一种填充墙提升煤柱性能的施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿条带开采领域，具体的说是一种填充墙提升煤柱性能的施工方 法。
【背景技术】
[0002] 条带开采可以有效地控制地表移动频率，降低地表发生移动、变形和塌陷的机率， 是我国目前开采"三下"压煤的主要开采方法，但其采出率低，并且随着我国采深的不断增 大，留设煤柱尺寸越来越大，造成大量煤炭资源浪费，减少留设煤柱尺寸是解决条带开采采 出率低的关键途径，但保持煤柱的稳定性是煤矿安全生产及控制地表沉陷的必然要求。如 何协调减少煤柱尺寸与煤柱稳定性的关系已成为提高条带开采采出率低的迫切需要解决 的问题。
[0003] 减小留设煤柱尺寸是建立在提高煤柱性能即保持其稳定性的基础上。条带煤柱长 期变形特征进行了实测研究，结果表明煤柱从边缘向内部依次形成完全破坏区、塑性破坏 区和弹性核区。随着完全破坏区、塑性破坏区向煤柱内部发展，弹性核区剩余太小而不能承 载上覆岩层载荷时，煤柱将出现破坏、坍塌，进而失稳。因此，提升条带煤柱的性能，应考虑 如何限制煤柱横向变形、提高其承载能力及分担煤柱承载载荷。
[0004] 传统的提升煤柱性能的方法包括打锚杆、注浆支护、锚索支护、矸石堆积、锚网支 护、巷柱式联合加固等。以上的提升煤柱性能的方法都有一定的弊端，都是对煤柱提供一定 的侧向约束力，限制煤柱的横向变形，提高其承载能力，但是无法有效的分担煤柱承载载 荷，煤柱性能不能够有效的提升。
【发明内容】
[0005] 为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种填充墙提升煤柱性能的施工方 法，协调减少煤柱尺寸与煤柱稳定性的关系，提高条带开采采出率，为进行开采煤柱的回收 提供依据。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是： 一种充填墙提升煤柱性能的施工方法，通过如下步骤实现： 1) 前期计算：确定留设煤柱宽度、充填墙宽度和开采煤柱宽度，同时确定充填墙的材 料； 2) 平巷掘进施工:在煤层中根据计算的留设煤柱宽度、开采煤柱宽度，在若干留设煤柱 与开采煤柱之间掘出若干个平巷;在每个平巷底部中心线铺设若干个压力传感器； 3) 平巷隔离和充填:在所述平巷的端头分别设置带有若干充填孔的隔离挡板，其宽度 大于平巷的宽度，高度与煤层厚度一致，所述隔离挡板与所述平巷两侧的煤柱端头煤壁紧 密接触，然后按照顺序通过各自对应的隔离挡板的充填孔依次对平巷进行充填形成充填 墙； 4) 开采煤柱的回收:根据所述若干个平巷内压力传感器的信号，待充填墙达到最大强 度稳定后，进行开采煤柱的回收，具体地根据充填顺序，最先充填的三个平巷内充填墙最先 达到稳定，因此先回收第二平巷和第三平巷之间的第一开采煤柱，在第一开采煤柱的两侧 分别掘出工作面运输大巷和轨道大巷，进行第二开采煤柱的回收，以此类推进行后续开采 煤柱的回收。
[0007] 步骤3)中隔离挡板靠近运输大巷的一侧设置若干戗柱。
[0008] 本发明阐述了一种通过充填墙提升煤柱性能的施工方法，结合了巷采、充填开采 和条带开采多种开采方式，使得充填墙分别从开采煤柱侧向约束和分担开采煤柱承载载荷 两个方面实现了对于煤柱性能的提升，协调了减少煤柱尺寸与煤柱稳定性的关系，提高了 条带开采的采出率;平巷内设置的压力传感器，可有效监测充填墙的稳定性，为进行开采煤 柱的回收提供依据；回收开采煤柱时，由于在开采煤柱两侧掘出工作面运输大巷和轨道大 巷，只需要在煤壁的一侧进行支护，充填墙一侧不需要支护，降低了巷道支护成本。