本發(fā)明屬于煤礦綠色充填開采，具體的說，涉及一種隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法。

背景技術(shù)：

1、煤炭開采為保障我國(guó)能源安全、促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，但煤炭開采產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境破壞與資源浪費(fèi)問題同樣制約產(chǎn)煤區(qū)可持續(xù)發(fā)展。一是煤礦生產(chǎn)伴生占比10%~20%的煤矸石，2011年以來每年新增矸石排放量為6.5~7億噸，累計(jì)堆存量超80億噸，地面污染與占地情況嚴(yán)重；二是煤礦采用垮落法處理空區(qū)，造成地下水系結(jié)構(gòu)破壞，含水層水位降低甚至消失，地表沉陷范圍擴(kuò)大，破壞地表形態(tài)與建構(gòu)筑物安全；三是我國(guó)建筑物下、鐵路下和水體下壓煤資源量和邊角煤資源量巨大，影響煤礦接續(xù)生產(chǎn)。

2、煤矸石膠結(jié)充填開采在煤基固廢處置與利用、地表沉降控制與環(huán)境保護(hù)等方面優(yōu)勢(shì)顯著，已成為煤礦綠色開采的主要方式。但是，在大規(guī)模生產(chǎn)礦井煤矸石膠結(jié)充填面臨充填材料制備工藝復(fù)雜、料漿輸送穩(wěn)定性差、大規(guī)模充填矸石量不足、充填成本高、采充平衡實(shí)現(xiàn)難度大等問題。

3、綜采工作面架后采空區(qū)膠結(jié)充填開采是大規(guī)模充填采煤的方法，需要架設(shè)模板后充填采空區(qū)，充填體硬化達(dá)到強(qiáng)度要求后才能進(jìn)行下一步割煤、移架，采煤和充填難以實(shí)現(xiàn)平衡作業(yè)，限制工作面生產(chǎn)能力；采空區(qū)大面積充填作業(yè)量大，需要建設(shè)大規(guī)模充填站，進(jìn)行大規(guī)模造漿和管道輸送，煤礦自身煤矸石骨料方量不足，充填系統(tǒng)工作穩(wěn)定性難以保證。因此，需要一種穩(wěn)定性強(qiáng)、沉陷處理效率高可以快速構(gòu)筑間隔采空區(qū)充填體間柱的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定性強(qiáng)、沉陷處理效率高可以快速構(gòu)筑間隔采空區(qū)充填體間柱的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，轉(zhuǎn)變采空區(qū)充填思想，將大面積采空區(qū)連續(xù)充填改為架后采空區(qū)間柱快速充填，將連續(xù)放頂形成的大采空區(qū)間隔成冒落范圍小、不影響隔水層的小采空區(qū)，同時(shí)大幅度減小充填作業(yè)方量，無需增設(shè)排水管路，簡(jiǎn)化架后充填作業(yè)程序，采煤與充填平行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)煤矸石有效處置和采空區(qū)三帶發(fā)育的有效控制。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，包括如下步驟：

4、（1）在液壓支架后方組裝綜采架后快速充填裝置；

5、（2）向綜采架后快速充填裝置內(nèi)注入充填料漿，并在充填料漿形成早期強(qiáng)度后形成充填間柱；

6、（3）組裝新的綜采架后快速充填裝置，并隨著工作面的推進(jìn)進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)距離使得采空區(qū)裂隙帶不能發(fā)育到隔水層，所形成充填間柱完全置于采空區(qū)內(nèi)支撐頂板，防止工作面后方的采空區(qū)裂隙帶發(fā)育至隔水層；

7、（4）向步驟（3）中新的快速充填裝置內(nèi)注入充填料漿，并循環(huán)步驟（2）至步驟（3），如此循環(huán)最終形成沿工作面長(zhǎng)度方向上的整排充填間柱。

8、綜采架后快速充填裝置包括充填工作臺(tái)、三通注漿管和充填模具，充填工作臺(tái)設(shè)置在綜采液壓支架的后側(cè)下部，充填模具設(shè)置在充填工作臺(tái)的后側(cè)，三通注漿管的后端連通充填模具內(nèi)部，綜采液壓支架的后側(cè)上部設(shè)置有充填液壓擋板；

9、充填模具包括模具頂板、模具前側(cè)板、模具后側(cè)板、模具左擋板和模具右擋板，模具前側(cè)板和模具后側(cè)板之間設(shè)置有若干上下平行設(shè)置的模具橫撐，模具前側(cè)板和模具后側(cè)板的底部放置于煤層底板上，模具頂板上開設(shè)有排氣孔。

