專利名稱：控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，適用 于厚度在3米以下煤層的采煤工作面，屬于煤炭開采充填領域。
背景技術：
隨著我國煤炭開采強度的不斷增加，因開采造成的地面下沉對環(huán)境的影響日益 突出；而隨著開采時間的延長，淺部(600米以上)可采儲量越來越少，深部開采的生產(chǎn) 成本和安全成本越來越高。如何有效解決因采煤塌陷造成的環(huán)境影響和有效利用因“三 下”壓煤目前尚無法開采的淺部資源，是當前煤炭行業(yè)面臨的重要課題。防止開采引起的地面沉降、塌陷，保護地面建筑物及附著物，已知的開采方法 有三種其一是房柱式開采，它是將被開采煤體開采成比較規(guī)則的房柱狀，通過留設的 礦房間柱、區(qū)段隔離煤柱等支撐上覆巖層重量，而達到控制頂板巖層破壞與垮落，減小 采動對地面建(構)筑物影響的目的。房柱式開采的煤炭資源回收率低于40%，而且支 護手段欠缺，易發(fā)生冒頂事故，我國目前應用的極少。其二是充填開采，它是用矸石、 黃土、河沙等材料充填采空區(qū)，阻止頂板巖層冒落破壞的發(fā)展與擴大，最終達到減緩地 表沉陷，保護地面建(構)筑物的目的。如專利公開號為CN1936271A的“煤礦矸石 充填無煤柱開采工作面采空區(qū)的方法”，公開了一種將煤礦矸石通過運輸機和皮帶等機 械充填到采空區(qū)的辦法。這類方法受材料、設備、工藝的局限，充填物無法密實的充滿 采空區(qū)，而且該方法在采空區(qū)作業(yè)的設備和人員都無法在安全有效的支護條件下作業(yè)， 所以在防止地表沉陷上仍有較大局限。其三是條帶開采并附以矸石充填的方式，它是將 被開采的煤層劃分成規(guī)則的條帶狀，采一條，留一條，通過減小開采塊段內(nèi)煤層絕對開 采面積，而達到減小地表移動和變形，保護地面建(構)筑物的目的。如專利公開號為 CN1483921A的“洞穴填充采煤方法”、專利公開號為CN1952349A的“利用矸石置換村 莊下壓煤的開采方法”、專利公開號為CN1963149A的“建筑物下矸石置換條帶煤柱的 開采方法”等，公布的方法就屬于此類。這類方法的煤炭回收率低，小于50%，雖然附 以矸石回填的辦法，對減緩地面沉降有一定的效果，但是從資源回收率極低和開采成本 增加很多、安全性差等方面考慮就有些得不償失了。還有如專利公開號為CN1410655A 的“建筑物或構筑物下壓煤大條帶協(xié)調(diào)式全部開采方法”中，公布的是一種先進行跳 采，再將跳采所留的煤層區(qū)段同時進行快速強采的方法，它也是條帶開采的一種，雖然 這種方法的回采率有了很大提高，但是地表沉陷的不均勻性仍然較大，而且關鍵的后期 強采階段在不同地區(qū)和煤層條件下的地表移動變形是很難得到保證的，因此，能否達到 預期的沉降效果的影響因素較大，存在較大風險。綜上所述，目前國內(nèi)、外尚沒有一種煤層開采后有效控制上覆巖層移動變形， 防止地表沉降、避免影響環(huán)境的頂板控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)以上現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能夠利用上 覆巖層巖性、通過高水膨脹材料條帶式部分充填的方法有效控制煤層開采后上覆巖層的移 動變形、解決“三下”壓煤的開采回收率低及安全程度低等問題的控制上覆巖層移動變形 的高水膨脹材料條帶式充填方法，尤其適用于厚度在3米以下煤層的采煤工作面。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種控制上覆巖層移動變形的高 水膨脹材料條帶式充填方法，其特征在于該方法按下述步驟進行(1)分析煤層頂板巖性特征，找出開采后對地表沉降變形起主要作用的巖層—— 關鍵層，通過理論計算和實際觀測，確定關鍵層的極限跨度L和安全跨度M，根據(jù)充填 材料的支撐強度，計算確定充填條帶寬度N;(2)布置充填條帶垂直或平行于采煤工作面間隔布置充填條帶，使Μ+N^L ；所述充填條帶的充填材料選用高水膨脹材料，該高水膨脹材料是由粉煤灰、膨 脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，固液比為1 1.2 1.5，膨脹率為10 30%， 各原料按以下配比組成粉煤灰300 400kg/m3膨脹劑0.2 lkg/m3延緩劑0.6 0.8kg/m3固化劑30 100kg/m3水 800 1000kg/m3其中，所述的膨脹劑是鋁粉，延緩劑是石膏粉，固化劑是石灰或水泥。通過高水膨脹充填材料，可以滿足及時充填、充分接頂、快速凝固的要求，充 填條帶和關鍵層會對上覆巖層進行有效的支撐，就像橋墩和橋梁一樣，從而達到控制地 表變形、保護地面建筑物和附著物的目的。