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明平巷掘进的剖面图； 图2为本发明平巷掘进的平面图； 图3为本发明平巷隔离平面图； 图4为本发明平巷充填剖面图； 图5为本发明开采煤柱回收的平面图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述： 如图1-4所示，该充填墙提升煤柱性能的施工方法，通过如下步骤实现： 1) 前期计算：确定留设煤柱宽度、充填墙宽度和开采煤柱宽度，同时确定充填墙的材 料； 2) 平巷掘进施工:在煤层中根据计算的留设煤柱宽度、开采煤柱宽度，在若干留设煤柱 1与开采煤柱2之间掘出若干个平巷3;在每个平巷3底部中心线铺设若干个压力传感器4; 3) 平巷隔离和充填:在所述平巷3的端头分别设置带有若干充填孔的隔离挡5,其宽度 大于平巷3的宽度，高度与煤层厚度一致，所述隔离挡板5与所述平巷3两侧的煤柱端头煤壁 紧密接触，然后按照顺序通过各自对应的隔离挡板5的充填孔依次对平巷3进行充填形成充 填墙10; 4) 开采煤柱的回收:根据所述若干个平巷3内压力传感器4的信号，待充填墙达到最大 强度稳定后，进行开采煤柱2的回收，具体地根据充填顺序，最先充填的三个平巷内充填墙 最先达到稳定，因此先回收第二平巷和第三平巷之间的第一开采煤柱，在第一开采煤柱的 两侧分别掘出工作面运输大巷7和轨道大巷8,进行第二开采煤柱的回收，以此类推进行后 续开采煤柱的回收。
[0011] 作为优选的方式，步骤3)中隔离挡板5靠近运输大巷的一侧设置若干戗柱6，以防 止充填墙10压力过大造成隔离挡板5的倒塌。
[0012] 本实施例中，具体描述本发明的实施过程。
[0013] 1)前期计算： a. 首先确定在未施加充填墙加固作用下，煤柱留设尺寸； 在未施加充填墙加固作用下，设开采宽度为匕，则根据M-C准则可知留设煤柱尺寸&1为 (
式中：为煤层侧压系数，一般为
为煤层泊松比;A为煤层的厚度；忍为采深； K是上覆岩层的平均容重;c为煤层内聚力；麥为煤层内摩擦角#为安全系数，一般取1.5-3。；爲为对煤柱的侧向约束力，未支护的条件下为0。因此公式(1)可修正为；
b. 选择合适的充填墙材料及确定充填墙宽度； 充填墙材料抗压强度需满足公式： 要保证充填墙对煤柱提供足够大的侧向约束力，又要有效地分担煤柱承载载荷，根据 摩尔库伦及金尼克假说可知充填墙的抗压强度须满足：
式中：L为第j层岩层的容重，从直接顶到地表，直接顶妒1;为第&层岩层的厚度；f 为充填墙的泊松比，其他的同式(1)。
[0014] 为了节约充填墙材料和充填费用，可取：
充填墙宽度A确定
式中：i为采动影响因子；可取分别为充填墙上、下与顶底板接触的 摩擦角;其他的同式(1)、（2)和(3)。
[0015] c ·减小煤柱尺寸▲ 充填墙主要从两个方面提升煤柱性能，分别是对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷。 因此，煤柱可减小尺寸也应从两方面考虑； 侧向约束力可减小煤柱尺寸：
承担载荷可减小煤柱尺寸：
因此，留设煤柱可减小
因此，在充填墙加固作用下，若留设煤柱宽度^不变，为：
的话，开采宽度为为
2)平巷掘进施工： a.平巷掘进：图1和图2分别为平巷掘进的剖面图和平面图。在煤层中掘出若干个平巷 3,其宽度为Xn,，高度为h(煤层的厚度），别标号1，2,……11-1，11。设0<1<11，当1为偶数时，第 X平巷与第x-1平巷之间为留设煤柱1，其尺寸为a;第X平巷与第x+1平巷之间为开采煤柱2， 其尺寸为b;当X为奇数时，第X平巷与第x-1平巷之间为开采煤柱2，其尺寸为b;第X平巷与第 x+1平巷之间为留设煤柱1，尺寸为a。然后在平巷3底部中心线铺设压力传感器4,其间距为 m，L为煤层的走向长度。
