西部浅埋煤层风积沙充填防治突水溃沙方法

技术领域

本发明属于煤矿充填开采防治突水溃沙领域，具体涉及用于西部浅埋煤层的利用风积沙进行充填的防治突水溃沙方法。

背景技术

西部新疆地区存在一些地表沙漠化的矿区，这些矿区的典型特征为煤层埋藏浅，基岩厚度小，基岩上部为沙漠化的松散层，在松散层的下部含有含水层。在这种地质条件下开采容易导致开采裂隙贯穿基岩，从而导致井下突水溃沙事故，且由于是沙漠化的松散层，松散层厚度大，突水溃沙事故大，发生事故后难于处理。

充填开采时解决突水溃沙事故的重要手段之一，目前成熟的充填技术有固体充填技术、膏体充填技术和高水材料充填技术，但是这些技术需要大量的水，不符合西部矿区缺水的实际环境。对此，相关学者进行了研究，如中国矿业大学张农团队提出了“西部沙漠化矿区浅埋煤层的风积沙空场充填方法”(专利CN103939137A)，新疆大学张志义教授提出倾斜煤层采空区刚柔条带相间充填无煤柱连续开采法(专利CN109322669A)，都是利用了风基沙作为充填材料，克服了西部矿区缺水的问题。

其中，专利CN103939137A的工作面布置方式与现有的采区布置相一致，采煤工作面两侧的沿空巷道一高一低，由于采空区的非封闭性，仅采用风积沙充填时受风积沙的流动性以及非固结性影响，充填入采空区的风积沙很容易流动至采煤工作面，从而为采出的煤带来杂质，不利于后续的选煤工作。同时充填入的风积沙难于充满，充填厚度小于煤层的采高，突水溃沙防治效果仍有提高的空间。

专利CN109322669A的工作面布置方式与现有的采区布置也一致，采煤工作面两侧的轨道平巷高运输平巷低，基于一高一低的倾向特征，利用风积沙的自溜性进行充填，为克服风积沙的流动性以及非固结性，采用膏体充填与风积沙充填间隔布置的方式。

上述研究为进行西部新疆地区沙漠化矿区的煤层开采提供了宝贵的建议，但是其对风积沙的自流特性以及采煤工作面的地质条件结合存在一定的不足，仍有改进空间，以进一步的提高生产效率节约充填成本。

发明内容

对于背景技术中所提出的技术问题，本发明提出的西部浅埋煤层风积沙充填防治突水溃沙方法，包括如下步骤：

a.测定风积沙的临界自溜角α，煤的临界自溜角β，以及煤层倾角γ；

b.当γ＜α时，采用采区布置方式，沿煤层走向布置工作面；煤层开采后在采煤工作面后方的采空区内，在每一个周期来压步距范围内通过膏体充填形成C形膏体充填体，在C形膏体充填体形成的闭合空间内，自地表向下垂直施工流沙井，将周围风积沙耙运到流沙井中充填形成风积沙充填体；

每充填完一个C形膏体充填体及其内的风积沙充填体后继续采煤，当回采完一个周期来压步距后停止采煤并进行充填，充填完成后再进行采煤，如此循环；

c.当β＞γ＞α时，采用带区仰采布置方式，沿煤层倾向布置工作面；煤层仰斜开采后在采煤工作面后方的采空区内，在每一个直接顶破断距内，自地表向下垂直施工流沙井，将周围风积沙耙运到流沙井中形成风积沙充填体；

充填工作滞后采煤工作面小于直接顶的破断距，充填工作与采煤工作不间断进行；

d.当γ＞β时，采用带区仰采布置方式，沿着煤层倾向掘进轨道巷和运输巷，并在远离大巷一侧通过切眼连通；沿着煤层倾向掘进下一工作面运输巷，在下一工作面轨道巷内施工溜煤巷，并在远离大巷一侧通过下一工作面切眼连通；下一工作面轨道巷与本工作面轨道巷之间留设区段煤柱，在区段煤柱内施工溜煤眼连通本工作面轨道巷与溜煤巷，溜煤眼向溜煤巷侧斜向下设置；煤层仰斜开采后在采煤工作面后方的采空区内，在每一个直接顶破断距内，自地表向下垂直施工流沙井，将周围风积沙耙运到流沙井中形成风积沙充填体；

