一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法与流程

1.本发明涉及煤矿绿色开采技术领域，尤其涉及一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法。


背景技术：

2.随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，煤层赋存和开采条件日益复杂，回采巷道的动压显现日益剧烈，为了减弱工作面采动对侧向邻近巷道的影响，部分煤矿采用了留设20m
‑
30m宽的大煤柱保护巷道的围岩控制方式，这种大煤柱护巷方式造成了煤炭资源的极大浪费。煤炭资源是不可再生资源，如何提高煤炭资源回收率、实现煤炭资源的安全高效开采是当前煤矿亟需解决的技术难题之一。
3.另一方面，煤矿在生产过程中产生大量矸石，尤其对于高瓦斯矿井、高突出矿井，需要在岩层中掘进大量的瓦斯抽放巷，产生了大量的矸石。当前，对于矸石的处理，一般是将其直接排放于地表形成矸石山，排放的矸石对于矿区环境与生态造成严重危害，主要有占用大面积土地、污染矿山环境，同时造成大气污染、水体污染、矸石山垮塌、自燃或爆炸和放射性污染等。当前煤矿将矸石提升至地面，不仅浪费了大量人力、物力和财力，造成了煤炭生产成本的提高，而且提升至地面的矸石对自然环境造成了大量污染和危害，亟需解决矸石的排放问题。
4.针对大煤柱护巷引起的煤炭资源浪费问题和矿井矸石排放引起的环境污染和生态危害问题，将煤柱回收和矸石充填结合起来，通过将井下矸石充填来回收部分煤柱资源,是解决当前技术难题的有效途径之一。


技术实现要素：

5.本发明为解决煤柱回收和井下矸石的处理，提供了一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法，旨在通过将井下矸石充填至回收煤柱的采空区内，实现以矸换煤，并通过充填矸石对回收煤柱上方顶板提供支撑,有效解决大煤柱护巷引起的煤炭资源浪费问题和矿井矸石排放引起的环境污染和生态危害问题，从而有效提高煤炭资源的采出率、实现矸石不升井的绿色开采，进而解决现有技术中存在的上述问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法，其中煤柱是指回采巷道一侧的区段煤柱，包括如下步骤：
8.步骤一、在煤柱回收前，基于矿山压力、通风、运输、设备及其它生产技术条件，研究确定合理的煤柱回收与矸石充填工艺及参数，主要包括：煤柱回收、煤柱回收区域顶板支护、矸石运输和回收区域矸石充填；
9.步骤二、煤柱回收：在煤柱回收时，超前回采工作面一段距离，采用相应的破煤及运输机械对回采巷道一侧的煤柱按照设计回收宽度a米进行回收，与被保护的回采巷道之间保留有隔离煤柱，完成相应循环长度b米的煤柱回收，包括破煤、装煤和运煤工序；回收煤
柱时，采用两种方式：方式一是对设计回收宽度范围内的煤柱进行连续回收；方式二是对煤柱采用间隔式回收，即回收煤柱时，每回收一定距离b米，留设一个长度为c米的支撑煤柱；
10.步骤三、煤柱回收区域顶板支护：煤柱回收过程中，及时对后方回收区域的悬空顶板进行临时支护，保证回收安全，同时为矸石充填提供条件；所述区域顶板支护参数需要依据围岩应力、围岩结构及力学参数、煤柱回收区域空间尺寸参数等综合确定；
11.步骤四、矸石运输和回收区域矸石充填：在煤柱回收一定距离b米后，对煤柱回收长度b米的区域进行矸石充填：将煤矿井下巷道或硐室掘进过程中产生的矸石，采用矸石运输机械将矸石运输至煤柱回收区域，然后分段拆除临时支护并使用矸石充填系统对煤柱回收区域的采出空间进行矸石充填，确保采出空间矸石充填密实、接帮接顶，充分利用煤矿井下产生的矸石，实现矸石不升井、以矸换煤的煤炭绿色开采；
12.步骤五、完成一个循环长度b米的煤柱回收和矸石充填后，继续下一个循环的煤柱回收和矸石充填，直至推进至采煤工作面的停采线。
13.进一步的，所述步骤二中，首先，超前回采工作面一段距离，在回采巷道一侧的煤柱帮上掘出一条宽度为a米的设备通道，并将煤柱回收设备安装至设备通道；然后，利用煤柱回收设备，实现对回收煤柱的破煤和装煤，并将煤炭卸载至转载机上，并通过转载机将煤炭转运至回采工作面的带式输送机上，再利用带式输送机将煤炭运输出去。