10、模具橫撐的前端連接模具前側(cè)板，模具橫撐的后端連接模具后側(cè)板，模具橫撐的前端與模具前側(cè)板之間和模具橫撐與模具后側(cè)板之間均設(shè)置有脹栓結(jié)構(gòu)。

11、模具前側(cè)板和模具后側(cè)板結(jié)構(gòu)相同，均包括上側(cè)板、中間側(cè)板、下側(cè)板，上側(cè)板的頂端連接模具頂蓋的前端，上側(cè)板的底端和中間側(cè)板的底端均設(shè)置有連接凸起，中間側(cè)板的頂端和下側(cè)板的頂端均設(shè)置有對(duì)應(yīng)于連接凸起的連接凹槽，上側(cè)板與中間側(cè)板的連接處和中間側(cè)板與下側(cè)板的連接處之間均設(shè)置有鎖緊扣。

12、模具左擋板與模具右擋板之間設(shè)置有前連接板組件和后連接板組件，前連接板組件和后連接板組件結(jié)構(gòu)相同，均包括左連接板、中間連接板和右連接板，左連接板、中間連接板和右連接板的左端設(shè)置有梯形凹槽，?左連接板、中間連接板和右連接板的右端設(shè)置有對(duì)應(yīng)于梯形凹槽的梯形凸起，模具左擋板的右端設(shè)置有梯形凸起，模具右擋板的左端設(shè)置有梯形凹槽。

13、步驟（1）的具體過程為：

14、①將充填工作臺(tái)安裝在液壓支架的后側(cè)；

15、②充填模具緊靠充填工作臺(tái)組裝，使充填工作臺(tái)為充填模具提供水平支撐作用；

16、③在充填模具的上部側(cè)板上安裝三通注漿管；

17、④將充填液壓擋板安裝在液壓支架的后側(cè)上部。

18、步驟（2）具體操作過程為：通過三通注漿管向模具內(nèi)注入早強(qiáng)充填料漿，注漿前在煤層底板上打錨桿進(jìn)行固定，錨桿的頂端連接模具最下層的模具橫撐，錨桿的下端緊固在煤層底板內(nèi)，防止注漿過程中充填模具上浮。

19、步驟②的具體過程為：

20、a.組裝模具前側(cè)板和模具后側(cè)板，將上側(cè)板、中間側(cè)板和下側(cè)板之間通過連接凸起和連接凹槽安裝在一起，并在連接處使用鎖緊扣鎖緊；

21、b.將模具頂蓋安裝在模具前側(cè)板和模具后側(cè)板的頂部之間，將若干模具橫撐通過脹栓結(jié)構(gòu)上下平行安裝在模具前側(cè)板和模具后側(cè)板之間；

22、c.組裝模具前連接板組件和后連接板組件，將左連接板、中間連接板和右連接板之間通過梯形凹槽和梯形凸起組裝在一起；

23、d.將模具左擋板安裝在前連接板組件和后連接板組件的左端，將模具右擋板安裝在前連接板組件和后連接板組件的右端。

24、每段充填模具的長(zhǎng)度等于一次移架的總寬度，每段充填模具的寬度等于一刀采煤步距。

25、充填模具的材質(zhì)為輕質(zhì)高強(qiáng)度塑性材料。

26、本發(fā)明在綜采工作面架后進(jìn)行充填模具組裝、注漿與采煤平行作業(yè)，充填模具采用榫接與榫接和嵌套結(jié)構(gòu)快速分段組裝，加入速凝劑形成充填體早期強(qiáng)度，充填間柱由充填模具和硬化后的充填料漿所形成的充填體組成，不需拆模，充填作業(yè)靈活安全，人工勞動(dòng)強(qiáng)度低，便于智能化操控，容易實(shí)現(xiàn)采充平衡。

27、本發(fā)明的架后充填是將充填料漿分段注入長(zhǎng)方體模具，形成充填間柱，其寬度為采煤步距，充填總量大幅度減小，既能充分利用煤礦矸石，又能避免充填骨料不足的問題。

28、本發(fā)明在充填間柱對(duì)煤層頂板的支撐作用下，將傳統(tǒng)采煤方式下采空區(qū)連續(xù)垮落變?yōu)殚g隔垮落，形成由充填間柱隔離的間斷采空區(qū)，顯著減小采空區(qū)范圍，有效控制冒落區(qū)、裂隙區(qū)的擴(kuò)展范圍，阻止隔水層下部誘導(dǎo)裂隙發(fā)育，阻斷導(dǎo)水通道，保護(hù)含水層，抑制地表沉陷。

