井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法

1.本发明涉及煤炭开采方法领域，尤其涉及一种井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法。


背景技术：

2.煤炭是重要的不可再生能源，其在工业生产中占有重要地位，常见的煤炭开采方法为井下长壁综合机械化采煤法，适用于采区、带区工作面的布置，这种开采方法的工作面之间一般留设有区段煤柱，宽度约20m，且随着煤层开采深度的增加区段煤柱的留设宽度需要不断增加。以工作面宽度为200m为例，若留设20m宽的区段煤柱，则整个采区或带区煤炭回采率仅有约90％，以工作面回采长度1000m、采高5m、密度1.5吨/m3为例，每回采一个工作面就要浪费约15万吨的煤，因此留设区段煤柱的开采方法存在巨大的能源浪费。采用沿空巷道技术可以不留区段煤柱或者仅仅留设很窄的区段煤柱，但是沿空巷道支护难度大，维护困难，且随着煤层开采深度的增加，采用沿空巷道技术时的支护难度也不断增加。
3.同时顺应煤炭绿色开采的趋势，煤炭开采时如何尽可能的减少对环境的破坏是现有研究人员关注的热点，如新兴的井下采选充一体化技术，该技术将传统的地面选煤安排在井下进行，产生的矸石、尾矿等废弃物无需上井直接在井下充填采空区，可以大大减少矸石提升费用以及矸石占地堆积的问题。但是充填材料的量显然无法充填所有工作面开采后产生的采空区，因此现有技术多是没有规划的进行采空区充填作业，只要实现矸石不上井即可。


技术实现要素：

4.对于上述传统井下长壁综合机械化采煤法、现有井下采选充一体化技术的不足，如果能将两者结合一起，互相弥补，扬长避短势必能够产生较大的生产效益，对此，发明人提出一种井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法，具体包括如下步骤：
5.第一步：自井底车场沿走向掘出运输大巷和回风大巷；
6.第二步：沿走向间隔布置沿倾向延伸的充填工作面与长壁工作面；
7.第三步，分别确定合适的充填工作面宽度w1与采煤工作面宽度w2；
8.第四步，在井底车场内施工选煤与充填材料制备系统；
9.第五步，进行充填工作面的前进式回采与充填工作；
10.第六步，在两侧的充填工作面回采与充填结束，为长壁工作面留下运输顺槽和回风顺槽后，采用后退式全部垮落法回采长壁工作面；
11.第七步，重复第五步与第六步，进行全矿井煤层的回采。
12.作为上述方案的进一步优化，第一步中，运输大巷与主井连通，回风大巷与副井连通。
13.作为上述方案的进一步优化，第二步中，充填工作面与长壁工作面的生产进度保持一致。
14.作为上述方案的进一步优化，第二步中，根据矿井的生产产能要求以及矿井的实际生产能力确定一个充填工作面与一个长壁工作面的总宽度w。
15.作为上述方案的进一步优化，第三步中，根据每日产矸量及矸石在充填材料中的比例确定每日能够生产的充填材料的量，再根据充填工作面的充填速度确定充填工作面的宽度w1，则长壁工作面宽度为w-w1。
16.作为上述方案的进一步优化，第三步中，当充填体稳定性不足时，沿倾向自两侧顺槽开始施工切顶钻孔至弯曲下沉带底界面，所述切顶钻孔与煤层平面的夹角为β＇，所述夹角β＇大于岩层原始垮落角β。
17.作为上述方案的进一步优化，第四步中，选煤与充填材料制备系统包括煤矸石分选系统，分出精煤以及矸石；矸石经过矸石破碎系统粉碎成合适的粒度，将胶结材料、粉碎后的矸石、水输送至充填材料制备系统进行搅拌制备充填材料。
18.作为上述方案的进一步优化，第五步中，自运输大巷掘进运输顺槽至保护煤柱边界，自回风大巷掘进回风顺槽至保护煤柱边界，采用连续采煤机进行煤层回采，采出的煤用梭车转运至运输顺槽内的皮带输送机上；滞后采煤区域在两侧沿倾向设置顺槽模架，垂直顺槽模架施工充填挡墙，充填挡墙与前次充填形成的充填体之间形成充填空间，充入充填材料，待充填材料凝固至预定强度后，拉出顺槽模架至下一充填空间段。
19.作为上述方案的进一步优化，第五步中，充填管自井底车场进入回风大巷，然后自回风顺槽敷设至充填区域；采用∩型或门形顺槽模架，∩型或门形顺槽模架连通顺槽与采煤区域。