14.进一步的，所述煤柱回收设备采用集破煤与装煤功能为一体的巷修机，实现对煤柱的回收开采，并将破碎煤炭装载至回采工作面的带式输送机上。
15.进一步的，所述步骤三中，在煤柱回收过程中，回收区域的顶板支护有三种结构，第一种结构是采用单体液压支柱配合铰接顶梁对顶板进行临时支护，所述临时支护需要紧跟煤柱回收工作面迎头；第二种结构是采用锚杆、锚索和金属网进行支护；第三种结构是针对间隔式回收煤柱，采用所述支撑煤柱与回收区域临时支护支撑顶板，通过所述支撑煤柱不仅可以增强对顶板的支撑，还可以降低回收区域临时支护强度、简化回收区域临时支护工艺。
16.进一步的，所述步骤三中，当煤柱回收过程中煤柱稳定性较差时，对煤柱采用间隔式回收，通过所述支撑煤柱改善对顶板的支撑和维护条件。
17.再进一步的，所述步骤四中，包括两种矸石运输和充填系统，一种是采用连续的矸石运输和充填系统，将巷道掘进工作面产出的矸石采用带式输送机将矸石运输至煤柱回收区域，然后通过转载机或矸石充填机将矸石卸载至煤柱回收区域，并利用矸石充填机将矸石推密压实并接顶；另一种是采用间歇式矸石运输和充填系统，即在矸石运输的中间环节设置临时储矸仓，并采用矿车进行非连续矸石运输，将矸石运输至煤柱回收区域，然后采用矸石充填机将矸石充填至煤柱回收区域并推密压实和接顶。
18.进一步的，所述连续的矸石运输和充填系统，在采煤工作面留设煤柱侧的回采巷道内布置上、下两部带式输送机，上部带式输送机用于运矸，将矸石运送至煤柱回收区域，下部带式输送机用于运煤，将采煤工作面和煤柱回收的煤炭运送出去，两部带式输送机的运输互不干扰，能够协同工作。
19.进一步的，在进行矸石充填之前，分段拆除临时支护，并实施分段充填，矸石充填机填满一段巷道后，要向后移动，移动时，先将运输矸石的带式输送机尾部缩短一定距离，然后再向后移动矸石充填机，依次循环，顺次完成各个分段的矸石充填。
20.再进一步的，所述临时储矸仓建造在掘进工作面所在巷道的一侧，所述临时储矸仓的长度和宽度根据设计的临时储矸量确定，并以不影响正常生产和安全通行为前提，巷道掘进工作面出矸石，可以临时堆积到临时储矸仓中。
21.进一步的，所述煤柱回收工序选择在采煤工作面的生产班进行，以实现煤炭的共同运输，所述矸石运输和回收区域矸石充填工序选择在采煤工作面的检修班进行，以避免与采煤工作面的采煤工作相互干扰。
22.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
23.本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法,通过将岩巷掘进工作面产出的矸石充填至回收煤柱后的采空区，既实现了以矸换煤，有效解决大煤柱护巷引起的煤炭资源浪费问题，显著提高了煤炭资源回收率；通过矸石充填对回收煤柱上方顶板提供有效支撑,保证了煤柱回收区域顶板的稳定性，减弱了工作面采动对邻近巷道的影响，解决了小煤柱护巷引起的强烈动压显现问题；通过将掘进运出的矸石充填至煤柱回收区域，实现了矸石不升井，不仅降低了矸石运输、提升成本以及地面矸石处理费用，而且有效解决了矿井矸石排放引起的环境污染和生态危害问题，实现了煤炭资源绿色开采的可持续发展。
24.本发明通过提供一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法，解决了大煤柱护巷资源浪费问题、小煤柱护巷强烈动压显现问题以及废弃矸石的环境污染问题。
附图说明
25.下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
26.图1为本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法连续式回收时的结构示意图；
27.图2为本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法间隔式回收时的结构示意图；
28.图3为本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法的煤柱回收与矸石充填生产系统图；
29.图4为本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法的煤柱回收区域采用第一种结构时的顶板支护剖面结构示意图；
