自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法、施工方法及系统与流程

本发明涉及煤矿掘巷，尤其是涉及自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法、施工方法及系统。

背景技术：

1、沿空掘巷是指上区段工作面回采结束后，本区段工作面的回采巷道，沿上区段工作面采空区边缘留煤柱护巷掘进。沿空掘巷的位置处在上区段覆岩基本顶断裂后，所形成的弧形三角板下方，受其采动影响，该块体向采空区，呈现回转滑移下沉的运动，致使窄煤柱主要承载作为该关键块体自上而下所传递的载荷；该关键块的断裂位置以及断裂跨度，同样影响着煤柱内应力分布以及自身的稳定，窄煤柱的稳定性决定了护巷效果；由于沿空掘巷开掘位置，处于上区段采空区侧向支承压力影响范围之内，该范围内煤体塑性区大且内部较为破碎，易受到围岩支承应力的影响，若留设煤柱宽度较大，则处于侧向支承压力的增高区影响范围之内，沿空巷道受到应力集中影响，顶板下沉严重会产生冒顶和帮鼓现象，巷道变形严重难以维护且浪费大量煤炭资源；若煤柱留设宽度过窄，将导致煤柱无法有效承载上覆载荷，其内部裂隙纵横贯通严重，煤体破碎，塑性区增大，且向巷道内部抛撒煤体片帮严重，无法起到护巷作用。

2、因此，针对沿空掘巷矿压控制难度大、煤炭资源不易回收等问题，亟需一种既能抵抗强采动影响又不浪费煤炭资源的沿空掘巷方法，以改变当前沿空掘巷不可避免留设煤柱浪费煤炭资源且前掘后修的现状，从而实现零煤柱高承载力固结体的沿空掘巷方法。

技术实现思路

1、本发明提供的一种自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法，能够解决现有技术中沿空掘巷矿压控制难度大、煤炭资源不易回收等问题。

2、本发明提供一种自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法，包括：

3、对矿井现场的矸石，确定所述矸石的基础参数，其中，所述基础参数包括所述矸石的碎胀系数、矸石块度和级配尺寸；

4、根据区段平巷断面尺寸、矸石堆积自然安息角，以及每日区段平巷充填长度，确定每日矸石充填空间；

5、根据所述矸石的碎胀系数和每日矸石充填空间，确定填满区段平巷空间每日所需矸石重量；

6、根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例，得到所述散矸速凝高强固结剂；

7、根据所述矿井现场对应的顶板稳定强度需求，确定固结体中各组分的占比，得到所述固结体；

8、根据所述填满区段平巷空间所需矸石重量，以及所述固结体，得到散矸速凝高强固结剂的每日用量体积；

9、根据浆液输送管路内径、浆液输送用时、所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积，确定所述散矸速凝高强固结剂流速；

10、根据巷道断面宽度、矸石堆积自然安息角，以及预埋注料管数量，确定散矸速凝高强固结剂最小流动半径，得到采空区预埋注料管间距，以及注料孔排距；

11、根据所述固结体、所述采空区预埋注料管间距和所述注料孔排距，进行所述矿井现场的应用。

12、可实施的一些方式中，所述对矿井现场的矸石进行力学特征分析，确定所述矸石的基础参数的步骤，包括：

13、根据岩石破碎后处于松散状态下的体积和岩石破碎前处于整体状态下的体积，得到所述矸石的碎胀系数；其中，所述矸石的碎胀系数的计算公式：

14、

15、其中，kp为矸石的碎胀系数；v1为岩石破碎后处于松散状态下的体积，m3；v2为岩石破碎前处于整体状态下的体积，m3。

16、可实施的一些方式中，所述根据区段平巷断面尺寸、矸石堆积自然安息角，以及每日区段平巷充填长度，确定每日矸石充填空间的步骤，包括：

17、根据所述区段平巷断面尺寸、所述矸石堆积自然安息角，以及所述每日区段平巷充填长度、工作面循环进尺和日循环个数，确定每日矸石充填空间；其中，所述区段平巷断面尺寸包括区段平巷宽度和区段平巷高度，所述每日矸石充填空间计算公式：

