本发明涉及
采矿工程技术领域，尤其是一种用于综采放顶煤工作面的分区域放煤和充填开采方法。
背景技术：
目前，在综采放顶煤开采中，采空区的顶板采用垮落法处理，由于顶板垮落会造成地表沉陷，尤其是厚度较大的煤层开采，地表沉陷造成建筑物、地面交通实施以及地表水的破坏。同时放顶煤开采产生的大量矸石堆积后会造成环境污染。充填开采是目前解决地表沉陷问题的有效方法，尤其是矸石充填工艺既能消化矸石还能有效的减少地表沉陷。但是由于综采放顶煤开采过程中顶煤垮落，并且采空区的矿压显现等情况复杂，可实施充填的空间小，充填难度大。因此，综采放顶煤工作面的充填需要对开采方法整体进行涉及，需要提出适用于综采放顶煤工作面的充填开采方法。
技术实现要素：
为解决综采放顶煤工作面顶板控制以及放顶煤开采地表变形大的技术问题，本发明提供了一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法，具体技术方案如下。
一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法，步骤包括：
a.将综采放顶煤工作面沿工作面走向划分为充填区域和放顶煤区域，所述充填区域和放顶煤区域的长度等于工作面走向长度，充填区域和放顶煤区域宽度之和等于工作面宽度；所述充填区域和放顶煤区域相邻；
b.确定工作面循环步距；
c.在综采放顶煤工作面前方对步骤a中划分的充填区域进行支护，完成移架推溜工序，在放顶煤区域完成放煤，在充填区域架设圆木支护；
d.充填区域达到充填步距后，在液压支架后方设置充填篷布，泵送充填膏体至充填区域；
e.重复步骤c和步骤d，完成综采放顶煤工作面的充填开采。
一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法，步骤包括：
a.将综采放顶煤工作面沿走向和倾向划分充填区域和放顶煤区域，所述充填区域和放顶煤区域呈矩形并且交错布置，沿工作面走向和倾向分别划分多个充填区域和放顶煤区域；所述充填区域和放顶煤区域相邻；
b.确定工作面循环步距；
c.在综采放顶煤工作面前方对步骤a中划分的充填区域进行支护，完成移架推溜工序，在放顶煤区域完成放煤，在充填区域架设圆木支护；
d.充填区域达到充填步距后，在液压支架后方设置充填篷布，泵送充填膏体至充填区域；
e.当工作面由放顶煤区域推进至充填区域时，在综采放顶煤工作面前方进行支护，在工作面后方架设圆木支护，重复步骤d；当工作面由充填区域推进至放顶煤区域时，在充填区域完成步骤d后，完成移架推溜，在放顶煤区域完成放煤；随工作面推进充填区域和放顶煤区域交错设置，完成综采放顶煤工作面的充填开采。
优选的是，综采放顶煤工作面布置在厚度均匀的硬煤层中；放顶煤区域长度和宽度小于基本顶初次来压步距。
优选的是，工作面循环步距具体是根据综采放顶煤工作面的日推进距离确定。
优选的是，支护包括设置锚杆、锚索和锚网联合支护，所述圆木支护包括均匀排列由立柱和横梁组成的圆木支护。
优选的是，综采放顶煤工作面采用综采液压支架支护，综采液压支架后方设置有2根后支护梁。
进一步优选的是，后支护梁和综采液压支架后方铰接固定，后支护梁的后端伸至充填体上方。
还进一步优选的是，充填膏体中含有膨胀剂，膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂，膨胀剂的成分包含钙矾石。
本发明的有益效果包括：
(1)将综采放顶煤工作面划分为若干个充填区域和放顶煤区域，充填区域和放顶煤区域相邻布置，从而能有效的控制顶板下沉，减小地表沉降；另外充填区域和放顶煤区域交错布置，进一步的划分了充填区域和放顶煤区域，有利于形成的“三角形”的控顶结构从而稳定性更强。
(2)在充填区域先利用锚网、锚索和锚杆结构进行支护，再在综采液压支架后方设置圆木支护，保证了在采空区形成一个稳定、有效和安全的充填空间，从而可以使用充填篷布将充填膏体隔离在充填区域。利用充填区域和放煤区域交错布置，形成交错的充填区域，从而能够进一步的加强充填支护效果。
(3)为适应该充填开采方法，在综采液压支架后方设置后支护梁，方便了规范化操作并进一步的保证了施工安全；尤其是在充填区域和放顶煤区域交错布置时，保证了工作面推进过程中由充填区域变为放顶煤区域时放顶煤施工的安全。
