西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填方法

技术领域

本发明涉及煤矿一种西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填方法，尤其适用于顶板 自稳性能较好、后方能形成一定尺度空场的采煤工作面。

背景技术

西部沙漠化矿区以煤层埋藏浅、开采厚度大、基岩厚度薄、风积沙松散层厚为地质构造 特征，并有风积沙松散层内含水层局部较厚的水文地质特征，在这种条件下开采不仅容易引 起覆岩破坏和地表沉陷，而且易导致重大突水或溃沙等灾害事故。工程实践表明，突水或溃 沙掩埋工作面或巷道，已是威胁矿井安全的主要隐患之一。而充填开采是解决覆岩破坏、地 表沉陷、突水和溃沙等问题的最直观和有效的方法。

目前国内外煤矿充填开采按充填材料不同主要分为3类：矸石、粉煤灰、黄土等固体充 填技术，膏体、似膏体充填技术，高水、超高水材料充填技术。这3类方法在不同程度地解 决了上述问题。其中固体充填技术由于其机械化程度相对高、回采率高等优点而得到广泛地 推广。但是目前固体充填在工业广场设流沙井，而部分采区离工业广场远，造成井下运料路 线长，运料能力不足，运料系统可靠性大大受限，且占用井下原本有限的空间和运料能力， 因此生产效率不高。同时投入的设备较多，成本较高。研究一种风积沙充填法，在西部沙漠 化矿区具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要解决现有充填技术中存在的问题，提供一种西部沙漠化矿 区浅埋煤层的风积沙空场充填方法，利用风积沙充填来解决覆岩破坏、地表沉陷、突水和溃 沙等问题，从而提高生产效率，减少投入设备，降低充填成本。

技术方案：本发明的西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填法，包括如下步骤：

a、根据煤层赋存特征和开采技术条件，确定采煤工作面和流沙井的技术参数；

b、分布式定点钻井：在采煤工作面和开采后形成的空场上方间隔排列施工多个通向地表 的流沙井；

c、地表定量运料：在地表围绕流沙井布置耙沙绞车，将周围风积沙耙运到流沙井中，控 制风积沙流量，并保证流沙井及其周围的稳定、安全；

d、工作面循环作业：随着采煤作业的推进，在井下周期来压之前，分段充填空场，实现 风积沙对空场的充填；

若风积沙自流性较差时，布置可移动梭式摊平系统，辅助完成充填作业；所述可移动梭 式摊平系统包括耙沙绞车、耙斗、滑轮、滑轮轨道，耙斗经钢丝绳分别与耙沙绞车和滑轮相 连，在采煤工作面两侧的沿空巷道顶板架设滑轮轨道，在底板布设绞车轨道，将耙沙绞车骑 于绞车轨道上，随着采煤工作面推进，控制耙斗在空场内往复梭式运动，从而将流沙井下方 投料形成的沙堆均匀地摊平，并及时充填空场，充填空场后，耙沙绞车沿绞车轨道向采煤工 作面移近，同时滑轮沿滑轮轨道向采煤工作面移近。

所述流沙井的钻井直径不低于风积沙下落时的当量直径d₀，当量直径式中A 为产煤能力，钻井直径一般取200～400mm，风积沙流量一般取0.04～0.20m³/s。

所述采煤工作面的长度受井下耙沙绞车容绳量限制，不超过100m。

所述空场沿走向的距离较宽，顶板自稳性能较差时，采用临时支护手段提高顶板强度， 以延长自稳时间。

所述流沙井的间距受井下耙沙绞车容绳量限制，一般不超过100m、不低于5～15m。

所述流沙井的排距与空场在采煤工作面推进方向自稳跨距、工作面周期来压歩距一致， 一般不超过10～40m，以尽量减少风积沙在采煤工作面推进方向上的搬运距离；其中：工作面 周期来压歩距由式确定，式中：L_lS为老顶周期来压歩距；R_T为老顶岩层抗 拉强度；q为老顶岩梁所受载荷；h为老顶岩层的单层厚度。

有益效果：本发明利用地表钻井到浅埋煤层工程量小和地表风积沙自流性能好的特征， 在采煤工作面开采后形成的空场上方布置钻井，直接将风积沙灌入空场，实现充填。本方法 为我国西部沙漠化矿区绿色开采开辟了一条新的技术途径，其生产效率高，投入设备少，充 填成本低。具体优点如下：

1、采用风积沙充填法，能够有效地解决覆岩破坏、地表沉陷问题，缓解突水溃沙，改善 西部矿区环境；

2、由于西部埋藏浅，上覆松散层厚，基岩薄，钻井工程量小，成本低，周期短，且极大 缩短了运料路线，基本不占用井下空间，大大提高了生产效率；

3、西部沙漠化矿区风积沙广布，便于就地取材，降低了充填成本；

4、可移动梭式摊平系统简单易操作，摊平风积沙后，高效充填或部分充填空场，空隙率 低，密实度大，充填效果好；

5、尤其适用于顶板自稳性能较好、后方能形成一定尺度空场的采煤工作面；顶板自稳性 能较差时，采用临时支护手段后也可适用。

附图说明

图1是本发明的西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填法俯视示意图。

图2是本发明的西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填法剖面示意图。

图3是本发明的西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填法立体示意图。

图中：1-流沙井，2-耙沙绞车，3-耙斗，4-滑轮，5-滑轮轨道，6-绞车轨道，7-沿空巷道， 8-采煤工作面，9-空场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