20.本发明的发明点与有益效果：
21.1.本发明整体采用带区式工作面布置方案，适用于近水平煤层的开采。其中，充填工作面与长壁工作面间隔布置，充填工作面采用窄面，长壁工作面采用宽面，并给出了充填工作面、长壁工作面面宽的确定方法，使得煤炭生产需求，矸石生产能力，顺槽强度需求相匹配。
22.2.给出了一种简便计算充填体承受覆岩载荷的方法，基于该计算方法给出了减少充填体承受载荷的切顶方法。
23.3.本发明在井下实现采选充的整个工艺，矸石不上井，避免矸石堆积于地面占用良田；同时充填工作面采用前进式开采，利用充填体直接生成运输顺槽和回风顺槽，并为长壁工作面所用，整个采煤工艺无需进行工作面回采时顺槽的掘进，且利用充填体形成的顺槽强度大于传统的沿空巷道强度，减少支护工作量并能保证安全。
附图说明
24.当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的有益效果，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
25.图1—本发明井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法整体布置平面示意图；
26.图2—本发明井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法充填体受力示意图；
27.图3—本发明井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法井底车场放大示意图；
28.图4—本发明井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法充填工作面放大示意图；
29.图5—本发明井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法长壁工作面放大示意图；
30.附图说明：1-运输大巷；2-回风大巷；3-回风顺槽；4-运输顺槽；5-第一回采边界；6-第二回采边界；7-充填工作面；71-连续采煤机；72-梭车；73-顺槽模架；74-皮带输送机；75-充填管；76-充填挡墙；77-充填体；78-充填空间；8-长壁工作面；81-液压支架；82-滚筒采煤机；9-井底车场；91-主井；92-副井；93-煤矸石分选系统；94-精煤存储仓；95-矸石破碎系统；96-胶结材料存储系统；97-水仓；98-充填材料制备系统；10-煤层；11-采空区；12-弯曲下沉带；13-导水裂隙带；14-垮落带。
具体实施方式
31.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
32.如图1-5所示，本发明的井下采选充一体化采充相间的采煤方法，包括如下步骤：
33.第一步：自井底车场9沿走向掘出两条平行的大巷，分别为运输大巷1和回风大巷2，其中运输大巷1位于倾向的浅部，回风大巷2位于倾向的深部，运输大巷1和回风大巷2的间距可以参考《煤矿开采安全规程》确定，一般选择的间距为30-50m，运输大巷1与主井91连通，主要用于进风、运煤和行人；回风大巷2与副井92连通，主要用于回风、排水以及布置充填管路；
34.留设合适的大巷保护煤柱，煤层10的回采会对大巷的稳定性产生影响，为了保护大巷，一般会留设一定宽度的大巷保护煤柱，以减少煤层10回采对大巷产生的影响，进而利于大巷的维护，即煤层10回采区域需与大巷保持一定的距离；本发明的采煤方法，第一回采边界5与运输大巷1之间形成保护煤柱，第一回采边界5与运输大巷1平行，大巷保护煤柱的宽度可以参考《煤矿开采安全规程》确定，一般选择的间距为30-50m，即第一回采边界5与运输大巷1间距30-50m；
35.根据煤层10的赋存情况、矿井开采边界、矿井开采规划、矿井产能需求等确定合适的第二回采边界6，第二回采边界6与第一回采边界5平行，形成带区的倾向回采范围，倾向浅部为第二回采边界6，倾向深部为第一回采边界5。