(4)在充填膏体中添加膨胀剂，从而使充填膏体凝固后体积增大，充填区域向两侧不充填区域移动扩大，进而使含有浮煤和破碎矸石的不充填区域的密度增大，可有效提高采空区的充实率和控顶能力。
附图说明
图1是综采放顶煤工作面的充填开采方法充填区域划分示意图；
图2是综采放顶煤工作面的充填开采方法充填区域交错划分示意图；
图3是图1的工作面支护结构剖面示意图；
图4是图2的工作面支护结构剖面示意图；
图中：1-综采液压支架；2-充填篷布；3-锚网；4-锚杆；5-充填区域；6-放顶煤区域；7-后支护梁；8-充填管路；9-顶煤；10-充填体；11-采空区；12-顺槽。
具体实施方式
结合图1至图4所述，本发明提供的一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法，具体实施方式如下。
实施例1
如图1和图3所示，一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法具体施工步骤包括：
步骤a.当综采放顶煤工作面布置在厚度均匀的硬煤层中，并且工作面内无较大断层时,将综采放顶煤工作面沿工作面走向划分为充填区域5和放顶煤区域6。充填区域5和放顶煤区域6的长度等于工作面走向长度，充填区域5和放顶煤区6域宽度之和等于工作面宽度，并保证放顶煤区域长度和宽度小于基本顶初次来压步距，其中充填区域5和放顶煤区域6相邻。将综采放顶煤工作面划分为若干个充填区域5和放顶煤区域6，充填区域5和放顶煤区域6呈条带状相邻布置，从而减小放顶煤的面积，能有效的控制顶板下沉，减小地表沉降。
步骤b.确定综采放顶煤工作面的循环步距，根据工作面的来压和计算确定直接顶的运动参数，工作面循环步距具体是根据综采放顶煤工作面的日推进距离确定。
步骤c.在综采放顶煤工作面前方对步骤a中划分的充填区域进行支护，支护包括在综采液压支架1前方的顶板位置设置锚杆4、锚索和锚网3联合支护顶板。期间根据放顶煤区域开采顶板离层情况调整锚杆锚索设置间距，也可以只用锚杆和锚网支护，当锚杆锚网支护效果不能满足要求时，加设锚索进行支护。完成移架推溜工序，并在放顶煤区域6内完成放煤，在充填区域5架设圆木支护，圆木支护具体是在充填区域密布均匀排列圆木进行支护。另外，在综采液压支架的选取上，充填区域的综采液压支架可以不具备放煤的功能，但是便于充填；放顶煤区域的综采液压支架具有放煤的功能，可以选用综采放顶煤液压支架。
步骤d.当充填区域5达到充填步距后，在综采液压支架1后方设置充填篷布2，充填篷布2将充填区域5和工作面支架的区域隔离，通过充填管路8泵送充填膏体至充填区域5。充填管路8布置在顺槽12内，经过工作面液压支架下方，到达各个充填部位，从充填篷布2上方的入口将充填膏体送至待充填的区域。充填篷布2在设置的时候，需保证充填篷布2的高度大于充填的高度，保证充填篷布2的底边和底板紧密接触。在充填膏体中添加膨胀剂，添加膨胀剂从而使充填膏体凝固后充填体10体积增大，充填区域5向两侧的放顶煤区域6移动扩大，进而使含有浮煤和破碎矸石的放顶煤区域6的采空区密度增大，进而有效提高采空区11的充实率和控顶能力。其中膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂，膨胀剂的成分包含钙矾石，膨胀剂主要以石膏和铝矿石为主要材料，经煅烧制作而成。充填膏体选用硫铝酸钙膨胀剂、水泥、粉煤灰和矸石的组合，混合物的质量比例为硫铝酸钙膨胀剂：水泥：粉煤灰：矸石＝0.5:1:4:6。
步骤e.重复步骤c和步骤d，在充填区域5的综采放工作面前方继续采用锚网、锚索和锚杆以支护，后方继续使用圆木密集支护，达到充填步距后进行充填；在放顶煤区域6可以对顶板进行预裂从而方便放煤，期间保持充填区域和放顶煤区域移架推溜工作的一致，保证工作面连续推进，完成综采放顶煤工作面的充填开采。圆木可以选用2根立柱和1条横梁的结构，将圆木设置后形成可靠的施工空间。另外在矿山压力大的地方，还可以选用单体液压支柱代替圆木进行支护。由于充填区域5和放顶煤区域6相邻并呈条带状布置，所以便于规范化操作，充填区域连续且方便充填管道的布置。
如图2和图4所示，充填区域和放煤区域交错布置时，应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法具体施工步骤包括：