充填工作滞后采煤工作面小于直接顶的破断距，充填工作与采煤工作不间断进行；采煤工作面每回采至某一溜煤眼，通过转载机将采煤工作面采出的煤自该溜煤眼转运至溜煤巷，再依次通过下一工作面切眼、下一工作面运输巷运出。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤b中，沿着煤层走向掘进轨道巷和运输巷并通过切眼连通，轨道巷位于煤层倾向的上部，运输巷位于倾向的下部，采出的煤经运输巷运出。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤b中，所述C形膏体充填体的上端紧邻原轨道巷形成沿空巷道作为作业空间，所述C形膏体充填体的下端紧邻运输巷形成沿空巷道作为作业空间，并作为下一工作面轨道巷，所述C形膏体充填体的靠近采煤工作面一端平行于采煤工作面。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤b中，采用临时支撑装置支撑直接顶，待C形膏体充填体对顶板形成支撑后回收临时支撑装置。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤b中，对于在轨道巷形成沿空巷道，每间隔一个或多个周期破断步距进行一次充填。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤c中，沿着煤层倾向掘进轨道巷和运输巷并通过切眼连通，所述切眼位于倾向的下部，采出的煤经运输巷运出。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤c中，下一工作面开采时，在下一工作面轨道巷与本工作面运输巷之间留设区段煤柱。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤d中，超前正在使用的溜煤眼的其他溜煤眼进行临时封堵，后方使用过的溜煤眼永久封闭。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤d中，所述溜煤巷的断面尺寸小于下一工作面轨道巷设计断面尺寸，下一工作面开采时，重新刷大溜煤巷断面尺寸至下一工作面轨道巷设计断面尺寸。

作为上述技术方案的进一步限定：

步骤d中，溜煤巷与下一工作面轨道巷同心布置，或者溜煤巷位于下一工作面轨道巷整体的左右方向中部，上下方向下部。

有益技术效果：本发明综合考虑煤层倾角，风积沙自溜角、煤的自溜角的关系确定了工作面的不同布置方案，克服了风积沙充填时风积沙向采煤工作面自溜的问题，同时大大提高了回采效率，与充填防治突水溃沙效果，特别适用于西部煤层埋深浅，基岩厚度小，基岩上部为沙漠化的松散层矿区。

附图说明

图1为本发明针对小角度煤层的工作面布置示意图；

图1中，轨道巷101、运输巷102、轨道上山103、运输上山104、采煤工作面105、流沙井106、风积沙充填体107、膏体充填体111。

图2为本发明针对中角度煤层的工作面布置示意图；

图2中，轨道巷201、运输巷202、轨道大巷203、运输大巷204、采煤工作面205、流沙井206、风积沙充填体207、下一工作面轨道巷211、区段煤柱214。

图3为本发明针对大角度煤层的工作面布置示意图；

图3中，轨道巷301、运输巷302、轨道大巷303、运输大巷304、采煤工作面305、流沙井306、风积沙充填体307、下一工作面轨道巷311、下一工作面运输巷312、下一工作面切眼313、区段煤柱314、溜煤巷315、溜煤眼316。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明做进一步说明。

本发明的西部浅埋煤层风积沙充填防治突水溃沙方法，用于西部煤层埋深浅，基岩厚度小，基岩上部为沙漠化的松散层矿区，包括如下步骤：

a.测定风积沙的临界自溜角α，采煤机采出的经破碎机破碎后的煤的临界自溜角β，以及煤层倾角γ，所述临界自溜角是指在该临界自溜角的倾斜面上，风积沙或者煤处于临界自溜状态，大于该临界自溜角时风积沙或者煤能够依靠重力自溜，小于该临界自溜角时无法自溜。由于经破碎机破碎后的煤粒径大于风积沙，且形状不规则，而风积沙形状规则且圆滑，因此风积沙的临界自溜角α一定小于煤的临界自溜角β。自溜角也可以理解为休止角的含义。

b.当煤层倾角γ小于风积沙的临界自溜角α时，即在这种煤层倾角γ下，风积沙不可以自溜；

采用采区布置方式，沿着煤层走向布置工作面，具体的沿着煤层走向掘进轨道巷101和运输巷102，其中轨道巷101与轨道上山103连通，运输巷102与运输上山104连通，然后在远离轨道上山103与运输上山104的一侧通过切眼连通轨道巷101和运输巷102，轨道巷101位于煤层倾向的上部，较浅，运输巷102位于倾向的下部，较深；