29、綜上所述，本發(fā)明操作簡(jiǎn)單便捷，可以用于壓覆煤層和邊角煤開采，且有利于推進(jìn)無煤柱開采，促進(jìn)煤炭資源充分開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全高效綠色的可持續(xù)開采，有效地解決了現(xiàn)有方法由于煤礦自身煤矸石骨料方量不足、充填系統(tǒng)工作穩(wěn)定性難以保證導(dǎo)致開采效率低的技術(shù)問題。

技術(shù)特征：

1.隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：綜采架后快速充填裝置包括充填工作臺(tái)、三通注漿管和充填模具，充填工作臺(tái)設(shè)置在綜采液壓支架的后側(cè)下部，充填模具設(shè)置在充填工作臺(tái)的后側(cè)，三通注漿管的后端連通充填模具內(nèi)部，綜采液壓支架的后側(cè)上部設(shè)置有充填液壓擋板；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：模具橫撐的前端連接模具前側(cè)板，模具橫撐的后端連接模具后側(cè)板，模具橫撐的前端與模具前側(cè)板之間和模具橫撐與模具后側(cè)板之間均設(shè)置有脹栓結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：模具前側(cè)板和模具后側(cè)板結(jié)構(gòu)相同，均包括上側(cè)板、中間側(cè)板、下側(cè)板，上側(cè)板的頂端連接模具頂蓋的前端，上側(cè)板的底端和中間側(cè)板的底端均設(shè)置有連接凸起，中間側(cè)板的頂端和下側(cè)板的頂端均設(shè)置有對(duì)應(yīng)于連接凸起的連接凹槽，上側(cè)板與中間側(cè)板的連接處和中間側(cè)板與下側(cè)板的連接處之間均設(shè)置有鎖緊扣。

5.?根據(jù)權(quán)利要求4所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：模具左擋板與模具右擋板之間設(shè)置有前連接板組件和后連接板組件，前連接板組件和后連接板組件結(jié)構(gòu)相同，均包括左連接板、中間連接板和右連接板，左連接板、中間連接板和右連接板的左端設(shè)置有梯形凹槽，?左連接板、中間連接板和右連接板的右端設(shè)置有對(duì)應(yīng)于梯形凹槽的梯形凸起，模具左擋板的右端設(shè)置有梯形凸起，模具右擋板的左端設(shè)置有梯形凹槽。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：步驟（1）的具體過程為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：步驟（2）具體操作過程為：通過三通注漿管向模具內(nèi)注入早強(qiáng)充填料漿，注漿前在煤層底板上打錨桿進(jìn)行固定，錨桿的頂端連接模具最下層的模具橫撐，錨桿的下端緊固在煤層底板內(nèi)，防止注漿過程中充填模具上浮。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：步驟②的具體過程為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：每段充填模具的長(zhǎng)度等于一次移架的總寬度，每段充填模具的寬度等于一刀采煤步距。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，其特征在于：充填模具的材質(zhì)為輕質(zhì)高強(qiáng)度塑性材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了隨采隨充的綜采架后采空區(qū)間柱充填與保水開采方法，首先在液壓支架后方組裝綜采架后快速充填裝置；然后向綜采架后快速充填裝置內(nèi)注入充填料漿，并在充填料漿形成早期強(qiáng)度后形成充填間柱；綜采液壓支架充填工作區(qū)組裝新的快速充填裝置，隨著工作面的推進(jìn)移動(dòng)綜采架后快速充填裝置，已形成的充填間柱完全置于采空區(qū)內(nèi)支撐頂板，防止工作面后方的采空區(qū)裂隙帶發(fā)育至隔水層；如此循環(huán)最終形成沿工作面長(zhǎng)度方向上的整排充填間柱。本申請(qǐng)將連續(xù)放頂形成的大采空區(qū)間隔成冒落范圍小、不影響隔水層的小采空區(qū)，簡(jiǎn)化了架后充填作業(yè)程序，實(shí)現(xiàn)了煤矸石的有效處置和采空區(qū)三帶發(fā)育的有效控制。

技術(shù)研發(fā)人員：邵靜靜,高鋒,李曉霞,閆玉彪,魏輝,高成龍,李延峰,李志樂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山西工程技術(shù)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9