30.图5为本发明的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法的煤柱回收区域采用第一种结构时的顶板支护俯视结构示意图。
31.附图标记说明：1
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煤柱，2
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回采工作面，3
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回采巷道，4
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被保护的回采巷道，5
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隔离煤柱，6
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矸石，7
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支撑煤柱，8
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煤柱回收区域，9
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停采线，10
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煤柱回收设备，11
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转载机，12
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运输煤炭的带式输送机，13
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单体液压支柱，14
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铰接顶梁，15
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运输矸石的带式输送机，16
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矸石充填机。
具体实施方式
32.如图1至图5所示，本发明的一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法，其中煤柱1是指回采巷道3一侧的区段煤柱，包括如下步骤：
33.步骤一、在煤柱1回收前，要综合考虑矿山压力、通风、运输、设备尺寸及生产安全间隙的需要，研究确定合理的煤柱回收与矸石充填工艺及参数，主要包括：煤柱1回收宽度
为a米、煤柱回收工艺及参数、煤柱回收区域8顶板支护参数、矸石6运输和回收区域矸石充填参数；
34.步骤二、煤柱1回收：在煤柱1回收时，超前回采工作面2一段距离，采用相应的破煤及运输机械对回采巷道3一侧的煤柱1按照设计回收宽度a米进行回收，与被保护的回采巷道4之间保留有宽度为d米的隔离煤柱5，完成相应循环长度b米的煤柱1回收，包括破煤、装煤和运煤工序；回收煤柱1时，采用两种方式：方式一是对设计回收宽度a米范围内的煤柱1进行连续回收；方式二是对区段煤柱1采用间隔式回收，即回收煤柱1时，每回收一定距离b米，并采用矸石6对其进行充填，留设一个长度为c米的支撑煤柱7；
35.步骤三、煤柱回收区域8顶板支护：煤柱1回收过程中，及时对后方煤柱回收区域8的悬空顶板进行临时支护，保证回收安全，同时为矸石充填提供条件；区域顶板支护参数需要依据围岩应力、围岩结构及力学参数、煤柱回收区域8空间尺寸参数等综合确定；当煤柱1回收过程中煤柱1稳定性较差时，对煤柱1采用间隔式回收，通过支撑煤柱7改善对顶板的支撑和维护条件；
36.步骤四、矸石6运输和回收区域矸石充填：在煤柱1回收一定距离b米后，对煤柱1回收长度b米的区域进行矸石充填：将煤矿井下巷道或硐室掘进过程中产生的矸石6，采用矸石运输机械将矸石6运输至煤柱回收区域8，然后分段拆除临时支护并使用矸石充填系统对煤柱回收区域8的采出空间进行矸石充填，确保采出空间矸石充填密实、接帮接顶，充分利用煤矿井下产生的矸石6，实现矸石6不升井、以矸换煤的煤炭绿色开采；
