一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法

摘要

本发明属采煤采空区充填技术领域，为解决现有技术提高采空区充实率方法存在工艺复杂、工程量大、影响采煤作业效率的问题，提供一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法。充填采煤液压支架后方连接阳极或阴极电极，开切眼靠近边界煤柱侧固定开排水孔的反向电极管，接通电源，电渗作用驱动采空区充填物料中的水运移至电极管并自流至水沟，电泳作用聚结采空区充填物料中的细物料至支架后方密实空间，电极附近物料氧化还原反应产生的胶结物将物料固结在一起。本发明通过电渗排水、电泳聚结、电化学胶结和覆岩加载等共同作用，含水率降低了41~66%，采空区的充实率提高至90.7~95.1%，充填物料的抗压强度提高3.4~7.8倍。

权利要求

1.一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，其特征在于：在充填采煤液压支架后方连接阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；接通电源，两电极间的电渗作用驱动采空区充填物料中的水运移至电极管并自流至水沟，两电极间的电泳作用聚结采空区充填物料中的细物料至支架后方密实空间，两电极附近物料发生氧化还原反应产生的胶结物将物料固结在一起增强充填物料的强度，提高采空区的充实率；

具体步骤如下：

（1）测试采空区煤矸石的组分与粒径分布，以及水环境中的成分与酸碱度；

（2）根据采空区内的水质及pH值，确定充填物料的种类、比例与颗粒粒径；当采空区内的水体pH值小于5时，充填物料选择煤矸石、粉煤灰与矿渣，在保证煤矸石占比0.8的条件下，粉煤灰与矿渣比例为0.1:0.1 0.15:0.05；当采空区内的水体pH值大于5，充填物料选择~煤矸石、粉煤灰与黄土，在保证煤矸石占比0.8的条件下，粉煤灰与黄土比例为0.05：0.15~

0.1:0.1；

（3）在进风或回风顺槽倾斜方向一侧设置排水沟；

（4）在充填采煤液压支架后方设置阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；

（5）用绝缘导线将阳极电极与阴极电极分别接到直流电源的正极和负极，直流电源的电压随工作面的推进按照1V/m 5V/m的梯度逐渐增大；

~

（6）接通直流电源，采空区中的水在电渗作用下向阳极电极管流动并自流至水沟，充填物料在电泳作用下向阴极电极流动并密实液压支架后方空间，同时两电极附近发生氧化还原反应产生胶结物增强充填物料的强度，提高采空区的充实率，当支架附近充填物料中的水脱出大部分后，断开电源。

2.根据权利要求1所述的一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，其特征在于：所述电极长度是工作面长度的0.1 1.0倍。

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3.根据权利要求1所述的一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，其特征在于：所述阳极或阴极的位置选择取决于采空区内的水体pH值；当采空区内的水体pH值小于5，阳极置于采空区边界煤柱一侧，阴极置于回采工作面一侧；当采空区内的水体pH值大于5，阳极置于回采工作面一侧；阴极置于采空区边界煤柱一侧。

4.根据权利要求1所述的一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，其特征在于：所述直流电源电压为0 3000V。

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5.根据权利要求1所述的一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，其特征在于：所述电极材质为铁或钢。

说明书

一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法

技术领域

[0001] 本发明属于采煤采空区充填技术领域，具体涉及一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，在固体充填采煤中通过电渗排水、电泳聚结和电化学改性等协同作用固结充填材料，从而提高采空区充实率的方法。

背景技术

[0002] 固体充填采煤是目前解放“三下”压煤最有效的技术途径之一，充填体充实率直接影响充填采场的覆岩移动和地表沉陷控制效果。但是，实际中的采空区充实率较低，尤其是在采空区水较多的环境中。因此，如何大幅提高充实率成为固体充填的重要问题。

[0003] 当前，提高采空区充实率的方法主要是从提高支架初撑力和夯实法两个角度入手。其中提高支架初撑力的目的在于使支架主动支撑顶板，以减小顶板在未充填前的下沉量。夯实法的控制原理有2方面：（1）减小充填欠接顶量，充填作业中必须保证夯实机的伸缩机构尽量伸出，每次夯实作业以夯实板前的物料堆积到顶板处且夯不动为止，发现充填未接顶时立即进行补夯；（2）减少充填物料的压缩变形量，为了尽量提高充填物料的初始压实度同时兼顾充填效率，确定落料后每轮夯实次数不少于10次。但是该方法存在成本高、工艺复杂、充填作业会影响煤炭开采效率等问题。并且在上覆岩层顶板裂隙发育以及煤层开采过程中水涌出量较大的情况下，采空区含水量较高，充入采空区的煤矸石、粉煤灰、黄土、矿渣等充填材料会一直处于一个水环境中，有些物料甚至发生膨胀，疏松度增加，抗压强度显著降低。

