一种冻结房柱式残采区积水高效回收遗留煤柱的方法

本发明涉及一种冻结房柱式残采区积水高效回收遗留煤柱的方法，属于煤炭开采。

背景技术：

1、近年来，国际能源价格大幅上涨，煤炭供需持续偏紧，煤炭在能源安全保障中“压舱石”的作用更加突出。浅部优质煤炭资源日益减少，先期落后开采技术等导致的遗煤复采成为继深部资源开采之后保障煤炭资源供给的又一重要举措。此外，随着煤炭的保有储量逐渐降低，对煤炭需求增长的无限性与不可再生资源的有限性这一矛盾日趋剧烈，提高资源回收率，建设节约型矿区成为煤矿企业保证供给同时的又一重任。

2、受历史及开采技术水平限制，早期许多煤矿的平均采出率不超30%，部分小型煤矿的采出率仅为10%～20%。因此，现有的生产矿区和矿井中，存在许多小煤窑破坏的遗留煤层。其中，早期采掘合一的房式采煤法在煤层内布置一系列5~7m的煤房，煤房之间留设20~30m的煤房，开采煤房煤炭资源的同时形成窄工作面，一般成组向前推进。煤房之间的煤柱在房柱式开采过程中作为顶板的支撑结构，在煤房被采出后，煤柱被大量遗弃，形成大量的资源浪费。之后，房柱式采空区大部分逐渐被积水充满，遗留煤柱力学性能逐渐劣化。现行常见的固废充填复采方法（cn200910258318.9一种固体充填综采回收房式煤柱方法；cn201910756396.5一种用于老房柱采空区遗留煤柱回收的充填开采方法）需将采空区积水抽出，探明遗留煤柱的分布后，进行膏体材料泵送充填和煤柱回收复采。其中，对大面积的采空区充填，成本较高且施工困难。因此，亟需寻找一种既能合理解决房柱式采空区积水，又能安全高效、经济的回收房柱式残采区遗留煤柱的方法。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种冻结房柱式采空区积水高效回收遗留煤柱的方法，主要针对大部分被积水充满的房柱式采空区遗留煤柱的高效回收；主要适用于早期落后的房柱式开采方法遗留煤柱的高效回收。

2、本发明在探明房柱式采空区煤柱群和空区群分布状况、采空区内积水量和积水范围的基础上，利用人工制冷技术冻结采空区积水，使液相的水成为具有和煤样承载能力相接近的冰，冻结后的冰成为充填体对房柱式采空区进行充填，整个采空区被积水冻结成的巨大冰块充满。同时，这个巨大冰块与残采区顶底板、煤柱以及采空区边界围岩形成协同承载体，共同承担上覆岩层传递的载荷。在冻结后形成的冰块和遗留煤柱中设置回采巷道和采煤工作面，之后割煤机将煤柱和积水冻结形成的冰同步截割。随着回采工作面推进，截割过程中融化的积水和截割后运输过程中的冰块碎屑融化积水被抽出，遗留煤柱的煤炭资源被回收。达到高效回采遗留煤柱的目的，无需一次处理大量积水，也能同步解决遗煤开采中的火灾防治及瓦斯治理难题。

3、本发明提供了一种冻结房柱式残采区积水高效回收遗留煤柱的方法，包括以下步骤：

4、（1）进行钻孔取芯和窥视，结合矿井原有地质、技术资料，煤柱群和空区群的分布状况，绘制采空区上覆岩层、房柱式采空区遗留煤柱和采空区的分布形态图以指导安全生产，同时，探明房柱式采空区积水高度、积水量和水质等，服务后续采空区积水冻结设计；

5、（2）综合考虑房柱式采空区遗留煤柱钻孔取芯测得的煤样强度、莫氏硬度和房柱式采空区积水取样测得的冻结冰体强度、莫氏硬度，将房柱式残采区视为完整未采煤层，结合煤体和冰体的力学参数进行房柱式残采区遗留煤柱回收开采工作面的设计、设备选型，工作面巷道设计、开切眼布置；

