一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法与流程

1.本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法。


背景技术：

2.受岩溶地下水与地应力影响，在煤炭开采过程中，往往存在数量多、形状尺寸各异、比较发育的陷落柱，煤系地层中的煤层及其周围的岩石常遭到严重的破坏，给煤矿生产造成了很大的困难。一方面，工作面绕过陷落柱，将造成煤炭源可采储量大幅度降低与浪费，同时工作面搬家倒面工程量大、成本高，影响采掘接替和矿井生产；另一方面，工作面直接过陷落柱存在漏顶(底)、突水等安全隐患，且陷落柱发育地区，采煤机与支架无法使用和通过。矿山充填采煤技术具有岩层移动控制效果好，固废处置量大等优势，近年来得到了政府、企业的大力宣传与推广，符合矿山绿色安全高效与“青山绿水就是金山银山”的发展理念。
3.现有技术cn110529151a、cn111075482a主要以陷落柱注浆防治水为目的，陷落柱注浆加固后，采煤工作面通过陷落柱。但上述现有技术并没有考虑矿山固废处置和陷落柱加固后，其内部岩石力学强度大，工作面采煤机截割困难的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法，采用矸石基胶结充填材料、浆体材料或高水材料，对陷落柱进行分区分阶段充填，实现矿山固废处置与工作面安全高效过陷落柱的目的，对矿山企业提高煤炭可采量、环境保护、安全生产等具有重要意义。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法，包括以下步骤：
7.步骤1)通过钻探或物探确定陷落柱的数量、空间尺寸、位置、边界及富水性；
8.步骤2)从工作面的轨道巷、运输巷与陷落柱临近的位置，分别施工下向、水平和/或上向充填钻孔，并套管护孔；
9.步骤3)制备下向、水平和上向充填材料，分别通过下向、水平和/或上向充填钻孔对陷落柱煤层下部区域、煤层水平区域和/或煤层上部区域进行分区分阶段泵送充填；
10.步骤4)待陷落柱内充填材料凝固后，通过钻探岩石取样，测试陷落柱内围岩力学特性，确保陷落柱空间围岩稳定性；
11.步骤5)重复步骤1)至步骤4)，直至完成工作面所有陷落柱的充填作业；
12.步骤6)调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺，确保工作面安全后通过陷落柱。
13.优选地，步骤3)所述下向、上向充填材料均为矸石基胶结充填材料；所述水平充填材料为浆体材料或高水材料。
14.优选地，所述矸石基胶结充填材料由以下原料按质量分数组成：矸石60％、粉煤灰25％、po42.5水泥12％、速凝剂3％，所述矸石的粒径小于10mm。
15.优选地，步骤3)所述下向、水平和上向充填钻孔的尺寸均为50～70mm。
16.优选地，步骤3)所述分区分阶段泵送充填的过程如下：根据工作面煤层与陷落柱空间位置，分别进行下向、水平和/或上向钻孔充填，且每个钻孔终孔位于陷落柱中部区域，分时多次充填。
17.优选地，步骤6)所述调整采煤机与液压支架截割、支护性能参数或支护工艺的过程如下：根据陷落柱充填效果调整采煤机的截齿硬度、截深，调整支架支护强度，采煤工作面过陷落柱区域时，适当增加安全保障措施，确保采煤工作面安全通过。
18.优选地，所述安全保障措施包括工作面铺网、锚杆支护。
19.优选地，所述采煤机的截深为400～600mm。
20.本发明的有益效果如下：
21.与现有技术相比，本发明的矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法，可解决工作面跳过陷落柱造成的煤炭损失量、搬家工程量大的问题，提高陷落柱岩层隔水能力，确保工作面过陷落柱时不发生突水事故，同时处理矿山固废产物。实现了矸石等固废大量处置(绿色)，实现了工作面过陷落柱时岩层的高效开采(高效)，避免了漏顶(底)、突水等潜在灾害(安全)，煤炭采出率高、成本低、工程量小，对矿山企业提高煤炭可采量、环境保护、安全生产等具有重要意义，具备广阔的应用前景。
附图说明
22.图1为矿山固废处置与工作面过陷落柱的平面示意图；
23.图2为陷落柱1(b)的分区充填断面示意图(图1中m-m的截面)；
24.图3为完成充填作业的工作面过陷落柱1(b)的断面示意图；