[0004] 电渗法被广泛应用于软土脱水固结、软岩改性加固和强化油气采收等领域，其原理是通过电渗作用加快煤、岩、土等介质间的液体运移排出，同时又可通过电泳作用实现固体颗粒的定向运移，以及电化学反应产生新的胶结矿物。

发明内容

[0005] 本发明为了解决现有技术提供的提高采空区充实率方法存在工艺复杂、工程量大、影响采煤作业效率的问题，提供了一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法。

[0006] 本发明由如下技术方案实现的：一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，在充填采煤液压支架后方连接阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；接通电源，两电极间的电渗作用驱动采空区充填物料中的水运移至电极管并自流至水沟，两电极间的电泳作用聚结采空区充填物料中的细物料至支架后方密实空间，两电极附近物料发生氧化还原反应产生的胶结物将物料固结在一起增强充填物料的强度，提高采空区的充实率。

[0007] 具体步骤如下：

[0008] （1）测试采空区煤矸石的组分与粒径分布，以及水环境中的成分与酸碱度；

[0009] （2）根据采空区内的水质及pH值，确定充填物料的种类与颗粒粒径；当采空区内的水体pH值小于5时，充填物料选择煤矸石、粉煤灰与矿渣，在保证煤矸石占比0.8的条件下，粉煤灰与矿渣比例为0.1:0.1 0.15:0.05；当采空区内的水体pH值大于5，充填物料选择煤~矸石、粉煤灰与黄土，在保证煤矸石占比0.8的条件下，粉煤灰与黄土比例为0.05：0.15~
0.1:0.1；

[0010] （3）在进风或回风顺槽倾斜方向一侧设置排水沟；

[0011] （4）在充填采煤液压支架后方设置阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；

[0012] （5）用绝缘导线将阳极电极与阴极电极分别接到直流电源的正极和负极，直流电源的电压随工作面的推进按照1V/m 5V/m的梯度逐渐增大；~

[0013] （6）接通直流电源，采空区中的水在电渗作用下向阳极电极管流动并自流至水沟，充填物料在电泳作用下向阴极电极流动并密实液压支架后方空间，同时两电极附近发生氧化还原反应产生胶结物增强充填物料的强度，提高采空区的充实率，当支架附近充填物料中的水脱出大部分后，断开电源。

[0014] 所述电极长度是工作面长度的0.1 1.0倍。~

[0015] 所述阳极或阴极的位置选择取决于矿井水pH值。当采空区内的水体pH值小于5，阳极置于采空区边界煤柱一侧，阴极置于回采工作面一侧；当采空区内的水体pH值大于5，阳极置于回采工作面一侧；阴极置于采空区边界煤柱一侧。

[0016] 所述直流电源电压为0 3000V。~

[0017] 所述电极材质为铁或钢。

[0018] 本发明通过对采空区中的充填物料外加电场，实现3重作用：①驱动采空区充填物料中的水运移排出（电渗排水）；②聚结粉煤灰与黄土等细物料至支架后方（电泳聚结）③氧化还原反应产生新胶结物并将物料固结在一起（电化学胶结）等。从而在电渗排水、电泳聚结、电化学胶结以及覆岩加载等四位一体作用下共同提高采空区充填物料的充实率与抗压强度。

[0019] 本发明与现有方法相比，本发明所述方法对采空区矸石施加电场后，采空区充填物料空隙中的水在电渗作用驱动下会排出，实现充填物料的固结。同时采空区充填物料中的粉煤灰、黄土等带电颗粒在电泳作用下会运移至液压支架后方，提高支架附近矸石密实度，加强对顶板的支撑作用。并且电极附近发生氧化还原反应，阳极附近生成褐铁矿或含硅水铝英石，阴极附近生成三水铝石或铁矿物等，这些新生矿物多具有胶结特性，可进一步提高充填物料的抗压强度。该工艺简单、成本较低，可与采煤作业同步进行，互不影响。

[0020] 采用本方法对采空区作用后，含水率降低了41 66%，固体充填采煤技术中采空区~的充实率提高至90.7 95.1%，充填物料的抗压强度提高3.4 7.8倍。
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附图说明

[0021] 图1是本发明实施例1所述煤矿工作面走向推进时电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的布置示意图；

[0022] 图2是本发明实施例2所述煤矿工作面倾向（仰斜）推进时电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的布置示意图。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图1和附图2对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

[0024] 实施例1：一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，在充填采煤液压支架后方连接阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；接通电源，两电极间的电渗作用驱动采空区充填物料中的水运移至电极管并自流至水沟，两电极间的电泳作用聚结采空区充填物料中的细物料至支架后方密实空间，两电极附近物料发生氧化还原反应产生的胶结物将物料固结在一起增强充填物料的强度，提高采空区的充实率。