選用高水膨脹材料進行充填的工藝步驟如下a、制作充填擋墻，包括側(cè)面擋墻和底面擋墻，側(cè)面擋墻和底面擋墻圍成充填 區(qū)；b、通過管道將高水膨脹材料輸送到充填擋墻圍成的充填區(qū)中，待充填區(qū)充滿后 停止充填工作，并將充填區(qū)的上方開口密封。所述的垂直于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置垂直于采煤工作面的充填條帶，即充填 條帶橫向設置，兩相鄰充填條帶之間的間距SL，充填工作的周期視煤層直接頂完整情況 而定，可以隨采煤工作面每循環(huán)一充，也可以在一個周期來壓步距內(nèi)一充，按上述步驟 進行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。對于上述條帶充填方法，只要待充區(qū)內(nèi)直接頂不冒落，不影響充填的接頂充 實，就可以適當增加一次充填的長度這樣，可以通過減少充填次數(shù)達到提高充填效率的 效果。所述的平行于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置平行于采煤工作面的充填條帶，即充填 條帶縱向設置，充填工作隨采煤工作面的推進進行，具體操作如下
a、自開切眼始，采煤工作面的推進距離SM時，開始建立充填條帶；b、當充填寬度達到N時，停止充填，采煤工作面繼續(xù)推進；C、當采煤工作面從上一充填條帶起推進至SM距離時，再建立充填條帶；按上述步驟進行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。本發(fā)明適用于厚度在3米以下煤層的采煤工作面，依據(jù)巖層控制的關鍵層理 論，利用高水膨脹材料對其采空區(qū)進行條帶式的部分充填方法。本條帶充填方法可實現(xiàn) 任何條件下的煤炭資源的高回收率開采，并能夠大幅度地提高采煤工作面的安全程度， 不影響正常的回采工藝，操作方便，在實現(xiàn)無煤柱回采的同時，能將煤層上覆巖層移動 變形和地表的沉降變形控制在建筑物允許變形的極小范圍內(nèi)，實現(xiàn)地表平緩均勻下沉量 極小，達到保護地表建筑和附著物、不造成地表環(huán)境破壞、實現(xiàn)綠色開采目的，而且通 過利用關鍵層以及強度充足、主動接頂?shù)某涮顥l帶形成的梁式結構支撐關鍵層以上的巖 層，達到控制上覆巖層移動變形的目的。本發(fā)明所具有的有益效果是提供一種控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料 條帶式充填方法，適用于厚度在3米以下煤層的采煤工作面，依據(jù)巖層控制的關鍵層理 論，可針對煤層上覆巖層的巖性采取不同的充填比例，使上覆巖層的移動變形完全控制 在允許范圍內(nèi)，而且通過控制關鍵層，能夠確定最經(jīng)濟的充填率，實現(xiàn)效益最大化；在 實現(xiàn)無煤柱回采的同時，能將煤層上覆巖層移動變形和地表的沉降變形控制在建筑物允 許變形的極小范圍內(nèi)，實現(xiàn)地表平緩均勻下沉量極小，達到保護地表建筑和附著物、不 造成地表環(huán)境破壞、實現(xiàn)綠色開采目的；利用高水膨脹材料對采空區(qū)進行條帶式的部分 充填方法，可實現(xiàn)任何條件下的煤炭資源的高回收率開采，并能夠大幅度地提高采煤工 作面的安全程度；充填過程中不影響正常的采掘工程布置，對生產(chǎn)影響小，生產(chǎn)效率 尚ο


圖1是平行于采煤工作面布置充填條帶的結構示意圖；圖2是垂直于采煤工作面布置充填條帶的結構示意圖。圖中1、采空區(qū)；2、充填區(qū)；3、采煤工作面
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步描述控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，該方法按下述步驟進 行(1)分析煤層頂板巖性特征，找出開采后對地表沉降變形起主要作用的巖層—— 關鍵層，通過理論計算和實際觀測，確定關鍵層的極限跨度L和安全跨度M，根據(jù)充填 材料的支撐強度，計算確定充填條帶寬度N，利用充填條帶和關鍵層形成的梁式結構支 撐關鍵層以上的巖層，達到控制上覆巖層移動變形的目的；(2)布置充填條帶垂直或平行于采煤工作面間隔布置充填條帶，使Μ+N^L ；所述充填條帶的充填材料選用高水膨脹材料，該高水膨脹材料是由粉煤灰、膨 脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料漿，膨脹劑選用鋁粉，延緩劑選用石膏粉，固化劑
