进路式采煤充填法

摘要

本发明公开了一种进路式采煤充填法，在完成一个进路回采工作以后，将回采机械撤出，并沿采场下帮的煤层顶板切拉出槽沟，并清空采场，再用红砖在采场入口处先砌筑高度低于采场高度的充填堵墙，向采场的充填区内灌注水泥沙浆充填材料，待水泥沙浆凝固形成层板状胶结体之后，将该充填隔墙进一步向上砌实至采场的高度，向采场充填区层板状胶结体上方的剩余空间内灌注满脱水的水沙或黄泥。本发明简化采煤矿井生产系统，有助于提高工作面回采率，而且生产更加安全、高效，节约充填生产成本。

权利要求

1.一种进路式采煤充填法，其特征在于下列步骤：①在回采机械采收完每一条进路采场内的原煤之后，把包括回采机械在内的煤矿机械和布置于进路采场内的设施从进路采场内全部撤出，进路采场则被回采机械自然采掘成填充巷道；②将填充巷道修整成高度为H、宽度为B 的填充巷道，平整填充巷道底面(6)，并在每一条填充巷道下帮的煤层顶板上沿着填充巷道走向切挖出连续的槽沟(7)，该槽沟(7)的高度为h，其嵌入填充巷道下帮的煤层顶板的深度为b，并且槽沟(7)底部槽壁面(5)与填充巷道底面(6)平齐；③将从进路采场内修整出的矿料和从槽沟(7)凿出的矿料清除出填充巷道；④在填充巷道的入口处砌筑高度为h的基础堵墙(8)，用该高度为h的基础堵墙(8)把填充巷道平整过的填充巷道底面(6)上方的高度为h的下部层状空间和位于填充巷道下帮的槽沟(7)围成预制槽，再向预制槽内灌注水泥沙浆，直至水泥沙浆填满该预制槽并受预制槽约束而凝固成高度或厚度为h、宽度为(B+b)的下部层状承载实体(1)时，下部层状承载实体(1)其一侧嵌栽在沟槽(7)中；⑤在基础堵墙(8)上砌筑起高度为(H-h)的加高堵墙(9)，用高度为(H-h)的加高堵墙(9)把填充巷道下部层状承载实体(1)上方剩余的高度为(H-h)的上部层状空间封住，再向上部层状空间内灌注水沙或黄泥，直至水沙或黄泥脱水后而充满上部层状空间并受上部层状空间约束而形成宽度为B、高度或厚度为(H-h)的上部层状承载实体(2)，(h:H)的比值范围为0.2-0.5。

2.根据权利要求1所述的进路式采煤充填法，其特征是：基础堵墙(8)和加高堵墙(9)均由红砖砌筑构成。

3.根据权利要求1所述的进路式采煤充填法，其特征是：(h:H)=1:4。

4.根据权利要求1所述的进路式采煤充填法，其特征是：在步骤④中，向预制槽内灌注水泥沙浆之前，利用锚杆在填充巷道的两帮打桩，固定住锚杆托盘，在平整过的填充巷道底面(6)上铺一层铁丝网，再用铁丝将铁丝网牵拉、固定在锚杆托盘上。

说明书

进路式采煤充填法

技术领域

[0001] 本发明涉及充填采矿法，属于急倾斜煤层分层采场充填方法的改进，特别是进路式采煤充填法。

背景技术

[0002] 根据我国煤炭探明储量和年产量来衡量，急倾斜煤层(煤层倾角大于45°)所占比例不到5%，在新疆、青海、甘肃等边远地区和四川、贵州、海南、福建等南方缺煤地区占有相当比重，但对这些省区的经济发展有重要作用，而急倾斜特厚煤层所占比重更小，占绝大多数的煤层是薄、中厚煤层和厚煤层。

