三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法，属于煤矿充填开采领域。本发明专利技术解决了以往煤炭开采方法进行“三下”遗留煤炭资源回收存在的煤炭资源回收率不高、系统复杂、技术要求高等问题。本发明专利技术包括地面配料系统、充填浆料运输系统、井下连采连充开采系统、连采连充自动化控制系统四部分，地面配料系统利用粉煤灰作为充填原料，解决了环境污染问题；充填浆料运输系统主要布置在专用管子道中，减少充填浆料运输对原始生产系统干扰；井下连采连充开采系统将支巷分为3组，组内支巷进行全部充填，连采连充自动化控制系统实现了连采连充浆料制备、运输的自动化控制。本发明专利技术的煤炭资源回收率高、地面沉陷控制效果好。地面沉陷控制效果好。地面沉陷控制效果好。

【技术实现步骤摘要】
三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法


[0001]本专利技术涉及一种三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法，属于煤矿充填开采


技术介绍

[0002]稀缺煤炭资源是我国经济社会发展的重要物质基础，能否实现优质炼焦煤等稀缺煤炭资源的充分回采事关国计民生和国家安全。随着煤炭资源的持续大规模开采，部分开采稀缺煤炭资源的矿井面临着资源枯竭、需要对建筑物下、铁路下和水体下(简称“三下”)稀缺遗留煤炭资源回收的问题。一方面，使用长壁采煤法不适合遗留煤炭资源复杂的赋存状况，不能布置完整的长壁开采工作面；另一方面，使用短壁采煤法虽不会造成地表显著变形，但因其需要留设较多煤柱，故煤炭回采率不高，不利于稀缺煤炭资源的高效回收。
[0003]中国专利CN104775817B公开了一种全负压连采连充分步置换“三下”采煤法，该专利技术从空间上将掘、采、充三个工序分布到不同支巷，进行了有效隔离、互不影响、安全程度大大提升；采用充填矸石胶带输送机和抛矸机在回采完毕后的支巷内充填，实现采充平行作业。此采煤方法在开采支巷时，上分层采用掘进机掘进，下分层采用连采机后退式卧底开采，步骤烦琐且效率低，不利于稀缺煤炭资源的高效回收；支巷间煤柱固定为5m，不能适应不同的围岩赋存状况，可能导致支巷变形等问题；充填过程为考虑管路内剩余充填物的问题，工人操作熟练度的不同会造成充填浆料不同程度的浪费。
[0004]中国专利CN110905506B公开了一种煤矿井筒下压煤奇偶分区循环连采连充开采方法，该方法是老旧矿井解决资源枯竭问题的重要方法，也是煤炭企业贯彻绿色开采理念的思路。但是，此连采连充开采方法将开采范围的煤层划分为等宽等长矩形状的奇偶区，不适用于遗煤回采工作面形状不规则、面积大小不一的情况。
[0005]中国专利CN111396051B公开了一种无人智能化连采连充保水采煤方法，该方法改进了连采连充采掘面采煤工艺与充填工艺，优化了全过程负压通风路线，可实现破煤、装煤和运煤的高效作业，以及采掘面的高效率、高质量充填。与此同时，该方法能够智能识别煤岩体，实现采掘面无人智能化采煤，充填体与煤柱协同支撑顶板可有效控制覆岩运移，从而保护覆岩含(隔)水层结构不发生破坏。然而，此方法在每个工作面需要额外掘进两条回风巷，不适用于遗煤回采工作面形状不规则、面积大小不一的情况。
[0006]中国专利CN111927541B公开了一种连采连充矸石条带充填高压注浆开采方法，此方法采用抛矸机从回风巷向连采条带内进行抛矸并进行高压注浆，且对充填条带数的50％的相邻条带不作充填处理，无法完全控制地表沉陷量，无法保证地表工业广场建筑物的安全；工艺步骤多，工人劳动量大。
[0007]因此，急需一种适用于井下不规则形状煤柱回收的三下遗煤的开采系统与方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在提供一种三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法，可以实现煤矿
三下稀缺遗煤的绿色高效回收；适用于遗煤回采工作面形状不规则、面积大小不一的情况。
[0009]本专利技术提供的三下遗煤连采连充绿色高效开采系统与方法，创新点如下：
①
适应性强：工作面布置不受空间制约，形状不限于传统的矩形，可实现全地形不规则边界煤柱回采；地面配料系统可解决井下空间不足，无法布置设备进行充填原料预处理的问题；充填管道布置于专用钻孔和专用管子道中，大幅减少煤炭资源回采过程对煤矿原有生产系统的干扰；
②