[0025] 具体步骤如下：

[0026] a)某煤矿工作面长120m，推进长度500m，平均厚度2.7m，平均倾角8°，采用单一走向长壁采煤法，见图1。对采空区中的水进行取样，采用水检测仪与pH计测试采空区水的成-2 2+ 3+分与酸碱度。矿井水成分主要为SO4 、Fe 与Fe 等，pH为4.7，呈酸性。

[0027] b)根据采空区内的水质及pH值，确定充填物料的种类与比例，选定的充填物料为煤矸石、粉煤灰与矿渣。采用X-衍射仪、荧光光谱仪、粒径分布仪与电泳仪等测试充填物料的组分、粒径分布与电动电位，测试结果见表1。确定煤矸石、粉煤灰与矿渣的配比为8：1.2：0.8。

[0028] 表1 各充填物料成分、粒径及其在pH=4.7时电动电位的测试结果

[0029]

[0030] c)在倾斜方向下侧设置水沟，水沟在进风顺槽一侧，如此可使得水通过重力作用流走；

[0031] d)根据各充填物料电动电位在采空区水pH值=4.7时为正值（4.4 13.5）的测试结~果，设定在充填采煤液压支架后方连接阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定阳极电极管，并且阳极电极管要开孔，以供排水。电极材质选用铁，电极直径20cm，长110m；

[0032] e)用绝缘导线将阳极电极管与阴极电极分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为500V，并且随着工作面的推进，电压按照2V/m的梯度逐渐增大；

[0033] f)接通直流电源，采空区中的水在电渗作用下向阳极电极管流动并自流至水沟，充填物料在电泳作用下向阴极电极流动并密实液压支架后方空间，同时两电极附近发生氧化还原反应产生胶结物增强充填物料的强度，从而提高采空区的充实率，当支架附近充填物料中的水脱出大部分后，断开电源。

[0034] 电渗作用后，含水率降低了55%，固体充填采煤技术中采空区的充实率提高至94.2%，充填物料的抗压强度提高4.6倍。

[0035] 实施例2：一种电渗固结提高固体充填采煤采空区充实率的方法，在充填采煤液压支架后方连接阳极或阴极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定反向电极管，反向电极管上开设排水孔；接通电源，两电极间的电渗作用驱动采空区充填物料中的水运移至电极管并自流至水沟，两电极间的电泳作用聚结采空区充填物料中的细物料至支架后方密实空间，两电极附近物料发生氧化还原反应产生的胶结物将物料固结在一起增强充填物料的强度，提高采空区的充实率。

[0036] 具体步骤如下：

[0037] a)某煤矿工作面长150m，推进长度800m，平均厚度3.4m，平均倾角5°，采用倾斜（仰斜）长壁采煤法，见图2。对采空区中的水进行取样，采用水检测仪与pH计测试采空区水的成分与酸碱度。矿井水成分主要为SO4-2、Ca2+、Mg3+和HCO3-等，pH为8.2，呈碱性。

[0038] b)根据采空区内的水质及pH值确定充填物料的种类与比例，选定的充填物料为煤矸石、粉煤灰与黄土，采用X-衍射仪、荧光光谱仪、粒径分布仪与电泳仪等测试充填物料的组分、粒径分布与电动电位，见表2所示，确定煤矸石、粉煤灰与黄土的配比为8：0.76：1.24；

[0039] 表2 各充填物料成分、粒径及其在pH=8.2时电动电位的测试结果

[0040]

[0041] c)水沟设置在进风顺槽一侧，并在边界煤柱侧安装水泵，通过泵压将水排出；

[0042] d)根据各充填物料电动电位在采空区水pH值=8.2时为负值（-23.7 -58.7）的测试~结果，设定在充填采煤液压支架后方连接阳极电极，在开切眼靠近边界煤柱一侧固定阴极电极管，并且阴极电极管要开孔，以供排水。电极材质选用铁，电极直径25cm，长140m；

[0043] e)用绝缘导线将阳极电极与阴极电极管分别接到直流电源的正极或负极，直流电源的输出电压为800V，并且随着工作面的推进，电压按照3.5V/m的梯度逐渐增大；

[0044] f)接通直流电源，采空区中的水在电渗作用和重力作用下向阴极电极管流动并流至水沟，充填物料在电泳作用下向阳极电极流动并密实液压支架后方空间，同时两电极附近发生氧化还原反应产生胶结物增强充填物料的强度，从而提高采空区的充实率，当支架附近充填物料中的水脱出大部分后，断开电源。

[0045] 电渗作用后，含水率降低了49%，固体充填采煤技术中采空区的充实率提高至91.8%，充填物料的抗压强度提高5.2倍。