6、（3）将平行房柱式采空区走向的同层既有巷道作为冻结辅助巷，布置冻结工作站，在冻结辅助巷的巷壁向采空区积水区钻取一系列水平钻孔，通过钻孔往采空区积水中布置冻结管路；当房柱式采空区所在煤层没有合适的巷道可供选择时，可以在柱式采空区上覆岩层中选择巷道，由上向下钻取一系列垂直钻孔，通过上覆岩层的巷道钻孔往采空区积水中下放以及布置冻结管路；

7、（4）在步骤（3）中设置好的冻结辅助巷中布置冻结工作站，通过布置在房柱式采空区积水中的冻结管路，由循环盐水置换积水热量，使房柱式采空区中积水进入积极冻结期，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，此阶段冻结冰体的温度范围为-20℃~-12℃；利用水随容纳体形状改变以及水结冰体积膨胀的特性，使其结冰的同时充分接顶，房柱式采空区积水冻结后的冰充当充填体，同时将采空区中的遗留煤柱、崩解垮落石块等与积水冻结成一个冷冻体，整个采空区被积水冻结成的巨大的冰块充满；房柱式采空区积水冻结后的冰体与房柱式残采区顶底板、待回收的房柱式采空区遗留煤柱以及房柱式采空区边界煤柱形成协同承载体，共同承担上覆岩层传递的载荷；

8、（5）步骤（4）中的积水冻结后不足以完全接顶时，在步骤（4）的积水冻结过程中通过步骤（3）钻孔进行补充注水，保证房柱式采空区积水冻结后冰体能够充分接顶；当房柱式采空区积水完全充满采空区，步骤（4）中的积水冻结膨胀，房柱式采空区积水水量过多，则通过步骤（3）中的钻孔进行抽水，保证房柱式采空区积水冻结后冰体恰好接顶；

9、（6）待房柱式残采区积水完全凝固结冰后，步骤（4）中的各冻结工作站减少制冷量，冻结工作进入消极冻结期，保证冰块不会化冻，维持冻结冰体温度恒定在-10℃~-5℃；

10、（7）之后在消极冻结维持的冰体中开掘和布置运输和通风巷道，沿着设计的巷道中心轴线使用防爆电加热棒逐渐融化冰体，同时抽出冰体融化形成的水，在冰体中融化出设计尺寸的巷道后，在巷道内壁表面布设冻结管路，维持巷道表面的冻结维持，避免矿井通风引入的空气和设备运输等产生的热量辐射导致巷道表面融化，保证巷道维持设计形状和尺寸；之后通过巷道运输和布置相关采掘设备，在指定位置布置房柱式采空区煤柱回收工作面开切眼，布置煤柱回收工作面；

11、（8）在消极冻结维持下，将冻结积水和遗留煤柱视为一个整体，割煤机自开切眼开始逐步截割冰体和煤柱，整层采掘回收遗煤；部分冰体在截割中融化，部分冰体被截割后形成冰屑和截割形成的煤块一起通过刮板运输机转运，在工作面和运输巷中布设抽水机和排水槽，用于抽出冰体截割和转运中冰屑融化形成的水。

12、上述方案中，各冻结管路布置在房柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器随同管路一同下放，均匀布置于房柱式残采区积水中，建立实时动态检测网络，对采空区积水（冻结冰体）的温度进行实时检测。

13、上述方案中，步骤(1)通过调研矿井原有地质、技术资料查清柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测房柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明房柱式残采区积水的深度、分布范围、体积。

14、上述方案中，步骤(2)中将房柱式残采区视为完整未采煤层，进行开采设计，其中的相关力学参数以冻结后的冰的参数（单轴抗压强度3-6mpa，莫氏硬度约为2.8-4）和现场钻孔确定的煤样力学参数综合考虑。