37.步骤五、完成一个循环长度b米的煤柱回收和矸石充填后，继续下一个循环的煤柱回收和矸石充填，直至推进至采煤工作面的停采线9。
38.本实施例的煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法通过将岩巷掘进工作面产出的矸石充填至回收煤柱后的采空区，既实现了以矸换煤，有效解决大煤柱护巷引起的煤炭资源浪费问题，显著提高了煤炭资源回收率；通过矸石充填对回收煤柱上方顶板提供有效支撑,保证了煤柱回收区域顶板的稳定性，减弱了工作面采动对邻近巷道的影响，解决了小煤柱护巷引起的强烈动压显现问题；通过将掘进运出的矸石充填至煤柱回收区域，实现了矸石不升井，不仅降低了矸石运输、提升成本以及地面矸石处理费用，而且有效解决了矿井矸石排放引起的环境污染和生态危害问题，实现了煤炭资源绿色开采的可持续发展。
39.具体的，步骤二中，首先，超前回采工作面2一段距离，在回采巷道3一侧的煤柱1帮上掘出一条宽度为a米的设备通道，并将煤柱回收设备10安装至设备通道；然后，利用煤柱回收设备10，包括悬臂式掘进机或连采机，实现对回收煤柱1的破煤和装煤，并将煤炭卸载至转载机11上，并通过转载机11将煤炭转运至回采工作面2的运输煤炭的带式输送机12上，再利用运输煤炭的带式输送机12将煤炭运输出去。其中，当煤柱回收宽度较小时，采用风镐破煤，并采用小型装煤机将回收煤炭转运至回采工作面的运输煤炭的带式输送机12上。
40.并且，煤柱回收设备10可以采用集破煤与装煤功能为一体的巷修机，实现对煤柱1的回收开采，并将破碎煤炭装载至回采工作面2的运输煤炭的带式输送机12上。煤柱1回收工序选择在采煤工作面的生产班进行，以实现煤炭的共同运输，
41.具体的，步骤三中，在煤柱1回收过程中，回收区域的顶板支护有三种结构，第一种结构是采用单体液压支柱13配合铰接顶梁14对顶板进行临时支护，临时支护需要紧跟煤柱1回收工作面迎头；第二种结构是采用锚杆、锚索和金属网进行支护；第三种结构是针对间
隔式回收煤柱1，采用支撑煤柱7与回收区域临时支护支撑顶板，通过支撑煤柱7不仅可以增强对顶板的支撑，还可以降低回收区域临时支护强度、简化回收区域临时支护工艺。
42.具体的，步骤四中，包括两种矸石运输和充填系统，一种是采用连续的矸石运输和充填系统，将巷道掘进工作面产出的矸石6采用2
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3部运输矸石的带式输送机15将矸石6运输至煤柱回收区域8，然后通过转载机11或矸石充填机16将矸石6卸载至煤柱回收区域8，并利用矸石充填机16将矸石6推密压实并接顶；另一种是采用间歇式矸石运输和充填系统，即在矸石6运输的中间环节设置临时储矸仓，并采用矿车进行非连续矸石6运输，将矸石6运输至煤柱回收区域8，然后采用矸石充填机16将矸石充填至煤柱回收区域8并推密压实和接顶。
43.其中，连续的矸石运输和充填系统，在采煤工作面留设煤柱侧的回采巷道3内布置上、下两部带式输送机，上部的运输矸石的带式输送机15用于运矸，将矸石6运送至煤柱回收区域8，下部的运输煤炭的带式输送机12用于运煤，将采煤工作面和煤柱1回收的煤炭运送出去，两部带式输送机的运输互不干扰，能够协同工作。矸石运输和回收区域矸石充填工序选择在采煤工作面的检修班进行，以避免与采煤工作面的采煤工作相互干扰。
44.具体的，在进行矸石充填之前，分段拆除临时支护，并实施分段充填，矸石充填机16填满一段巷道后，要向后移动，移动时，先将运输矸石的带式输送机15尾部缩短一定距离，然后再向后移动矸石充填机16，依次循环，顺次完成各个分段的矸石充填。
45.具体的，临时储矸仓建造在掘进工作面所在巷道的一侧，临时储矸仓的长度和宽度根据设计的临时储矸量确定，并以不影响正常生产和安全通行为前提，巷道掘进工作面出矸石6，可以临时堆积到临时储矸仓中。
46.本发明的一种煤柱回收与矸石充填一体化绿色开采方法，将煤柱回收与矸石充填有机结合起来，实现了以矸换煤，既提高了煤炭资源的采出率，又通过矸石充填保护了邻近巷道，实现了矸石不升井，解决了大煤柱护巷资源浪费问题、小煤柱护巷强烈动压显现问题以及废弃矸石的环境污染问题。
47.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。