绿色环保：将粉煤灰、煤矸石等废料作为原料，通过地面配料系统加工成充填所需的胶结充填浆料，可有效减少煤矸石、粉煤灰等固体废弃物排放量，降低充填成本并提高投资回报率；
③
集成度高，便于实现自动化：地面配料系统集成度较高，控制阀门采用气动控制，可实现远程自动化控制；支巷未充填空间信息采用毫米波雷达传感器实时监测，通过连采连充自动化控制系统实时比对“支巷未充填空间
×
备用系数(1.0～1.5)”与“充填浆料充满充填浆料运输系统所需的体积”间的大小关系，提前决策地面配料系统的停止输送浆料时间，降低了充填浆料浪费量；
④
安全可靠：根据不同的稀缺煤炭资源赋存与回采条件，1号支巷与开切眼间保持一定的垂直最短距离，与此同时支巷与运输巷道间保持一定的夹角，可实现有效预防支巷变形条件下不规则边界区域的稀缺煤炭资源回收。
[0010]本专利技术提供了一种三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，包括地面配料系统、充填浆料运输系统、井下连采连充开采系统、连采连充自动化控制系统。
[0011](1)地面配料系统：
[0012]在地面布置地面配料系统，其中，地面配料系统包括胶结材料输送计量装置、粉煤灰输送计量装置、水输送计量装置和充填浆料搅拌加压装置；
[0013]所述胶结材料输送计量装置包括由上至下依次连接的胶结材料粉料筒仓、胶结材料计量斗、胶结材料插板控制阀、胶结材料输送机；所述粉煤灰输送计量装置由上至下安装有粉煤灰粉料筒仓、粉煤灰计量斗、粉煤灰插板控制阀、粉煤灰输送机；所述水输送计量装置由上至下安装有水池、水计量斗、水插板控制阀；所述充填浆料搅拌加压装置由上至下安装有充填浆料搅拌机、充填浆料加压输送器；水输送计量装置位于充填浆料搅拌加压装置上方，胶结材料输送计量装置和粉煤灰输送计量装置位于充填浆料搅拌加压装置两侧；所述胶结材料插板控制阀、粉煤灰插板控制阀、水插板控制阀采用气动控制。
[0014](2)充填浆料运输系统：
[0015]在地面布置充填浆料地面管路，在井下布置充填浆料缓冲池、充填浆料井下主管路、充填浆料井下工作面管路，在地面与井下之间布置充填浆料下放管路；在地面开凿充填专用钻孔，在井下开凿专用充填管子道；
[0016]所述充填浆料地面管路、充填浆料下放管路、充填浆料井下主管路、充填浆料井下工作面管路采用耐磨硬管；充填浆料地面管路的沿线最高点处设置垂直地面向上的气动自动控制排气阀；充填浆料地面管路沿线和充填浆料井下主管路沿线采用可以减小沿程损失的光滑内壁管道；充填浆料地面管路与充填浆料加压输送器和充填浆料下放管路连接处、充填浆料井下主管路与充填浆料井下工作面管路连接处采用可以减小局部损失措施的弯管；所述充填专用钻孔上出口位于地面，下出口位于专用充填管子道；所述充填浆料下放管路布置在充填专用钻孔中，管道以外的钻孔区域采用水泥进行固定充实；所述充填浆料井下工作面管路布置在充填开采工作面的相对标高较高一侧的回风巷道内。
[0017](3)井下连采连充开采系统：
[0018]在井下三下遗煤开采区域布置井下连采连充开采系统，所述井下连采连充开采系统包括运输巷道、回风巷道、开切眼、支巷、运输大巷、轨道大巷、回风大巷；
[0019]所述运输巷道、回风巷道、开切眼位于井下三下遗煤开采区域边缘；所述运输巷道一端与运输大巷连接，另一端与开切眼连接；所述回风巷道一端与轨道大巷和回风大巷连接，另一端与开切眼连接；所述开切眼一端与运输巷道连接，另一端与回风巷道连接；所述运输巷道用于进风和煤炭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，其特征在于：包括地面配料系统、充填浆料运输系统、井下连采连充开采系统、连采连充自动化控制系统；所述地面配料系统包括胶结材料输送计量装置、粉煤灰输送计量装置、水输送计量装置和充填浆料搅拌加压装置；胶结材料输送计量装置包括胶结材料粉料筒仓、胶结材料计量斗、胶结材料插板控制阀、胶结材料输送机；粉煤灰输送计量装置包括粉煤灰粉料筒仓、粉煤灰计量斗、粉煤灰插板控制阀、粉煤灰输送机；水输送计量装置包括水池、水计量斗、水插板控制阀；充填浆料搅拌加压装置包括充填浆料搅拌机、充填浆料加压输送器；胶结材料输送计量装置、粉煤灰输送计量装置、水输送计量装置分别通过各自的输送机与充填浆料搅拌加压装置连接；分别对胶结材料、粉煤灰、水进行定量称取，并控制上述材料进入充填浆料搅拌加压装置中；经过搅拌和加压操作后，通过充填浆料运输系统运到充填开采工作面；充填浆料运输系统用于将充填浆料从地面配料系统运至充填工作面的充填浆料运输系统，包括充填浆料缓冲池、充填浆料地面管路、充填浆料下放管路、充填浆料井下主管路、充填浆料井下工作面管路；充填浆料地面管路入口处与充填浆料加压输送器连接，出口处与充填浆料下放管路连接；充填浆料地面管路沿线坡度不超过3