18、

19、其中，vt为所述每日矸石充填空间，m3；l1为所述区段平巷宽度，m；h为所述区段平巷高度，m；α为所述矸石堆积自然安息角，°；l2为所述每日区段平巷充填长度，m；s为所述工作面循环进尺，m；c为所述日循环个数。

20、可实施的一些方式中，所述根据所述矸石的碎胀系数和每日矸石充填空间，确定填满区段平巷空间每日所需矸石重量的步骤，包括：

21、根据所述矸石的碎胀系数、每日矸石充填空间和矸石破碎前的表观密度，得到所述填满区段平巷空间每日所需矸石重量，其中，所述填满区段平巷空间每日所需矸石重量的计算公式：

22、

23、其中，mg为所述填满区段平巷空间所需矸石重量，t；为所述矸石破碎前的表观密度，t/m3；vt为所述每日矸石充填空间；kp为所述矸石的碎胀系数。

24、可实施的一些方式中，所述根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例，得到所述散矸速凝高强固结剂的步骤，包括：

25、根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及成型胶结体的抗压强度的设计要求，得到灌注压力、初凝时间、终凝时间和预设天数的强度；

26、根据所述灌注压力、所述初凝时间、所述终凝时间和所述预设天数的强度，确定所述散矸速凝高强固结剂的成分比例，其中，所述散矸速凝高强固结剂包括强分散剂、初凝促进剂和高效减水剂；

27、根据所述强分散剂、所述初凝促进剂和所述高效减水剂的成分比例，得到所述散矸速凝高强固结剂。

28、可实施的一些方式中，所述根据所述矿井现场对应的顶板稳定强度需求，确定固结体中各组分的占比，得到所述固结体的步骤，包括：

29、根据所述矿井现场对应的顶板稳定强度需求，以及煤层的开采高度、埋深和地质构造对应力产生影响的环境因素，确定所述固结体的适应强度；

30、根据所述固结体的适应强度，确定所述团结体中各组分的占比，所述固结体的配比包括散矸速凝高强固结剂和矸石；

31、根据所述散矸速凝高强固结剂和所述矸石的占比，得到所述固结体；

32、根据所述填满区段平巷空间所需矸石重量，以及所述固结体，得到散矸速凝高强固结剂的每日用量体积的步骤，包括：

33、所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积vc计算公式：

34、

35、其中，vc为所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积，m3；nc为所述固结体中所述散矸速凝高强固结剂的占比；ng为所述固结体中所述矸石的占比；为所述散矸速凝高强固结剂密度，t/m3。

36、可实施的一些方式中，所述根据浆液输送管路内径、浆液输送用时、所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积，确定所述散矸速凝高强固结剂流速的步骤，包括：

37、所述散矸速凝高强固结剂流速vc的计算公式：

38、

39、其中，vc为散矸速凝高强固结剂流速，m/h；d为浆液输送管路内径，m；t为浆液输送用时，h；

40、所述根据巷道断面宽度、矸石堆积自然安息角，以及预埋注料管数量，确定散矸速凝高强固结剂最小流动半径，得到采空区预埋注料管间距，以及注料孔排距的步骤，包括：

41、根据所述巷道断面宽度、所述矸石堆积自然安息角，以及所述预埋注料管数量，确定所述散矸速凝高强固结剂最小流动半径；

42、根据所述散矸速凝高强固结剂最小流动半径，确定采空区预埋注料管间距，以及注料孔排距；其中，所述散矸速凝高强固结剂最小流动半径rcs，以及所述采空区预埋注料管间距la和所述注料孔排距lb的计算公式：

43、

44、其中，rcs为散矸速凝高强固结剂实际流动半径，m；n为预埋注料管数量；rcmin为散矸速凝高强固结剂最小流动半径，m；la为采空区预埋注料管间距，m；lb为注料孔排距，m。

45、本技术第二方面提供一种自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷施工方法，应用于前述的自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法，施工方法包括：

46、根据生产计划，在第一采煤工作面进行回采，并在回采过程中，将计算得到的矸石量及时回填到，采后即将垮落的区段回风平巷空间内，并在所述区段回风平巷顶部，按照设计方案，预埋铺设单排或多排注料管；