本发明的西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填方法，具体步骤如下：

a、根据煤层赋存特征和开采技术条件，确定采煤工作面8和流沙井1的技术参数；

b、分布式定点钻井：在采煤工作面8和开采后形成的空场9上方间隔排列施工多个通向 地表的流沙井1；

c、地表定量运料：在地表围绕流沙井1布置耙沙绞车，将周围风积沙耙运到流沙井1中， 控制风积沙流量，并保证流沙井1及其周围的稳定、安全；

d、工作面循环作业：随着采煤作业的推进，在井下周期来压之前，分段充填空场(9)， 实现风积沙对空场的充填；

若风积沙自流性较差时，布置可移动梭式摊平系统，辅助完成充填作业；所述可移动梭 式摊平系统包括耙沙绞车2、耙斗3、滑轮4、滑轮轨道5，耙斗3经钢丝绳分别与耙沙绞车 2和滑轮4相连，在采煤工作面8两侧的沿空巷道7顶板架设滑轮轨道5，在底板布设绞车轨 道6，将耙沙绞车2骑于绞车轨道6上，随着采煤工作面8推进，控制耙斗3在空场9内往 复梭式运动，从而将流沙井1下方投料形成的沙堆均匀地摊平，并及时充填空场9，充填空 场9后，耙沙绞车2沿绞车轨道6向采煤工作面8移近，同时滑轮4沿滑轮轨道5向采煤工 作面8移近。

所述流沙井1的钻井直径不低于风积沙下落时的当量直径d₀，当量直径式 中A为产煤能力，钻井直径一般取200～400mm，风积沙流量一般取0.04～0.20m³/s。

所述采煤工作面8的长度受井下耙沙绞车容绳量限制，一般不超过100m。

所述空场9沿走向的距离较宽，顶板自稳性能较差时，采用临时支护手段提高顶板强度， 以延长自稳时间。

所述流沙井1的间距受井下耙沙绞车容绳量限制，一般不超过100m、不低于5～15m。

所述流沙井1的排距与空场9在采煤工作面8推进方向自稳跨距、工作面周期来压歩距 一致，一般不超过10～40m，以尽量减少风积沙在采煤工作面推进方向上的搬运距离；其中： 工作面周期来压歩距由式确定，式中：L_lS为老顶周期来压歩距；R_T为老顶 岩层抗拉强度；q为老顶岩梁所受载荷；h为老顶岩层的单层厚度。

实例1、

(1)西部某矿埋深约65m，风积沙松散层厚约45m，基岩厚约20m，煤容重γ为1.3t/m³。 设计采煤工作面8长度L为90m，采高H为5.2m。空场顶板自稳性能较好。平均周期来压步 距15m，取流沙井排距15m，按1-1布置，并布置以耙沙绞车为主的可移动梭式摊平系统。

(2)在采煤工作面8两侧的沿空巷道7各布置1台耙沙绞车2，耙斗3容积V₀＝1.2m³， 耙斗3总数n为2个，绞车容绳量100m，耙斗3平均工作速度v_t为1.2m/s，每日摊平充填作 业时间0.5d，采煤作业时间0.5d，年工作日330d，可推导出日摊平体积计算公式为 v_dt＝n×V₀/(L/v_t)。易知投料形成的沙堆体积V＝π×H×r²/3，其中r＝H×cot α，α为风积沙的 自然堆积角，取α＝32°。所以根据等体积部分充填原理，令充填率β＝0.8，可以推导出工作面 理论产煤能力计算公式为A＝330×(v_dt+V)×γ×0.5/β，最大推进度v₀＝A/[330×H×L×γ]。代入数 据计算得到工作面理论产煤能力A＝83.2万t/a，最大推进度v₀＝4m/d。代入风积沙下落时的当 量直径计算公式得出其当量直径d₀＝180mm。代入风积沙下落流量计算公式 Q＝v₀×L×H/43200，得出其流量Q＝0.045m³/s。故流沙井钻井直径可取250m，流量控制在 0.04～0.05m³/s。

(3)在采煤工作面8两侧的沿空巷道7顶板架设滑轮轨道5，在底板布设绞车轨道6， 将耙沙绞车2骑于绞车轨道6上，随着采煤工作面8推进，控制耙斗3在空场9内往复梭式 运动，从而将流沙井1下方投料形成的沙堆均匀地摊平，并及时充填空场9，充填空场9后， 耙沙绞车2沿绞车轨道6向采煤工作面8移近，同时滑轮4沿滑轮轨道5向采煤工作面8移 近。