36.第二步：沿着走向间隔布置沿倾向延伸的充填工作面7与长壁工作面8，充填工作面7与长壁工作面8相邻，每一个充填工作面7两侧为长壁工作面8，每一个长壁工作面8两侧为充填工作面7，长壁工作面8采用全部垮落法综合机械化采煤技术，充填工作面7采用充填采煤技术进行回采与充填；
37.其中，充填工作面7生产进度(回采、充填)与长壁工作面8的生产进度(回采)保持一致，即完成一个充填工作面7回采与充填工作用时与完成一个长壁工作面8回采工作用时基本相同；或者完成一个充填工作面7回采与充填工作用时略小于完成一个长壁工作面8回采工作用时；充填工作面7回采与充填后在走向两侧分别形成运输顺槽4、回风顺槽3，分别为充填工作面7走向两侧的长壁工作面8回采时作为运输顺槽4、回风顺槽3使用；
38.根据矿井的生产产能要求，以及矿井的实际生产能力确定一个充填工作面7与一个长壁工作面8的总宽度w；其中矿井的生产产能要求为矿井每年需要达到的生产煤炭的量，矿井的实际生产能力为基于现有的采煤设备、人工协作等所能实现的每日生产能力，可以指长壁工作面8的滚筒采煤机82与充填工作面7的连续采煤机71一天可以回采的煤炭量；
39.以矿井生产产能要求为300万吨/年为例，假设实际一年生产时间为300天，则每天需产煤10000吨；若煤层10的平均采高5m，采煤设备每天能够进尺5刀煤，每刀进尺0.8m，煤的密度为1.5吨/m3，则采出煤体的宽度为333m，即一个充填工作面7与一个长壁工作面8的总宽度w为333m。
40.第三步，确定充填工作面7的宽度w1与采煤工作面宽度8的宽度w2，根据每日的采煤量、煤的含矸量可以确定每日选煤所产生的尾矿矸石量，确定其他生产工序产生的矸石量，可以得到每日一共可以产生的总矸石量；根据充填材料中胶结料(水泥、粉煤灰及其辅助材料，如早强剂等)与矸石的比例可以确定每日能够生产的充填材料的量，进一步根据充填工作面7的充填速度可以确定充填工作面7的宽度，定义此时的宽度为第一宽度(含两侧运输顺槽4和回风顺槽3的宽度)；其中充填工作面7的充填速度与回采速度相同；
41.假设矿井每日产生的总矸石量为1000吨，按照充填材料中矸石的重量比例约为65％计算，可以确定一天能够产生的充填材料的质量为1538吨，充填材料的比重一般为约为1.8吨/m3，则每日可以产生的充填材料的体积为854m3，由第二步可知，充填工作面7采高5m，每日进尺4.0m，则可以确定充填体宽度约为43m，加上运输顺槽4宽度5m和回风顺槽3宽度5m，可得充填工作面7的宽度为w1为53m；
42.如图2所示，当充填体77两侧的长壁工作面8回采后，充填体77会承受最大的覆岩载荷，若此时充填体77失稳则会导致后回采的长壁工作面8的顺槽不稳定，严重时甚至影响靠近充填体77处的长壁工作面8的回采，因此，充填体77必须保证足够的强度，保证两侧的长壁工作面8回采后不失稳；
43.对此，本发明提出一种便于确定充填体77稳定性的方法：首先，确定充填体77所承受的覆岩平均载荷：充填体77两侧的长壁工作面8回采后，垮落带14和导水裂隙带13的岩层垮落至采空区11，而位于充填体77上的与垮落带和导水裂隙带对应的岩层不垮落，两者之间形成垮落分界面，该垮落分界面与煤层平面的夹角为垮落角β；认定充填体77上部的位于两侧垮落分界面之间的岩层重量皆由充填体77承受，如图2中的实线倒梯形，同时过岩层垮落分界面与弯曲下沉带12底面交线的两竖直面内的弯曲下沉带的岩层的重量也由充填体77承受，如图2中实线倒梯形上的实线矩形区域；假定上述岩层的重量均匀作用于充填体77上，则可以求出充填体77所承受的覆岩平均载荷p；然后，确定充填体77的强度σ；当p＝σ时可以求得充填体77保持稳定的临界宽度a，该临界宽度a加上两侧运输顺槽宽度和回风顺槽宽度之和定义为第二宽度；
44.其中，充填体77所承受的覆岩平均载荷p的计算公式为
[0045][0046]
式中，p——充填体77所承受的覆岩平均载荷，mpa；γ——覆岩平均容重，mn/m3；a——充填体77宽度，m；β——岩层垮落角；hk——垮落带厚度，m；hd——垮落带厚度，m；hw——弯曲下沉带带厚度，m。
