煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统，首先在工作面上方的直接顶岩层中施工沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，在水平定向长钻孔中下入套管，形成充填膏体的充注通道；开始工作面回采，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，向采空区注入充填膏体；实时监测采空区的充填情况和套管位置，当套管前段埋入采空区的充填膏体中时，割断套管，使套管前段的出浆口始终出露在采空区；当充填量达到设计要求时，停止充填；实现了对采空区上覆岩层减沉、控沉的目的，从而解决因采煤引起的地表塌陷、水资源流失、地表生态环境破坏、地面建筑损坏等问题。

【技术实现步骤摘要】
煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统
本专利技术属于煤矿开采
，具体涉及一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统。
技术介绍
煤炭开采后顶板常规处理方式为自然垮落，采区上覆岩层垮落会导致地表沉降、地下水资源破坏、瓦斯灾害、煤自燃等问题，引起生态环境破坏、生产安全风险；同时，采出矸石堆放和处理给煤矿区环保带来压力。充填开采作为一种解决采区覆岩沉降引起上述问题的技术途径，越来越受到重视，但当前常用的充填开采方式是在工作面推进到预定距离后停采，然后开始对采空区进行充填，俗称“串联”充填，待充填凝固后开始回采，依次重复完成作业，由此带来采充接替矛盾突出，造成采煤工作面效率低、原煤产量低，无法适应现代化高产矿井的生产需求。另外，中煤科工集团西安研究院有限公司的地面定向长钻孔采充并行非沉降采煤方法，以地面水平梳状孔为充填逐渐通道，是实现综采工作面采空区充填的一种有效方式，但也面临着梳状侧分支井眼密度较大、工程造价较高的问题。因此，为解决煤矿高强度开采带来的生态环境破坏和采充接替矛盾的问题，实现煤矿高效开采工作面的低成本、及时充填，亟需开发一种适合现代化高产矿井的环境友好型生态开采新方法。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法及系统，解决目前综采工作面采空区上覆岩层塌陷导致的生态破坏、生产安全风险，煤矿区固废(矸石等)处理难以及目前充填开采方式采充效率低、采充接续矛盾突出的问题。本专利技术的煤层顶板套管水平长钻孔架后随采随充生态采煤方法，包括：在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中进行地面水平孔定向钻进或井下水平孔定向钻进，在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成充填膏体的充注通道；在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；直至完成整个综采工作面作业。具体的，在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；实时监测采空区的充填情况和套管位置，当套管前段埋入采空区的充填膏体中时，割断套管，使套管前段的出浆口始终出露在采空区；当充填量达到设计要求时，停止充填。具体的，工作面回采过程中，当直接顶板岩层不易垮落时，在水平定向长钻孔中采用空气炮或水力切割的方式将直接顶岩层切割落入采空区。优选的，在进行工作面回采的液压支架后连接有用于遮挡充填膏体流入采煤作业区的挡护装置，所述挡护装置同液压支架同步移动。优选的，在进行工作面回采的液压支架后方设置有监测系统，用于监测套管出露长度和采空区的充填情况。优选的，在进行工作面回采的液压支架后方设置有切割装置，用于割断采空区的套管。本专利技术还公开了一种综采工作面采空区充填系统，包括：注浆通道、挡护装置和切割装置；所述注浆通道包括设置在煤层直接顶岩层中的水平定向长钻孔和设置在水平定向长钻孔中的套管，所述水平定向长钻孔沿综采工作面长度方向设置；所述挡护装置设置为靠近采空区一侧的充填体挡护结构，用于阻挡充填体流向煤壁一侧；所述切割装置用于切割采空区部分的套管。具体的，所述挡护装置包括挡板和连接挡板上的连接杆，连接杆与液压支架连接。进一步的，本专利技术的充填系统还包括监测装置，所述监测装置安装在液压支架后顶梁上，用于检测采空区情况。本专利技术还公开了煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤系统，包括采煤机、液压支架以及上述综采工作面采空区充填系统；所述挡护装置设置在液压支架位于采空区的一侧，所述切割装置连接在液压支架靠近后顶梁位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术实现了综采工作面随采随充，通过采空区部分及时充填，实现对采空区上覆岩层减沉、控沉的目的，从而解决因采煤引起的地表塌陷、水资源流失、地表生态环境破坏、地面建筑损坏等问题。(2)本专利技术中利用大直径水平长钻孔实现充填材料的充注，有效避免现有煤矿井下膏体充填面临的膏体输送距离远、充填能力低，以及地面直孔充填面临的钻孔数量多、地面建设多等问题。(3)本专利技术充填膏体主要以矸石、粉煤灰等固废为主料，将固废处理后混合制备成充填膏体注入采空区，一方面对采空区减沉、控沉发挥作用，另一方面解决了地面固废带来的环境污染、生态破坏问题。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明图1是实施例3的地面定向水平长钻孔示意图。图2是实施例3中煤层回采一定距离直接顶岩层垮落示意图。图3是实施例3中采空区第一次充填示意图。图4是实施例3的套管切割示意图。图5是实施例3采空区第二次充填示意图。图6是实施例4的煤矿井下定向水平长钻孔示意图。图7是实施例4中煤层回采一定距离直接顶岩层垮落示意图。图8是实施例4中采空区第一次充填示意图。图9是实施例4的套管切割示意图。图10是实施例4中采空区第二次充填示意图。图11是实施例2中工作面采空区充填系统结构示意图。图12是实施例中展示的水平井组布设示意图。图中各标号说明：1-注浆通道，2-挡护装置，3-切割装置，4-液压支架，5-采空区，6-监测装置，7-煤层伪顶岩层，8-直接顶岩层，9-老顶岩层；11-水平定向长钻孔，12-套管；21-挡板，22-连接杆；31-伸缩臂，32-割刀。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式本专利技术中的“随采随垮落”是指随着工作面的移动，采空区上方的顶板岩层因重力或其他外力作用下垮落至采空区。煤层顶板岩层一般都包括伪顶岩层7、直接顶岩层8和老顶岩层9。本专利技术在直接顶岩层8中设置水平定向长钻孔11。本专利技术的充填膏体主要以包括矸石和粉煤灰等固废为主料，可解决地面固废带来的环境污染、生态破坏问题。本专利技术基于随采随充、采空区部分充填或全充填的思路，提出一种煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，具体包括：步骤1，在待回采的综采工作面顶部的直接顶岩层中进行地面水平定向钻进或井下水平定向钻进，如图1和图6所示。在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成膏体的充注通道。本专利技术具体根据煤层埋深、地面条件等，选择地面水平长钻孔或者孔下定向水平长钻孔；根据综采工作面上方直接顶岩层分布、回采过程中直接顶板岩层垮落情况、充填材料特性、充填系统能力、钻进能力、工作面宽度与长度，设计水平定向长钻孔布孔层位、孔组数量、孔眼水平段长度。本专利技术的套管优选易切割材质的非金属套管，如PE材质，保证在回采后直接顶岩层及时垮落后能够弯曲下移、出露于采空区、易被切割，起到护孔、有利膏体输送流动。步骤2，开始工作面回采，当工作面回采一定距离(如实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，其特征在于，包括：在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中进行地面水平孔定向钻进或井下水平孔定向钻进，在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成充填膏体的充注通道；在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；完成整个综采工作面作业。/n