[0003] 我国急倾斜煤层具有地质构造复杂和煤层赋存不稳定的特点，在薄至厚煤层中布置采煤工作面，工作空间狭小，行人不方便，煤层顶板的下滑分力大，在采煤过程中下落的煤和矸石容易伤及采矿人员。总体来说，我国的急倾斜薄至厚煤层的矿井劳动强度大，工效低，矿井灾害多，事故频发，资源损失多，虽然上世纪八、九十年代，我国在华南和新疆等地区，在沿袭壁式体系和柱式体系采煤法的同时，发展起八字梁柔性掩护支架伪斜长壁采煤法、仓储式采煤法、巷柱式采煤法和水平分层巷放式采煤法等采煤技术，提高了急倾斜厚煤层开采的回采率和回采工效，但是在这样的煤层地质赋存条件下，很难发展和实施机械化采煤生产工艺，矿井回采率、劳动工效和安全生产条件依然受到很大制约。

[0004] 进路式充填采矿法作为诸多充填采矿法的一种，改革开放以来，在国内有了快速的发展，在金属矿山开采方面有着广泛的应用。进路采矿法的优越性，在于它可以解决赋存条件复杂多变的开采技术难题，最大限度地提高资源回采率和有效控制矿山压力活动以确保安全生产，同时，由于矿井开采对地表破坏很小而使采矿周围环境得到保护，但进路充填采矿法多采用配比好的水泥沙浆作为胶结充填材料，充填的成本较高，多应用于贵重矿山资源的开采，例如甘肃金昌市的铜镍矿床开采，在上世纪九十年代，向高进路胶结充填采矿法则才被采用。

[0005] 进路式充填采矿法是将地底埋藏的矿体，利用矿山开拓工程通过分层采掘的方式，将分层的矿体划分为条带，然后逐一将准备好的条带状矿体，以前进开掘的方式采出，并将条带状采空区利用充填物充满致密，达到有效控制围岩移动和矿压显现的目的。进路式充填采矿法可以分为下向水平分层进路充填采矿法和上向水平分层进路充填采矿法。

[0006] 对于新疆埋藏浅、五大类自然灾害比较突出的焦煤层来说，尤其是由急倾斜的薄、中厚和厚煤层群组成的矿井，在现用矿井建设基础上，在经济情况允许的情况下，已具备充分的技术条件来实施下向水平分层进路式充填采矿法(以后可用进路式充填采煤法代替)。

[0007] 下向水平分层进路式充填采煤法，其开采顺序是从地表浅层向地下深部推进，更有利于发挥矿井开拓系统的效率，最快地产生经济效益。对于一个采用完全机械化采矿工艺的煤矿来说，矿区的开拓系统布置两条副井，一条斜坡道副井，和一条副斜井(或立井)，更有利于设备的运输与维护。斜坡道副井，便于无轨胶轮式凿岩台车、锚杆钻车和铲运机械出入矿井。副斜井(或副立井)用于运输人员和生产所需的其它物资，主井和风井也可以同副斜井一样被布置为斜井(或立井)。

[0008] 采用进路采煤法矿井的准备工程是：在一个50m垂深的阶段内，在阶段下部开掘一条机轨合一大巷，作为矿井集中进风大巷(或分列)，有关进路采煤技术的开拓系统，采用的是阶段总进风巷与总运输巷分列的方式，在阶段上部开掘一条集中回风大巷，就可满足矿井的通风、运输、供电、排水等系统构成的需要。阶段集中进风大巷和集中回风大巷也可以通过开凿行人天井、通风天井和溜煤井等附属工程来联系，完成采区分层采煤进路的集中运煤、通风、供电和排水工作。

[0009] 分层道是担负整个采区分层采准任务的主要巷道，同时担负分层内的集中运输工作和通风、排水、供电、充填等任务，分层道应该在矿井煤层群对称中心的若干煤层中选择其一进行布置，以便于采区的安全生产集中管理。