15、上述方案中，在步骤(3)中将平行房柱式残采区煤柱回收工作面巷道的同层既有巷道设为冻结辅助巷，在冻结辅助巷中布置冻结工作站和通过冻结辅助巷的巷壁钻孔向采空区积水中布置冻结管路，其中巷壁钻孔数目由需冷量、积水体积和冻结管路半径共同确定，冻结管在采空区积水中构成一组组闭合回路，进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰。

16、上述方案中，步骤（4）中的冻结设备型号、功率以及台数选择基于步骤（2）中探明的房柱式残采区空区体积以及空区积水体积计算出的需冷量确定；盐水循环系统选择cacl2溶液作为冷媒剂，冷却水循环系统通过开凿水池自然冷却；确定好各冻结参数后，在井下冻结辅助巷道指定位置进行设备的试运行，整个系统运转无误后正式施工。

17、上述方案中，步骤(5)中所述水结冰后的体积膨胀，冻结后冰的体积为原来水的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的采空区积水，水面距顶板距离占采空区全高比例小于的10%时，结冰后冰体能够充分接顶；当积水较少，冻结后不能接顶时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个房柱式残采区空区，对残采区顶板岩层起到支承作用。

18、上述方案中，步骤(6)中的房柱式残采区积水结冰后，在消极冻结维持下冰体的单轴抗压强度为3mpa~6mpa，抗拉强度约为抗压强度的1/2，在井下采空区围岩的侧限约束下冰体的抗压强度为5~10mpa，与矸石混凝土膏体充填材料强度接近。

19、上述方案中，当工作面宽度大于50m时，通过步骤(3)中冻结辅助巷的巷壁钻孔向采空区积水布设管路将采空区所有积水完全冻结困难时，可以在残采区边界围岩向内冻结10~20m的冰体。之后在残采区边界围岩内侧冻结冰体内开掘巷道和布置工作面；并将开掘的运输巷进行拓宽，在其中开掘辅助硐室，用于后续冻结工作站的布置，运输巷兼具冻结巷的功能。

20、上述方案中，步骤(6)中的消极冻结期，指房柱式残采区积水在经过前期积极冻结期的冻结作用（积极冻结期阶段冻结冰体的温度范围为-20℃~-12℃），液相的水逐渐全部结冰，冻结基本完成，此时，冻结冰体只需维持冻结状态保证不会化冻即可，循环盐水的温度升高，冻结冰体的温度范围升高至-10℃~-5℃，尽量做到节能、经济；同时降低冻结冰体的莫氏硬度，利于割煤机截割。

21、上述方案中，步骤(8)中所述的割煤机自开切眼开始逐步截割冰体和煤柱，整层采掘回收遗留煤柱，是指在消极冻结维持下，将冻结积水和遗留煤柱视为一个整层未采煤层，割煤机在液压支架支承掩护下截割，顶板随采随垮。

22、本发明的有益效果：

23、（1）该发明在矿井生产资料和探查资料的基础上判别房柱式采空区遗留煤柱复采的可行性，采用人工制冷冻结房柱式残采区中的积水，使液相的水冻结后成为固态的冰代替膏体充填材料，将整个采空区中的坍落顶板和矸石等包裹进冻结冰体中，形成一个协同承载体。冻结后的冰以全部充填的方式充满整个残采区空区，在冻结的冰块中开掘巷道和布置采煤工作面，之后割煤机将煤柱和冻结以后的冰一起截割，随着回采工作面推进，逐渐回收遗留煤柱，同时抽出截割后融化的积水，达到高效回收遗留煤柱的效果。

24、（2）较传统的固废膏体材料充填开采后回收煤柱的方法，无需在回收煤柱前一次性处理残采区的大量积水，改为在回采过程中逐渐抽出截割后融化的冰屑，为采空区积水有序高效利用创造条件。

25、（3）房柱式采空区被冻结后的冰体充满，在冻结冰体支承下回采遗留煤柱，冻结冰体充满采空区可以解决遗煤复采中的瓦斯防治难题，提供的低温环境可以规避遗煤开采过程中多发的火灾事故。