【技术特征摘要】
1.煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法，其特征在于，包括：在待回采的综采工作面煤层上方的直接顶岩层中进行地面水平孔定向钻进或井下水平孔定向钻进，在直接顶岩层形成沿综采工作面走向延伸的水平定向长钻孔，向水平定向长钻孔中下入套管，形成充填膏体的充注通道；在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；完成整个综采工作面作业。


2.如权利要求1所述的采煤方法，其特征在于，在工作面回采过程中，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，通过所述充注通道向采空区注入充填膏体；实时监测采空区的充填情况和套管位置，当套管前段埋入采空区的充填膏体中时，割断套管，使套管前段的出浆口始终出露在采空区；当充填量达到设计要求时，停止充填。


3.如权利要求1或2所述的采煤方法，其特征在于，工作面回采过程中，当直接顶板岩层不易垮落时，在水平定向长钻孔中采用空气炮或水力切割的方式将直接顶岩层切割落入采空区。


4.如权利要求1或2所述的采煤方法，其特征在于，在进行工作面回采的液压支架后连接有用于遮挡充填膏体流入采煤作业区的挡护装置，所述挡护装置同液压支架同步移动。


5.如权利要求1或2所述的采煤方法，其特征在于，在进行工作面回采的液压支架后方设置有监测系统，用于监测套管出露长度和采空区的充填情况。
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【专利技术属性】
技术研发人员：王海军，张群，姜在炳，贾立龙，刘磊，舒建生，范耀，庞涛，王博，吴信波，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61