47、在所述第一采煤工作面，利用边回采边充填区段回风平巷的局部充填开采方式，在开采后的所述第一采煤工作面的区段回风平巷形成一段采空区，将所述矸石充填，进行埋注料管作业，并在注料管预埋完成后向注料管内注料，进行注料作业；

48、增加所述注料作业过程中，注浆压力，直至浆液计算所需用量用完或矸石表面浆液渗出，在所述区段回风平巷充填区域形成稳定的固结体；

49、待所述第一采煤工作面完成回采，得到符合强度需求并充满固结体的区段回风平巷；

50、第二采煤工作面的区段运输平巷沿固结体与煤体胶结面掘进，其中，巷道掘进断面高度和固结体与煤体胶结面高度一致，在采空区的顶板与实体煤帮部实施锚杆索支护，直至所述巷道掘进完成。

51、本技术第三方面提供一种自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷系统，应用于前述的自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法，包括：

52、输入单元，用于对矿井现场的矸石，确定所述矸石的基础参数，其中，所述基础参数包括所述矸石的碎胀系数、矸石块度和级配尺寸；

53、处理单元，用于根据区段平巷断面尺寸、矸石堆积自然安息角，以及每日区段平巷充填长度，确定每日矸石充填空间；

54、所述处理单元，还用于根据所述矸石的碎胀系数和每日矸石充填空间，确定填满区段平巷空间每日所需矸石重量；

55、所述处理单元，还用于根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例，得到所述散矸速凝高强固结剂；

56、所述处理单元，还用于根据所述矿井现场对应的顶板稳定强度需求，确定固结体中各组分的占比，得到所述固结体；

57、所述处理单元，还用于根据所述填满区段平巷空间所需矸石重量，以及所述固结体，得到散矸速凝高强固结剂的每日用量体积；

58、所述处理单元，还用于根据浆液输送管路内径、浆液输送用时、所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积，确定所述散矸速凝高强固结剂流速；

59、所述处理单元，还用于根据巷道断面宽度、矸石堆积自然安息角，以及预埋注料管数量，确定散矸速凝高强固结剂最小流动半径，得到采空区预埋注料管间距，以及注料孔排距；

60、输出单元，用于根据所述固结体、所述采空区预埋注料管间距和所述注料孔排距，进行所述矿井现场的应用。

61、本技术第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行前述的自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法。

62、本发明有益效果：

63、一种自固结矸石回填的零煤柱沿空掘巷方法，首先，对矿井现场的矸石进行力学特征分析，确定所述矸石的基础参数，其中，所述矸石为采空区顶板垮落矸石、地面原煤洗选产生的矸石或巷道掘进产生的矸石；所述基础参数包括所述矸石的碎胀系数、矸石块度和级配尺寸；然后，根据区段平巷断面尺寸、矸石堆积自然安息角，以及每日区段平巷充填长度，确定每日矸石充填空间；接下来，根据所述矸石的碎胀系数和每日矸石充填空间，确定填满区段平巷空间每日所需矸石重量；根据所述矸石块度、所述级配尺寸，以及成型胶结体的抗压强度的设计要求，确定散矸速凝高强固结剂的成分比例，得到所述散矸速凝高强固结剂；根据所述矿井现场对应的顶板稳定强度需求，确定固结体中各组分的占比，得到所述固结体；根据所述填满区段平巷空间所需矸石重量，以及所述固结体，得到散矸速凝高强固结剂的每日用量体积；根据浆液输送管路内径、浆液输送用时、所述散矸速凝高强固结剂的每日用量体积，确定所述散矸速凝高强固结剂流速；根据巷道断面宽度、矸石堆积自然安息角，以及预埋注料管数量，确定散矸速凝高强固结剂最小流动半径，得到采空区预埋注料管间距，以及注料孔排距；最后，根据所述固结体、所述采空区预埋注料管间距和所述注料孔排距，进行所述矿井现场的应用。通过上述方法，能够实现区段煤柱宽度为零的采区工作面布置；与常规沿空掘巷方式相比，施工工艺简单，无需频繁整修，适应性强。