步骤a.综采放顶煤工作面布置在厚度均匀的硬煤层中，并且工作面内无较大断层时,将综采放顶煤工作面沿工作面走向划分为充填区域5和放顶煤区域6。充填区域5和放顶煤区域6呈矩形并且交错布置，沿工作面走向和倾向分别划分多个充填区域5和放顶煤区域6，其中放顶煤区域6的长度和宽度小于基本顶的初次来压步距，从而保证放顶安全，充填区域和放顶煤区域相邻。利用充填区域和放煤区域交错布置，形成交错的充填区域，从而能够进一步的缩小顶板连续垮落的面积加强充填支护效果。
步骤b.确定综采放顶煤工作面的循环步距，根据工作面的来压和计算确定直接顶的运动参数，工作面循环步距具体是根据综采放顶煤工作面的日推进距离确定。
步骤c.在综采放顶煤工作面前方对步骤a中划分的充填区域5进行支护，该支护包括设置锚杆4、锚索和锚网3联合支护，完成移架推溜工序，并在放顶煤区域6完成放煤，在充填区域架设圆木支护，其中圆木支护具体是在充填区域密布均匀排列圆木进行支护。另外综采放顶煤工作面使用综采液压支架1支护，在综采液压支架1后方设置有2根后支护梁，对充填区域5进行简单的支护，后支护梁7和综采液压支架1后方铰接固定，方便移架并为圆木支护提供操作空间，后支护梁7的后端伸至充填体10上方临时固定，移架时将后支护梁7从充填体10上方抽出。
步骤d.充填区域达到充填步距后，在综采液压支架1后方设置充填篷布2，通过充填管路8泵送充填膏体至充填区域，并在充填膏体中添加膨胀剂，充填时膏体自下而上依次充入并凝结牢固。添加膨胀剂从而使充填膏体凝固后体积增大，充填区域向两侧以及前后的放顶煤区域移动扩大，进而使含有浮煤和破碎矸石的相邻放顶煤区域的采空区11密度增大，进而有效提高采空区11的充实率和控顶能力。
步骤e.当工作面由放顶煤区域推进至充填区域5时，在综采放顶煤工作面前方进行支护，在工作面后方架设圆木支护，重复步骤d；当工作面由充填区域5推进至放顶煤区域6时，在充填区域5完成步骤d后，完成移架推溜，在放顶煤区域6完成放煤；随工作面推进充填区域5和放顶煤区域6交错设置，完成综采放顶煤工作面的充填开采。具体是，充填区域达到步骤a划分的充填区域范围边界后，在该充填区域5前方变化为放顶煤区域6，因此在充填区域5前方进行放煤；在放顶煤区域6的综采液压支架1推进到达到放顶煤区域6的边界后，在综采液压支架1前方继续采用锚网3、锚索和锚杆4以支护，后方继续使用圆木密集支护，达到充填步距后进行充填；根据上述步骤进行交替式放煤和充填作业，完成综采放顶煤工作面的充填开采。在工作面推进过程中保持充填区域和放顶煤区域移架推溜工作的一致，保证工作面连续推进，完成综采放顶煤工作面的充填开采。
实施例2
在实施例1的基础上，结合工程实例，对该应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法作进一步的说明。某矿综采放顶煤工作面井下标高为-241.3m，主采煤层为山西组3煤层，3煤煤层结构简单，无分岔现象，且厚度大，煤层的层位稳定。工作面走向长度为700m，倾斜长度150m，煤层厚度平均为8.5m，倾角5～8°，容重1.38t/m3。直接顶为深灰色粉砂岩，一般厚2～3m，比较稳定，抗压强度40.53～62.81mpa；老顶为厚层中粒砂岩，厚10～30m，岩层坚硬，抗压强度91.20～131.7mpa。
步骤a.根据上述的采场地质条件围岩性质，确定放顶煤区域6的宽度为10m，充填区域5的宽度为15m，根据工作面长度150m，将工作面沿倾向交替划分为6个放顶煤区域和6个充填区域。
步骤b.结合该矿井的现有生产技术条件和相邻综采放顶煤工作面直接顶运动参数，确定循环充填步距l为3m。
步骤c.依次在充填区域范围内工作面综采液压支架1前方压茬铺设5×1.0m规格的金属锚网3，网片搭接长度500mm，在搭接处每0.2m用规格网扣连接起来。充填区域5范围内金属锚网3铺设完毕后，在充填区域5内继续打锚杆加强支护。工作面移架推溜完成后，在放顶煤区域正常放顶煤，充填区域5不放顶煤并进行支护，在充填区域5范围内综采液压支架1后方，后支护梁7保护区域，随综采液压支架1推进逐排打设圆木进行密集支护。