[0047]
当第一宽度≥第二宽度时，将第一宽度作为充填工作面7宽度，长壁工作面8宽度为w-w1，即长壁工作面8的宽度w2为280m(不包括两侧顺槽)，直接进行长壁工作面8回采工作，无需采取切顶措施；
[0048]
当第一宽度＜第二宽度时，将第一宽度作为充填工作面7宽度，长壁工作面8宽度为w-w1，即长壁工作面8的宽度w2为280m(不包括两侧顺槽)；同时沿着两侧顺槽延伸方向(倾向)间隔施工切顶钻孔，所述切顶钻孔自两侧顺槽开始施工至弯曲下沉带15底界面，所述切顶钻孔与煤层平面的夹角为β＇，所述夹角β＇大于垮落角β，通过切顶钻孔进行水力压裂或爆破，人为改变岩层垮落分界面位置，将岩层垮落角由β改成β＇，修改后的岩层垮落角β＇以及充填体77所承受的岩层范围如图2中虚线所示；基于β＇计算充填体77所承受的覆岩载荷p＇，使得p＇≤σ。
[0049]
第四步，如图3所示，在井底车场9内施工选煤与充填材料制备系统，包括煤矸石分选系统93，用于将采出的煤进行分选，分出精煤以及矸石，精煤存储于精煤存储仓94并经过主井91运输至地面，矸石经过矸石破碎系统95粉碎成合适的粒度，自主井91运送下胶结材料并存储于胶结材料存储系统96，所述胶结材料包括粉煤灰、水泥、早强剂等添加剂，将所述胶结材料、粉碎后的矸石、水输送至充填材料制备系统98进行搅拌制备充填材料，在井底车场内施工有水仓97用于存在制备充填材料用水；矿井生产产生的水自回风大巷2泵送至水仓97存储。煤的分选技术及设备、矸石粉碎设备等整个井下选煤与充填材料制备系统为现有技术，在此不再赘述。
[0050]
第五步，如图4所示，进行充填工作面7的前进式回采与充填工作，即向远离大巷的方向进行采煤与充填工作；自运输大巷1掘进运输顺槽4至第一回采边界5，自回风大巷2掘进回风顺槽3至第一回采边界5，开切眼连通运输顺槽4与回风顺槽3，采用连续采煤机71自切眼开始进行煤层10的回采，采出的煤用梭车72转运至运输顺槽4内的皮带输送机74上，然后再转运至运输大巷1内的皮带输送机上，运输至井底车场9内的煤矸石分选系统93；滞后采煤区域一定距离在开采区域走向两侧沿倾向设置∩型或门形顺槽模架73，垂直顺槽模架73施工充填挡墙76，充填挡墙76与前次充填形成的充填体77之间间隔一定距离形成充填空间78，所述顺槽模架73长度大于充填空间的倾向长度，自充填管75向充填空间78充入充填材料，待充填材料凝固至预定强度后，采用连续采煤机71或者梭车72拉出顺槽模架73至下一充填空间段，拉出顺槽模架73的位置分别形成回风顺槽3和运输顺槽4，分别与之前形成的回风顺槽3和运输顺槽4连通；其中充填管75自井底车场9进入回风大巷2，然后自回风顺槽3绵延至充填区域78；在充填之前在∩型或门形顺槽模架73外表面涂抹润滑材料或者铺设隔离材料，将充填材料与∩型或门形顺槽模架73外表面隔离开以利于充填材料凝固后拉出；∩型或门形顺槽模架73连通顺槽与采煤区域；新鲜的风自主井91进入运输大巷1，然后自运输顺槽4进入充填工作面7，乏风经回风顺槽3进入回风大巷2由副井92排出地面；行人自主井91、运输大巷1、运输顺槽4进入充填工作面7并原路返回，生产过程中产生的水自回
风顺槽3经回风大巷2运输至水仓97。
[0051]
第六步，如图5所示，进行长壁工作面8的回采工作，在两侧的充填工作面7回采与充填结束后，为长壁工作面8留下运输顺槽4和回风顺槽3后，在第二回采边界6处开切眼连通运输顺槽4和回风顺槽3，采用后退式回采，即向大巷方向回采，在长壁工作面8中布置液压支架81，采用滚筒采煤机82进行采煤，滚筒采煤机采下的煤落在刮板输送机上，转运至运输顺槽4内的皮带输送机上，然后再转运至运输大巷1内的皮带输送机上，运输至井底车场9内的煤矸石分选系统93；新鲜的风自主井91进入运输大巷1，然后自运输顺槽4进入长壁工作面8，乏风经回风顺槽3进入回风大巷2由副井92排出地面；行人自主井91、运输大巷1、运输顺槽4进入长壁工作面8并原路返回，生产过程中产生的水自回风顺槽3井回风大巷2运输至水仓97。
[0052]
第七步，重复第五步与第六步，进行全矿井煤层10的回采。
[0053]