5選用石灰，各原料按以下配比組成粉煤灰300 400kg，鋁粉0.2 lkg，石膏粉0.6 0.8kg,水泥30 100kg，水800 1000kg，固液比為1 1.2 1.5，膨脹率為10
30%。通過高水膨脹充填材料，可以滿足及時充填、充分接頂、快速凝固的要求，充填 條帶和關鍵層會對上覆巖層進行有效的支撐，就像橋墩和橋梁一樣，從而達到控制地表 變形、保護地面建筑物和附著物的目的。選用高水膨脹材料進行充填的工藝步驟如下a、制作充填擋墻，包括側(cè)面擋墻和底面擋墻，側(cè)面擋墻和底面擋墻圍成充填 區(qū)；b、通過管道將高水膨脹材料輸送到充填擋墻圍成的充填區(qū)中，待充填區(qū)充滿后 停止充填工作，并將充填區(qū)的上方開口密封。所述的垂直于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置垂直于采煤工作面的充填條帶，即充填 條帶橫向設置，兩相鄰充填條帶之間的間距SL，充填工作的周期視煤層直接頂完整情況 而定，可以隨采煤工作面每循環(huán)充填一次，也可以在一個周期來壓步距內(nèi)充填一次，按 上述步驟進行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。對于上述條帶充填方法，只要待充區(qū)內(nèi)直接頂不冒落，不影響充填的接頂充 實，就可以適當增加一次充填的長度這樣，可以通過減少充填次數(shù)達到提高充填效率的 效果。所述的平行于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置平行于采煤工作面的充填條帶，即充填 條帶縱向設置，充填工作隨采煤工作面的推進進行，具體操作如下a、自開切眼始，采煤工作面的推進距離SM時，開始建立充填條帶；b、當充填寬度達到N時，停止充填，采煤工作面繼續(xù)推進；C、當采煤工作面從上一充填條帶起推進至SM距離時，再建立充填條帶；按上述步驟進行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。本發(fā)明適用于厚度在3 米以下煤層的采煤工作面，依據(jù)巖層控制的關鍵層理論，利用高水膨脹材料對其采空區(qū) 進行條帶式的部分充填方法。本條帶充填方法可實現(xiàn)任何條件下的煤炭資源的高回收 率開采，并能夠大幅度地提高采煤工作面的安全程度，不影響正常的回采工藝，操作方 便，在實現(xiàn)無煤柱回采的同時，能將煤層上覆巖層移動變形和地表的沉降變形控制在建 筑物允許變形的極小范圍內(nèi)，實現(xiàn)地表平緩均勻下沉量極小，達到保護地表建筑和附著 物、不造成地表環(huán)境破壞、實現(xiàn)綠色開采目的，而且通過利用關鍵層以及強度充足、主 動接頂?shù)某涮顥l帶形成的梁式結構支撐關鍵層以上的巖層，達到控制上覆巖層移動變形 的目的。具體結合六層煤和九層煤的條帶充填方法對本發(fā)明作具體說明1、六層煤垂直于采煤工作面布置充填條帶①六層煤頂板巖性分析及充填尺寸確定六層煤分為上下兩層。上層煤厚0.2 0.3米，下層煤厚0.6 0.8米，全厚1 米左右；中間夾石為1米厚的粉砂或粉泥互層。為便于試驗，一次采全高2米，直接頂 板為5米厚的粉砂巖，其上是一條0.4米厚的煤線，再上為5米厚的粉砂巖。經(jīng)分析，此類頂板初次來壓步距大于20米，在20 30米之間。為安全起見，確定極限跨度為25 米，安全跨度為20米，采煤工作面采用傾斜長壁仰采布置，面長90米，間隔15米布置 一個充填條帶，充填條帶寬15米，充填率50%;②采煤充填步驟從采煤工作面開切眼始，每隔15米建一個充填擋墻，間隔充填。隨采煤工作面 的推進，三八制時，兩班采煤，一班充填；四六制時，三班采煤，一班充填，直至采煤 工作面停采線，如圖2所示。由于此種方式開采后充填及時，不造成采空區(qū)頂板下沉，經(jīng)地面觀測，觀測不 到下沉量，因此這種高水膨脹材料條帶式部分充填方法能夠很好的控制上覆巖層的移動 變形。2、九層煤平行于采煤工作面布置充填條帶①九層煤頂板巖性分析及充填尺寸確定九層煤直接頂大部分為3.0米厚的火成巖，部分塊段為泥巖，其上為1米左右的 石灰?guī)r，再上為4.3米厚的粉砂巖和4.0米厚的細砂巖和粉砂巖細砂巖互層。根據(jù)開采經(jīng) 驗，此種類型頂板初次來壓步距大于15米，在15米 25米之間。為安全起見，確定極 限跨度為20米，安全跨度為15米，充填帶寬度10米，兩相鄰充填條帶間隔10米，充填 率 50% ；②采煤充填步驟采煤工作面自開切眼推進，采空區(qū)達到10米時在密集支柱處建充填擋墻I，工 作面再推進2米時，在密集支柱處建充填擋墻II，這樣擋墻I和II之間形成密閉空間，自 回風順槽擋墻II預留充填口處進行充填，完成第一次充填。間隔2米建擋墻III，進行第 二次充填，如此循環(huán)充填五次，充填條帶10米寬，間隔10米后再用同樣方法充填第二條 帶，如此循環(huán)直至第一個采煤工作面結束，再進行相鄰工作面開采，如圖1所示。經(jīng)過觀測，在采高1.2 1.5米，采深230 270米，充填間隔10米，充填條帶 寬10米，充填率50%，回采率100%的情況下，開采后的地面沉降在0 50mm，控制 上覆巖層移動變形的效果也很明顯。