布置采煤机械后，开始采煤，采出的煤经运输巷102运出；

确定基本顶的周期来压步距，即确定基本顶的周期破断距，在采煤工作面105后方的采空区内，在每一个周期来压步距范围内通过膏体充填形成一个C形膏体充填体111；第一个C形膏体充填体111与切眼煤壁形成闭合空间，后续C形膏体充填体111与前一C形膏体充填体111形成闭合空间，所述C形膏体充填体111的上端紧邻原轨道巷101，形成沿空巷道作为作业空间，所述C形膏体充填体111的下端紧邻运输巷102，形成沿空巷道作为作业空间，并作为下一工作面轨道巷，所述C形膏体充填体111的左端平行于采煤工作面105；为防止直接顶破断，可以采用临时支撑装置支撑直接顶，待C形膏体充填体111对顶板形成支撑后回收临时支撑装置；

在C形膏体充填体111形成的闭合空间内，自地表向下垂直施工流沙井106，在地表围绕流沙井106布置耙沙绞车，将周围风积沙耙运到流沙井106中，控制风积沙流量，并保证流沙井及其周围的稳定、安全；将在C形膏体充填体111形成的闭合空间充填满后形成风积沙充填体107；流沙井106井的数量和直径根据回采与充填设计进度进行设置。

每充填完一个C形膏体充填体111及其内的风积沙充填体107后继续采煤，当回采完一个周期来压步距后停止采煤并进行充填，充填完成后再进行采煤，如此循环直至采完。

对于在轨道巷101形成沿空巷道，可以每间隔一个或多个周期破断距进行一次充填，首先施工膏体充填体111封闭在轨道巷101形成沿空巷道，然后再向封闭空间内自地表施工的流沙井106充填风积沙。

本步骤中，对于煤层倾角γ小于风积沙的临界自溜角α的小角度煤层，无法利用风积沙的自溜特性进行充填，但是堆积后的风积沙仍然会流动到采煤工作面105，因此采用膏体充填与风积沙充填间隔充填方式。且本发明创造性的提出C形膏体充填体111与风积沙充填体107搭配的技术方案，可以在原运输巷102处形成沿空留巷，作为下一工作面的轨道巷，相邻工作面之间无需留设区段煤柱，无需额外进行沿空留巷工作，即充填采空区与沿空留巷一次完成；虽然膏体充填影响了回采效率，但是提高了煤的采出率。由于在这种情况下的采煤和充填无法连续，因此选择一个周期来压步距作为一个采煤与充填周期，提高整体的回采效率。

c.当煤层倾角γ大于风积沙的临界自溜角α小于煤的临界自溜角β时，即在这种煤层倾角下，风积沙可以自溜，煤无法自溜；

采用带区仰采布置方式，沿着煤层倾向布置工作面，具体的沿着煤层倾向掘进轨道巷201和运输巷202，其中轨道巷201与轨道大巷203连通，运输巷202与运输大巷204连通，然后在远离轨道大巷203与运输大巷204的一侧通过切眼连通轨道巷201和运输巷202；其中轨道大巷203、运输大巷204位于煤层倾向的上部，较浅，切眼位于倾向的下部，较深；在切眼内布置采煤机械后，开始仰斜连续采煤；

确定直接顶的破断距，即确定直接顶不破断可以悬露的最大尺寸，在采煤工作面205后方的采空区内，在每一个直接顶破断距内，自地表向下垂直施工流沙井206，在地表围绕流沙井206布置耙沙绞车，将周围风积沙耙运到流沙井206中，充填后在采空区内形成风积沙充填体107；充填时控制风积沙流量，并保证流沙井及其周围的稳定、安全；充填工作滞后采煤工作面小于直接顶的破断距，充填工作与采煤工作不间断进行。流沙井206井的数量和直径根据回采与充填设计进度进行设置。