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

技术特征：
1.一种井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：自井底车场沿走向掘出运输大巷和回风大巷；第二步：沿走向间隔布置沿倾向延伸的充填工作面与长壁工作面；第三步，分别确定合适的充填工作面宽度w1与采煤工作面宽度w2；第四步，在井底车场内施工选煤与充填材料制备系统；第五步，进行充填工作面的前进式回采与充填工作；自运输大巷掘进运输顺槽至保护煤柱边界，自回风大巷掘进回风顺槽至保护煤柱边界，采用连续采煤机进行煤层回采，采出的煤用梭车转运至运输顺槽内的皮带输送机上；滞后采煤区域在两侧沿倾向设置∩型或门形顺槽模架，∩型或门形顺槽模架连通回风顺槽、运输顺槽与采煤区域；垂直顺槽模架施工充填挡墙，充填挡墙与前次充填形成的充填体之间形成充填空间，充入充填材料，待充填材料凝固至预定强度后，拉出顺槽模架至下一充填空间段。第六步，在两侧的充填工作面回采与充填结束，为长壁工作面留下运输顺槽和回风顺槽后，采用后退式全部垮落法回采长壁工作面；第七步，重复第五步与第六步，进行全矿井煤层的回采。2.根据权利要求1所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于：第一步中，运输大巷与主井连通，回风大巷与副井连通。3.根据权利要求1所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于：第二步中，充填工作面与长壁工作面的生产进度保持一致。4.根据权利要求3所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于：第二步中，根据矿井的生产产能要求以及矿井的实际生产能力确定一个充填工作面与一个长壁工作面的总宽度w。5.根据权利要求4所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于：第三步中，根据每日产矸量及矸石在充填材料中的比例确定每日能够生产的充填材料的量，再根据充填工作面的充填速度确定充填工作面的宽度w1，则长壁工作面宽度为w-w1。6.根据权利要求5所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于，第三步中，当充填体稳定性不足时，沿倾向自两侧顺槽开始施工切顶钻孔至弯曲下沉带底界面，所述切顶钻孔与煤层平面的夹角为β＇，所述夹角β＇大于岩层原始垮落角β。7.根据权利要求1所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于，第四步中，选煤与充填材料制备系统包括煤矸石分选系统，分出精煤以及矸石；矸石经过矸石破碎系统粉碎成合适的粒度，将胶结材料、粉碎后的矸石、水输送至充填材料制备系统进行搅拌制备充填材料。8.根据权利要求1所述的采充工作面相间的采煤方法，其特征在于，第五步中，充填管自井底车场进入回风大巷，然后自回风顺槽敷设至充填区域。

技术总结
本发明涉及煤炭开采方法领域，尤其是一种井下采选充一体化采充工作面相间的采煤方法。首先掘出运输大巷和回风大巷；间隔布置合适宽度的充填工作面与长壁工作面；再进行充填工作面的前进式回采与充填工作；在两侧的充填工作面回采与充填结束，为长壁工作面留下运输顺槽和回风顺槽后，采用后退式全部垮落法回采长壁工作面；如此进行全矿井煤层的回采。本发明充填工作面采用窄面，长壁工作面采用宽面，使得煤炭生产需求，矸石生产能力，顺槽强度需求相匹配。充填工作面采用前进式开采，利用充填体直接生成顺槽和顺槽，并为长壁工作面后退式回采所用，整个采煤工艺几乎不用掘进顺槽，且利用充填体形成的顺槽强度大，减少支护工作量并能保证安全。能保证安全。能保证安全。


技术研发人员：汪锋 鲁浪 丁希阳 尹大伟 陈绍杰 颉泽琦 陈泽涛 韩承豪 祝伟豪 陈同
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/7