權利要求
1.一種控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，其特征在于該方 法按下述步驟進行(1)分析煤層頂板巖性特征，找出開采后對地表沉降變形起主要作用的巖層一關鍵 層，通過理論計算和實際觀測，確定關鍵層的極限跨度L和安全跨度M，根據(jù)充填材料 的支撐強度，計算確定充填條帶寬度N;(2)布置充填條帶垂直或平行于采煤工作面間隔布置充填條帶，使M+NSL;上述充填條帶的充填材料選用高水膨脹材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，其 特征在于選用高水膨脹材料進行充填的工藝步驟如下a、制作充填擋墻，包括側(cè)面擋墻和底面擋墻，側(cè)面擋墻和底面擋墻圍成充填區(qū)；b、通過管道將高水膨脹材料輸送到充填擋墻圍成的充填區(qū)中，待充填區(qū)充滿后停止 充填工作，并將充填區(qū)的上方開口密封。
3.根據(jù)權利要求1所述的控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，其 特征在于所述的垂直于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置垂直于采煤工作面的充填條帶，即充填條帶 橫向設置，兩相鄰充填條帶之間的間距SL，充填工作的周期視煤層直接頂完整情況而 定，可以隨采煤工作面每循環(huán)一充，也可以在一個周期來壓步距內(nèi)一充，按上述步驟進 行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。
4.根據(jù)權利要求1所述的控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，其 特征在于所述的平行于采煤工作面布置充填條帶的方法從開切眼開始，在采空區(qū)等間距的布置平行于采煤工作面的充填條帶，即充填條帶 縱向設置，充填工作隨采煤工作面的推進進行，具體操作如下a、自開切眼始，采煤工作面的推進距離SM時，開始建立充填條帶；b、當充填寬度達到N時，停止充填，采煤工作面繼續(xù)推進；C、當采煤工作面從上一充填條帶起推進至SM距離時，再建立充填條帶；按上述步驟進行循環(huán)操作，直到到達停采線停止作業(yè)。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法， 其特征在于所述的高水膨脹材料是由粉煤灰、膨脹劑、延緩劑、固化劑和水組成的料 漿，固液比為1 1.2 1.5，膨脹率為10 30%，各原料按以下配比組成粉煤灰300 400kg/m3膨脹劑0.2 lkg/m3延緩劑0.6 0.8kg/m3固化劑30 100kg/m3水 800 1000kg/m3
6.根據(jù)權利要求5所述的控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，其 特征在于所述膨脹劑是鋁粉，延緩劑是石膏粉，固化劑是石灰或水泥。
全文摘要
本發(fā)明屬于煤炭開采充填領域，特別涉及一種控制上覆巖層移動變形的高水膨脹材料條帶式充填方法，適用于厚度在3米以下煤層的采煤工作面，依據(jù)巖層控制的關鍵層理論確定關鍵層的極限跨度L和安全跨度M，然后根據(jù)充填材料的支撐強度，計算確定充填條帶寬度N，并用高水膨脹材料對充填條帶進行充填。通過控制關鍵層，能夠確定最經(jīng)濟的充填率，實現(xiàn)效益最大化；在實現(xiàn)無煤柱回采的同時，使上覆巖層的移動變形完全控制在允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)地表平緩均勻下沉量極??；利用高水膨脹材料可實現(xiàn)任何條件下的煤炭資源的高回收率開采，并能夠大幅度地提高采煤工作面的安全程度；充填過程中不影響正常的采掘工程布置，對生產(chǎn)影響小，生產(chǎn)效率高。
文檔編號C04B28/00GK102011611SQ20101056559
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者劉樹江, 李志佩, 王向宏, 王德良, 王葦, 王龍珍, 石建新, 路連營, 韓吉玉 申請人:淄博市王莊煤礦