步骤d.到达充填步距l后，沿工作面倾向依次在待充填区域的液压支架后方设置充填篷布，形成封闭的充填空间。充填篷布2设置完毕后，通过工作面内的充填管路8将地面充填站制备的矸石膏体泵送到充填区域进行充填。
步骤e.在充填区域5的综采液压支架1前方继续采用锚网3、锚索和锚杆4以支护，后方继续使用圆木密集支护，达到充填步距后进行充填；在放顶煤区域可以对顶板进行预裂从而方便放煤，期间保持充填区域5和放顶煤区域6移架推溜工作的一致，保证工作面连续推进，完成综采放顶煤工作面的充填开采。
实施例3
在实施例1的基础上，结合工程实例，对该应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法作进一步的说明。某矿综采放顶煤工作面，工作面的走向长度为800m，倾向长度为200m。工作面煤层厚度平均9m，属稳定煤层，煤层倾角平均为9°，其直接顶为平均厚度1.4m的泥岩，平均单向抗压强度为47.7mpa。基本顶为平均厚度3.0m的细砂岩，平均单向抗压强度为119.8mpa。直接底为平均厚度2.4m的泥岩，平均单向抗压强度为47.7mpa，基本底为平均厚度3.9m的细砂岩，平均单向抗压强度为119.8mpa。
步骤a.根据采场采深300m、采厚3.8m、放煤5.2m及基本顶初次来压步距23m，确定放顶煤区域的宽度为15m，经计算并优选比较得出充填区域5的宽度为25m。根据工作面的长度200m，将工作面沿倾向交错划分为5个放顶煤区域和5个充填区域。
步骤b.根据综采放顶煤工作面的日推进距离3m，确定循环充填步距l为3m。
步骤c.依次在充填区域5范围内工作面综采液压支架1前方压茬铺设5×1.0m规格的金属锚网3，网片的搭接长度为500mm，在搭接处每0.2m用规格网扣连接起来。充填区域5范围内金属锚网3铺设完毕后，在充填区域5范围内继续打锚杆4加强支护。工作面移架推溜完成后，放顶煤区域6范围内正常放顶煤，充填区域5范围内不放顶煤并进行支护，在充填区域范围内综采液压支架1后方随回采逐排打设圆木进行密集支护，圆木支护支撑效果不好时，更换单体液压支柱进行支护。
步骤d.在充填区域5到达充填步距l后，沿工作面倾向依次在待充填区域的综采液压支架1后方设置充填篷布2，形成封闭的充填空间。充填篷布2设置完毕后，通过综采放顶煤工作面内的充填管路8将地面充填站制备的矸石充填膏体泵送到充填区域5进行充填，其中充填膏体中添加有膨胀剂，膨胀剂在膏体中的的质量比例为硫铝酸钙膨胀剂：水泥：粉煤灰：矸石＝0.5:1:4:6。
步骤e.随着工作面的推进，当充填达到充填划分区域边界后，交替进行放顶煤，工作面范围内更换充填区域5和放顶煤区域6，即以充填带5的宽度为15m，未充填区域的宽度为10m，重复第四步、第五步形成交错式充填放顶煤开采，开采结束后，经监测地表的变形很小，验证了充填对地表沉陷控制的效果。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：
技术总结
本发明提供了一种应用于综采放顶煤工作面的充填开采方法，涉及采矿工程技术领域，解决了综采放顶煤工作面顶板控制以及放顶煤开采地表变形大的技术问题，该方法包括：A.将综采放顶煤工作面沿工作面走向划分为充填区域和放顶煤区域，或者将工作面沿走向和倾向划分充填区域和放顶煤区域；B.确定工作面循环步距；C.在工作面前方对充填区域进行支护，放顶煤区域完成放煤后，在充填区域架设圆木支护；D.充填区域达到充填步距后，在液压支架后方设置充填篷布，泵送充填膏体；E.重复步骤C和步骤D，完成开采。本方法提出了交替放煤和充填的开采方法，完成了放顶煤工作面的充填开采，有效控制顶板，减少地表沉陷，还具有安全、高效等优点。
技术研发人员：陈绍杰;杜兆文;夏志国;张振;陈兵;李志远;简勇
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2018.11.15
技术公布日：2019.02.19
声明：
“用于综采放顶煤工作面的充填开采方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：山东科技大学
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2024年08月01日 ~ 03日 