下一工作面开采时，在下一工作面轨道巷211与本工作面运输巷202之间留设区段煤柱214，下一工作面的开采充填方法与本工作面相同。

对于煤层倾角γ大于风积沙的临界自溜角α小于煤的临界自溜角β的中角度煤层，可以利用风积沙的自溜特性进行充填，布置仰斜开采工作面，充填入采空区内的风积沙会靠自溜流向采空区而远离采煤工作面，无需布置膏体充填体作为充填风积沙的挡墙，可以实现采煤与充填连续进行，流沙井沿倾向的间距为直接顶的破断布局，保证及时充填，采空区上部整个顶板都不会垮落。相邻工作面之间留设区段煤柱，虽然具有一定的煤损失，但是相比于沿空留巷大大提高了施工效率，整体经济效益会更好。同时由于煤层倾角γ大于煤的临界自溜角β，因此运输巷101内向上运输煤的过程中不会产生煤自溜的问题。

d.当煤层倾角γ大于煤的临界自溜角β时，即在这种煤层倾角下，风积沙可以自溜，煤也可以自溜；

采用带区仰采布置方式，沿着煤层倾向布置工作面，具体的沿着煤层倾向掘进轨道巷301和运输巷302，其中轨道巷301与轨道大巷303连通，运输巷302与运输大巷304连通，然后在远离轨道大巷303与运输大巷304的一侧通过切眼连通轨道巷301和运输巷302；其中轨道大巷303、运输大巷304位于煤层倾向的上部，较浅，切眼位于倾向的下部，较深；

沿着煤层倾向掘进下一工作面运输巷312并与运输大巷304连通，在下一工作面轨道巷311内施工溜煤巷315，然后在远离轨道大巷303与运输大巷304的一侧通过下一工作面切眼313眼连通轨道巷301和溜煤巷315；下一工作面轨道巷311与轨道巷301之间留设区段煤柱314，在区段煤柱14内施工溜煤眼316连通本工作面轨道巷与溜煤巷，溜煤眼316向溜煤巷315侧斜向下设置；

在切眼内布置采煤机械后，开始仰斜连续采煤；

确定直接顶的破断距，即确定直接顶不破断可以悬露的最大尺寸，在采煤工作面305后方的采空区内，在每一个直接顶破断距内，自地表向下垂直施工流沙井306，在地表围绕流沙井306布置耙沙绞车，将周围风积沙耙运到流沙井306中，充填后在采空区内形成风积沙充填体307；充填时控制风积沙流量，并保证流沙井及其周围的稳定、安全；充填工作面之后采煤工作小于直接顶的破断距，充填工作与采煤工作不间断进行。充填工作滞后采煤工作面小于直接顶的破断距，充填工作与采煤工作不间断进行。流沙井306井的数量和直径根据回采与充填设计进度进行设置。

采煤工作面每回采至某一溜煤眼316，通过转载机将采煤工作面采出的煤自该溜煤眼315转运至溜煤巷315，再依次通过下一工作面切眼313、下一工作面运输巷312运出，超前正在使用的溜煤眼316的其他溜煤眼进行临时封堵，后方使用过的溜煤眼313永久封闭。其中，所述溜煤巷315的断面尺寸小于下一工作面轨道巷311设计断面尺寸，减少煤自溜对巷道的破坏。下一工作面开采时，重新刷大溜煤巷315断面尺寸至下一工作面轨道巷311设计断面尺寸即可，其中优选，溜煤巷315与下一工作面轨道巷同心布置，或者溜煤巷315位于下一工作面轨道巷整体的左右方向中部，上下方向下部。下一工作面的开采充填方法与本工作面相同。

对于煤层倾角γ大于煤的临界自溜角β的大角度煤层，可以利用风积沙的自溜特性进行充填，布置仰斜开采工作面，充填入采空区内的风积沙会靠自溜流向采空区而远离采煤工作面，无需布置膏体充填体作为充填风积沙的挡墙，可以实现采煤与充填连续进行，流沙井沿倾向的间距为直接顶的破断步距，保证及时充填，采空区上部整个顶板都不会垮落。相邻工作面之间留设区段煤柱，虽然具有一定的煤损失，但是相比于沿空留巷大大提高了施工效率，整体经济效益会更好。由于煤层倾角γ大于煤的临界自溜角β，因此运输巷101内向上运输煤的过程中会产生煤自溜的问题，对此，创造性的提出超前掘进下一工作面运输巷312、下一工作面切眼313，并在下一工作面轨道巷内311内施工溜煤巷311，利用煤的自溜特性溜入下一工作面切眼313，然后在自下一工作面运输巷312运出。

虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。