25.图中：1、陷落柱：a、b、c；2、采空区；3、采煤工作面；4、煤层；5、上向充填钻孔：5#；6、下向充填钻孔：6#；7、水平充填钻孔：1#、2#、3#、4#、7#；8、轨道巷；9、运输巷；10、液压支架；11、采煤机；12、浆体材料或高水材料；13、矸石基胶结充填材料；14、锚杆；15、铺网；h1、上部区域；h2、中部区域；h3、下部区域。
具体实施方式
26.下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步详细说明。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.实施例1
29.某矿现阶段主采煤层开采深度达到-500m，煤层平均厚度3.2m，近水平煤层，煤层顶板为泥质复合顶板，煤层底板为砂质泥岩，矿井核定产能为300万吨/年，工作面采用综采一次采全高方法，工作面回采区域陷落柱较多，矸石年产量达到100万吨/年，严重影响了矿井绿色高效安全生产。根据矿井采矿地质条件，结合矿区矸石固废处置与工作面过陷落柱
难题，采用本实施例的方法，实现矿山矸石固废处置与工作面安全高效过陷落柱。
30.一种矿山固废处置与工作面过陷落柱协同方法，具体步骤如下：
31.(1)如图1所示，采空区2的采煤工作面3回采期间，通过钻探或物探确定了采煤工作面3前方存在三个陷落柱1(a、b、c)，并掌握了其空间尺寸、位置、边界及富水性等特征。
32.(2)如图1、图2所示，分别确定采用从采煤工作面3的运输巷9分别施工水平充填钻孔7(1#、7#)，并套管护孔；从轨道巷8分别施工上向充填钻孔5(5#)、下向充填钻孔6(6#)、水平充填钻孔7(2#、3#、4#)，充填钻孔有效直径设计为70mm，并套管护孔，其煤层4层位的平面图布置如图1所示。
33.如图2所示，以陷落柱1(b)为例，根据其探测特征，在垂直方向将其分为上部区域h1、中部区域h2、下部区域h3三段，充填钻孔终孔位于陷落柱1(b)每段区域中部，以确保陷落柱1(b)内空间密实充填。
34.下向、水平和上向充填钻孔的有效直径一般为50～70mm，且根据陷落柱尺寸，可进一步增加充填钻孔数量，优化充填钻孔布置方式。根据工作面煤层与陷落柱空间位置，分别进行下向、水平和上向钻孔充填，且每个钻孔分时多次充填，确保陷落柱内空间密实与围岩稳定。
35.(3)以矸石、风积沙、粉煤灰、水泥、水等为原料制备矸石基胶结充填材料13，具体如下：矸石60wt％、粉煤灰25wt％、po42.5水泥12wt％、速凝剂3wt％，矸石粒径破碎至小于10mm。
36.按照以下工序充填：如图2所示，以陷落柱1(b)为例，采用矸石基胶结充填材料13，通过下向充填钻孔6对陷落柱1(b)下部区域h3进行分阶段泵送充填；采用矿山常用浆体材料或高水材料12，通过水平充填钻孔7对陷落柱1(b)中部区域h2进行分阶段泵送充填；采用矸石基胶结充填材料13，通过上向充填钻孔5对陷落柱1(b)上部区域h1进行分阶段泵送充填。
37.下向、上向钻孔充填材料一般为矸石基胶结充填材料，矸石粒径一般小于10mm；水平钻孔充填材料一般为浆体材料或高水材料，其凝结后力学特性与煤层基本相似，以便于工作面采煤机截割与工作面安全稳定。充填材料安全环保，不会造成地下水污染，工作面过陷落柱时采煤机截割的岩层，进一步制备成充填材料，实现矸石就地处理。
38.(4)待陷落柱1内充填材料(浆体材料或高水材料12、矸石基胶结充填材料13)凝固后，通过钻探岩石取样，测试陷落柱内围岩抗压、抗拉、抗剪等力学特性，确保陷落柱1空间围岩稳定性。
39.(5)重复(1)至(4)，直至完成采煤工作面3所有陷落柱1(a、b、c)的充填作业。
40.(6)如图3所示，根据陷落柱1充填效果，调整采煤机11的截齿硬度系数、截深400～600mm，调整液压支架10的支护强度；当采煤工作面3过陷落柱1区域时，适当增加顶板铺网15、打锚杆14等安全保障措施，确保采煤工作面3安全通过。
41.以该矿10个采煤工作面进行估算，该方法实施后，矿井本煤层区域陷落柱矸石处理能力达100万吨以上，解放煤炭资源2500万吨以上，同时避免了工作面搬家倒面工程量大、成本高，影响采掘接替和矿井生产的情况，经济效益显著。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明
的保护范围。