‰
且转弯处采用带导流片的弯管进行过渡；在充填浆料地面管路沿线最高点处，垂直地面向上安装气动控制自动排气阀，用于排出管道内多余气体；在地面开设充填专用钻孔，在充填专用钻孔中布置充填浆料下放管路，充填浆料下放管路与充填浆料地面管路连接处采用带导流片的弯管进行过渡；充填专用钻孔底部落平处布置充填浆料缓冲池，用于缓冲充填浆料通过充填浆料下放管路向下运输过程中产生的能量，充填浆料下放管路和充填浆料井下主管路通过充填浆料缓冲池相连接；井下连采连充开采系统包括运输巷道、回风巷道、开切眼、运输大巷、轨道大巷、回风大巷，其中，运输大巷用于进风和煤炭资源外运，轨道大巷用于进风、行人和材料运输，回风大巷用于回风；充填开采工作面布置在上述三条大巷的一侧，沿三下遗煤开采区域边界布置运输巷道、回风巷道和开切眼；运输巷道位于相对标高较低一侧，巷道两侧分别与运输大巷和开切眼相连；回风巷道位于相对标高较高一侧，巷道一侧与回风大巷和轨道大巷相连，回风巷道一侧与开切眼相连；运输巷道与回风巷道通过开切眼相沟通；井下连采连充开采系统将支巷分为3组，组内支巷进行全部充填，支巷与回风巷道连接处的巷道顶板位置安装毫米波雷达传感器，实时感知测量支巷体积数据并上传到地面指挥室；连采连充自动化控制系统包括数据获取模块、数据计算分析模块和设备控制模块；所述数据获取模块，对毫米波雷达传感器获取的支巷空间信息进行实时接收；所述数据计算分析模块，利用所述数据获取模块获得的数据，进行计算分析，对支巷未充填空间与充填浆料运输系统的容积大小关系进行判断，并将信号传输至设备控制模块；所述设备控制模块，对地面配料系统和充填浆料运输系统进行自动化控制。2.根据权利要求1所述的三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，其特征在于：充填浆料地面管路、充填浆料下放管路、充填浆料井下主管路全程采用无缝钢管材质，充填浆料井下工作面管路末端采用变径，将无缝钢管转换为可移动的软管，其余部分采用无缝钢管材质。3.根据权利要求1所述的三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，其特征在于：在井下新掘进小断面充填管子道，充填浆料井下主管路沿充填管子道地面布置，出口为轨道大巷，充
填浆料井下主管路通过轨道大巷分别与各充填开采工作面的充填浆料井下工作面管路相连接；管路转弯处采用带导流片的弯管进行过渡。4.根据权利要求1所述的三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，其特征在于：沿开切眼至三条大巷方向布置28条与运输巷道呈α夹角的支巷，0
°
＜α≤90
°
；其中，28条支巷互相平行，宽度相同，第一条支巷距离开切眼间保留煤柱，第一条支巷与开切眼的垂直距离最短处为a米，0＜a≤25m。5.根据权利要求1所述的三下遗煤连采连充绿色高效开采系统，其特征在于：所述数据获取模块获取的支巷空间信息包括充填浆料在支巷内逐渐充实过程中形成的水平面的表面积S、所述水平面至支巷与回风巷道连接处的支巷顶板正上方所在平面的垂直距离H1、支巷顶板长度x1、支巷底板与水平面夹角β、支巷高度H、支巷宽度W；对充填浆料运输系统的容积V1进行收集；数据计算分析模块，计算分析过程包括以下内容：1)计算支巷在水平面投影长度L＝x1·
cosβ；2)计算所述水平面与支巷两帮相交形成的交线长度L1＝S/W；3)判断支巷类型，当x1·
sinβ＞H时，为类型1；当x1·
sinβ＝H时，为类型2；当x1·
sinβ＜H时，为类型3；4)计算未充填空间体积V，支巷为类型1且H1≤H时，V＝L1·
H1/2；支巷为类型1且H＜H1≤x1·
sinβ时，V＝L1(H1‑
H/2)；支巷为类型1且x1·
sinβ＜H1≤x1·
sinβ+H时，支巷为类型2且H1≤H时，V＝L1·
H1/2；支巷为类型2且H＜H1≤2H时，支巷为类型3且H1≤x1·
sinβ时，V＝L1·
H1/2；支巷为类型3且x1·
sinβ＜H1≤H时，V＝L(H1‑
x1·
sinβ/2)；支巷为类型3且H＜H1≤x1·
sinβ+H时，5)判断V1是否≥(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国贞，陈佳鑫，梁卫国，李嘉栋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：