[0010] 分层联络道是联络分层与分层、分层与副井斜坡道的巷道，同时担负煤层进路切割采准的任务，也是各个煤层进路之间的联系巷道。

[0011] 分层厚度的划分主要取决于采掘机械和运输设备的尺寸、充填体的强度和充填胶结周期。国内金川有色金属公司的二矿区成熟的经验分层厚度为4m，进路采场的断面高与宽为4×4m，进路的长度根据准备工程对矿体的切割尺度来确定，考虑到充填工程的质量需要，进路长度控制在100m以内较好，便于生产管理。

[0012] 对于厚度稳定的急倾斜煤层来说，进路开采可以将准备好的煤层完全采出，因此进路采场的宽度由煤层厚度确定。进路采场的高度判定依据应由采场围岩的稳定性决定，以现有煤矿采掘工程技术，进路采场的高度控制在3-4m则比较合适。进路采场长度的确定应由充填体胶结凝固周期、矿井日产量和综掘机(或连采机)的日进尺度能力来综合决定，如果按2000吨矿井日产量来核算，矿井按两翼对称布置两个进路同时生产，以4×4m的进路断面，日推进50m的采煤量就可以满足生产需求。

[0013] 急倾斜厚煤层群矿井的进路充填采煤法开拓系统，其巷道布置比较简单，主井、副井和风井都采用的斜井布置方式，为便于采煤机械机动，沿合适的煤层开掘坡度为7°的副井斜坡道，从地面直通分层进路采场，斜坡道也作为分层联络道使用，这样矿井开拓系统的巷道利用效率就得到很大的提高。当一个进路采完以后，将采煤机械转移到下一个准备好的进路，同时在回采完毕的进路采空区构筑工程，再对进路采空区进行充填。

[0014] 关于进路采空区的充填方法，国内和国际大多采用干式充填、水砂充填和胶结充填工艺方法，尤其是近年来在胶结充填方法的发展基础上，新一代充填材料以被研发出来，使得充填工艺方法得到革新，有代表性的是膏体充填技术和似膏体充填技术，在上向式进路开采中，多应用干式充填法或水沙充填法。充填方法的选择主要受采场围岩稳定性和充填成本控制，对于下向式进路采煤来说，上分层的进路充填体会成为下分层的进路顶板，充填体的强度及其与煤层顶底板力学耦合的稳定程度是煤矿安全生产的决定性因素，但上述现有的进路采煤法其浪费大量充填生产成本，井下采煤系统复杂，使得采煤总成本仍然偏高。

发明内容

[0015] 本发明的目的在于提供一种进路式采煤充填法，简化采煤矿井生产系统，有助于提高工作面回采率，而且生产更加安全、高效，节约充填生产成本。

[0016] 本发明的目的是这样实现的：一种进路式采煤充填法，其具体实施的步骤为：①在回采机械采收完每一条进路采场内的原煤之后，把包括回采机械在内的煤矿机械和布置于进路采场内的设施从进路采场内全部撤出，进路采场则被回采机械自然采掘成填充巷道；②将填充巷道修整成高度为H、宽度为B 的填充巷道，平整填充巷道底面，并在每一条填充巷道下帮的煤层顶板上沿着填充巷道走向切挖出连续的槽沟，该槽沟的高度为h，其嵌入填充巷道下帮的煤层顶板的深度为，并且槽沟底部槽壁面与填充巷道底面平齐；③将从进路采场内修整出的矿料和从槽沟凿出的矿料清除出填充巷道；④在填充巷道的入口处砌筑高度为h的基础堵墙，用该高度为h的基础堵墙把填充巷道平整过的填充巷道底面上方的高度为h的下部层状空间和位于填充巷道下帮的槽沟围成预制槽，再向预制槽内灌注水泥沙浆，直至水泥沙浆填满该预制槽并受预制槽约束而凝固成高度或厚度为h、宽度为(B+b)的下部层状承载实体时，下部层状承载实体其一侧嵌栽在沟槽中；⑤在基础堵墙上砌筑起高度为(H-h)的加高堵墙，用高度为(H-h)的加高堵墙把填充巷道下部层状承载实体上方剩余的高度为(H-h)的上部层状空间封住，再向上部层状空间内灌注水沙或黄泥，直至水沙或黄泥脱水后而充满上部层状空间并受上部层状空间约束而形成宽度为B、高度或厚度为(H-h)的上部层状承载实体。