[0016] b.平巷隔离和充填：图3为平巷隔离平面图，图4为平巷充填剖面图。在平巷3的端 头分别设置带有充填孔的隔离挡板5,其宽度大于平巷4的宽度，高度为h(煤层的厚度）。隔 离挡板5与平巷3两侧的煤柱端头煤壁务必紧密接触，若有间隙可塞入泡沫板。然后在隔离 挡板5的靠近运输大巷的一侧设置戗柱6,以防止充填强压力过大造成隔离挡板5的倒塌。平 巷隔离好后按照第一平巷、第二平巷，……第n-1平巷，第η平巷的顺序进行充填，充填材料 通过隔离挡板5的充填孔注入平巷3。
[0017] 3)开采煤柱的回收： 根据平巷3内埋设的压力传感器4的信号，待充填墙稳定后即达到最大强度时，进行开 采煤柱2的回收。根据充填顺序可知，第一平巷、第二平巷和第三平巷内的充填墙最先达到 稳定，因此先回收第二平巷和第三平巷之间的开采煤柱2。在开采煤柱2靠近第二平巷和第 三平巷的一侧分别掘出工作面运输大巷7和轨道大巷8，进行开采煤柱2的回收，如图5所示。 待第二平巷和第三平巷之间的开采煤柱2回收完之后，接着进行第四平巷和第五平巷之间 的开采煤柱2的回收，直到第η-2平巷和第n-1平巷之间的开采煤柱回收。
[0018] 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。
【主权项】
1. 一种充填墙提升煤柱性能的施工方法，其特征在于，通过如下步骤实现： 前期计算:确定留设煤柱宽度、充填墙宽度和开采煤柱宽度，同时确定充填墙的材料； 平巷掘进施工：在煤层中根据计算的留设煤柱宽度、开采煤柱宽度，在若干留设煤柱 (1)与开采煤柱(2)之间掘出若干个平巷(3);在每个平巷(3)底部中心线铺设若干个压力传 感器(4); 平巷隔离和充填:在所述平巷(3)的端头分别设置带有若干充填孔的隔离挡板(5)，其 宽度大于平巷(3)的宽度，高度与煤层厚度一致，所述隔离挡板(5)与所述平巷(3)两侧的煤 柱端头煤壁紧密接触，然后按照顺序通过各自对应的隔离挡板(5)的充填孔依次对平巷(3) 进行充填形成充填墙(10); 开采煤柱的回收:根据所述若干个平巷(3)内压力传感器(4)的信号，待充填墙达到最 大强度稳定后，进行开采煤柱(2)的回收，具体地根据充填顺序，最先充填的三个平巷内充 填墙最先达到稳定，因此先回收第二平巷和第三平巷之间的第一开采煤柱，在第一开采煤 柱的两侧分别掘出工作面运输大巷(7)和轨道大巷(8)，进行第二开采煤柱的回收，以此类 推进行后续开采煤柱的回收。2. 根据权利要求2所述的一种充填墙提升煤柱性能的施工方法，其特征在于，步骤3)中 隔离挡板(5)靠近采区运输大巷9的一侧设置若干戗柱(6)。
【专利摘要】本发明公开了一种填充墙提升煤柱性能的施工方法，涉及煤矿条带开采领域，结合了巷采、充填开采和条带开采多种开采方式，使得充填墙分别从开采煤柱侧向约束和分担开采煤柱承载载荷两个方面实现了对于煤柱性能的提升，协调了减少煤柱尺寸与煤柱稳定性的关系，提高了条带开采的采出率；平巷内设置的压力传感器，可有效监测充填墙的稳定性，为进行开采煤柱的回收提供依据；回收开采煤柱时，由于在开采煤柱两侧掘出工作面运输大巷和轨道大巷，只需要在煤壁的一侧进行支护，充填墙一侧不需要支护，降低了巷道支护成本。
【IPC分类】E21F15/04, E21C41/18, E21F15/00
【公开号】CN105464665
【申请号】CN201510936436
【发明人】陈绍杰, 尹大伟, 刘勇, 任凯强, 屈晓, 郭赛, 郭宇航, 朱彦, 刘小岩
【申请人】山东科技大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月16日