2022/3/11