[0017] 本发明目的是要突破传统壁式和柱式体系采煤法，以进路充填采矿法为基础，针对急倾斜薄、厚煤层，以利于研究和探索出新的机械化采煤方法和生产工艺，并提高矿井回采工效和攻克综合治理安全生产难题。由于薄至中厚的急倾斜煤层群的顶底板多为砂岩和粉砂岩类别，具有较好的力学稳定条件，在考虑充填方法的时候，可以充分利用这一自然条件，构建科学的人工充填结构，即满足充填体人工假顶的安全稳定性，又尽可能地节约充填生产成本。采用本发明所得的填充体具有亚分层混合充填结构，能有效满足进路采煤技术的高标准和生产经济需求，亚分层混合充填体施工方法，实质上是把进路采场再做进一步的分层，将高度为H的进路采空区断面按比例将进路采空区断面再细分为h: (H-h)的层状布置结构，向进路采空区下部的高h的空间内充填高强度的水泥沙浆(胶结体)，而向进路采空区剩余的上部高(H-h)的空间内充填满脱水的黄泥或水砂，这样进路采空区就形成了亚分层混合充填体，亚分层混合充填体总高度被分为高h的下部层状承载实体(由凝固的水泥砂浆构成)和高(H-h)的上部层状承载实体(由脱水的黄泥或水砂构成)，该亚分层混合充填体能有效满足矿井安全的生产要求，并极大降低生产成本，也是设计本发明的基本初衷。本发明简化采煤矿井生产系统，有助于提高工作面回采率，而且生产更加安全、高效，节约充填生产成本。

附图说明

[0018] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0019] 图1为通过本发明施工所得填充巷道的总体纵截面布置示意图(包括与填充巷道连通的分层(巷)道和未采收的煤层，但未显示堵墙)；

[0020] 图2为通过本发明施工所得填充巷道的局部纵截面结构示意图(显示堵墙)；

[0021] 图3为通过本发明施工所得填充巷道的横截面结构示意图。

具体实施方式

[0022] 一种进路式采煤充填法，其具体实施的步骤为：①在回采机械采收完每一条进路采场内的原煤之后，把包括回采机械在内的煤矿机械和布置于进路采场内的设施从进路采场内全部撤出，进路采场则被回采机械自然采掘成填充巷道；②将填充巷道修整成高度为H、宽度为B 的填充巷道，如图1、图2、图3所示，平整填充巷道底面6，并在每一条填充巷道下帮的煤层顶板上沿着填充巷道走向切挖出连续的槽沟7，如图2所示，该槽沟7的高度为h，其嵌入填充巷道下帮的煤层顶板的深度为b，并且槽沟7底部槽壁面5与填充巷道底面6平齐；③将从进路采场内修整出的矿料和从槽沟7凿出的矿料清除出填充巷道，即清空充填区；④在填充巷道(进路采场)的入口处(或填充巷道两端开口(进出口)处分别)砌筑高度为h的基础堵墙8，如图3所示，用该高度为h的基础堵墙8把填充巷道平整过的填充巷道底面6上方的高度为h的下部层状空间和位于填充巷道下帮的槽沟7围成预制槽，再向预制槽内灌注水泥沙浆，直至水泥沙浆填满该预制槽(相当于大型预制模子)并受预制槽约束而凝固成高度或厚度为h、宽度为(B+b)的下部层状承载实体1时(凝固后被预制成层状胶结体)，下部层状承载实体1其一侧嵌栽在沟槽7中，嵌入沟槽的深度即为b，其另一侧受填充巷道上帮壁面支撑；⑤在基础堵墙8上砌筑起高度为(H-h)的加高堵墙9，仍如图3所示，用高度为(H-h)的加高堵墙9把填充巷道下部层状承载实体1上方剩余的高度为(H-h)的上部层状空间封住，再向上部层状空间内灌注水沙或黄泥，直至水沙或黄泥脱水后而充满上部层状空间并受上部层状空间约束而形成宽度为B、高度或厚度为(H-h)的上部层状承载实体2。

[0023] 如图3所示，基础堵墙8和加高堵墙9均由红砖砌筑构成，降低修筑堵墙的材料成本。如图1至图3所示，(h:H)的比值范围为0.2-0.5，h与H的优化比值为(h:H)=1:4。

[0024] 在步骤④中，向预制槽内灌注水泥沙浆之前，利用锚杆在填充巷道的两帮打桩，固定住锚杆托盘，在平整过的填充巷道底面6上铺一层铁丝网，再用铁丝将铁丝网牵拉、固定在锚杆托盘上。

[0025] 如图1至图3所示，H是进路采场高度，h是水泥沙浆胶结充填体(下部层状承载实体)的高度，B是进路采场宽度，如图2所示，b是胶结充填体楔入煤层顶板的深度(槽沟的嵌入填充巷道下帮煤层顶板的深度)，如图1所示，L是进路采场长度。

[0026] 通俗地讲，本发明的填充方法为：采煤机械在采收地下煤层3的过程中，自然在煤层3中随之形成进路采场或采空巷道(填充巷道)，在完成一个进路回采工作以后，将回采机械撤出，并沿进路采场(采空区)下帮的煤层顶板，切拉出深度为b的槽沟，将进路采场(采空区)修整为高H、宽为B 的填充巷道，并清空进路采场(充填区)，而采煤设备转则被移至下一个进路采场。充填工作分两个步骤进行：第一步，用红砖在采场入口处先砌筑高为h的充填隔墙(即基础堵墙8)，在完成初级充填隔墙的砌筑之后，向进路采场充填区域内灌注水泥沙浆(充填材料)，灌注后的水泥沙浆会凝固形成力学强度足够的层板状胶结体，如图3所示，作为下一个分层进路采场的人工假顶，上方的层板状胶结体1(底板)可作为位于其下方进路采场的顶板；第二步，在层板状胶结体形成以后，再进一步向上砌实充填隔墙(即在基础堵墙上再砌筑加高堵墙9)，当充填隔墙的高度被砌筑至(高度)h至H之间时，在充填隔墙每次被增加一定高度后，可及时向位于进路采场采空区的层板状胶结体的上方灌注水沙或黄泥，即加高堵墙9在砌筑起来的同时或在砌筑起来之后，需将水沙或黄泥及时灌注至层板状胶结体上，在所注入到层板状胶结体上的水沙或黄泥脱水之后，再将该充填隔墙的高度向上砌筑至(高度)H，使充填隔墙(加高堵墙9)顶部触及该填充巷道顶壁或顶面(顶板)，使位于进路采场采空区的层板状胶结体上方高(H-h)的剩余空间内填实脱水的水沙或黄泥，即水沙或黄泥最终脱水并填实进路采场采空区层板状胶结体上方高H-h的剩余空间，高h或厚h的层板状胶结体和高(H-h)或厚(H-h)的含沙或黄土的层状体最终共同叠合形成亚分层混合充填体。如图1所示，分层(巷)道4(分层采场)相对位置关系为其横截面形成品字形结构(相互错开)，这有利于单一采场板状假顶的支撑稳固性能和整体充填体的稳固性。

[0027] 对于3-4m厚的急倾斜厚煤层来说，h与H的尺度划分应为 h：H=1：4，亚分层混合充填体中的层板状胶结体与煤层顶底板有效耦合后，具有良好的稳固性。因为，宏观上来说，当煤层被开采后，煤层的顶底板将向采空区移动，这样的亚分层混合充填体会承受来自顶底板的挤压载荷作用，而水砂或黄泥充填区(上部层状承载实体2)具有力学塑性，可以承载层板状胶结体的下压。如果需要提高层板状胶结体的力学性能，还可以在实施充填工作之前，利用锚杆在进路采空区两帮打桩(锚杆托盘被锚杆固定)，铺一层铁丝网并用铁丝牵拉在锚杆托盘上，就可以做成一种类似于钢筋混凝土板，具有更高的抗拉力学性能，事实上，井下进路式采煤工艺只需确保回采与充填整个生产工艺周期内的充填体稳固性即可，无需额外铺装上述所说的铁丝网。

[0028] 进路采煤系统的开拓和准备工程涉及煤和岩石这两类主要工作对象，开拓岩石巷道需要破岩机械设备，进路采场的采煤生产需要煤层切割和破碎设备，考虑到成本因素，目前国内矿山采掘机械制造公司生产的设备类型是完全可以实现和适用本发明。

[0029] 由于进路采场的准备，需要开掘一定数量的岩巷，而且进路采煤法需要进行频繁搬迁工作面。因此，在进行生产机械设备选型的时候，应该优先采用无轨胶轮柴油动力设备，以方便设备的转移和机动，矿井开拓系统中设计的斜坡道分层联络巷是为满足这类采掘机械设备的应用而设计的。现阶段国产的柴油动力胶轮式凿岩台车和铲运机可以满足矿井岩石巷道机械化掘进的设备选型。进路采煤工作面的生产要求生产机械连续工作，以达到效率最大化。现阶段应用煤层掘进的各型综掘机，在省去采场支护这一工序的前提下，能够满足日进度50m的生产需求，所不足的是这类采煤设备以电力为动力，设备尺寸大，转面和机动比较困难，而发展履带式柴油动力掘进机，辅助无轨胶轮式铲运机运煤是提高进路采煤生产工艺效率的出路。

[0030] 综上所述，机械化进路采煤法的实现需依靠凿岩台车、综掘机和铲运机这三大类生产设备和运输机械，设备的选型比较简单，便于多开工作面的矿井生产组织管理。

[0031] 煤矿的顶板、瓦斯、煤尘、水和火这五类灾害是煤矿安全生产必须要解决的难题，虽然进路采煤法采用的是以掘代采的生产工艺，独头工作面采用局扇供风方式，但是进路的长度一般控制在50-100m范围内，进路采场的煤体全部采空之后再被充填，无空顶区和塌陷区。因此，进路采煤法可以最大程度地控制煤层瓦斯的释放和通风排尘。亚分层混合充填体作为进路采场的人工假顶，同煤层顶底板做到充分接合，起到很稳固的控制顶板的作用，在煤层顶底板岩层稳固性较好的情况下，进路采场完全可以采用裸巷无支护的方式进行生产设计。进路采煤法的采空区几乎不留余煤，采空区被充填以后，矿井的漏风和矿井裂隙水得到封堵，工作面上部采空区的水患和火灾就被隔绝，由此可见，进路充填采煤法对煤矿五类灾害的综合治理，具有很强的适应性。

[0032] 本发明可简化采煤矿井生产系统，适用于赋存条件复杂的急倾斜薄、中厚以及厚煤层群开采的矿井，工作面回采率高，而且生产安全高效等优点，尽管有其不足之处：工作面不能铺设长距运输设备，必须依靠铲车装运煤岩，也就不能连续生产，进路工作面的长度有限，生产成本也因为采空区的充填而增高，但是，本发明毕竟作为一种新的有利于机械化采煤的采空区填充方法，可在经济价值比较高的煤种资源开发任务中得以应用，例如，在以急倾斜为主要赋存特征的新疆北疆乌鲁木齐煤田和南疆库拜煤田，本发明可以解决薄至厚煤层的配采难题，也可以作为采煤矿井的主要采空区填充方法，以释放更多的煤炭资源，为地区的经济建设服务。在确定本发明这种采空区填充方法的应用前景之后，开发高效率的煤岩掘进机械、提高进路工作面设计尺寸和优化采空区充填结构是进路采煤生产工艺的主要发展方向。