分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法
专利汇可以提供分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积 水 复采蹬空 煤 层的方法，适用于煤柱间顶板冒落面积大、落石堆积采空区上覆蹬空 煤层 的复采，包括以下步骤：在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的 基础 上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结刀柱式残采区积水，使液相的水成为具有一定承载能 力 的 冰 ，充填采空区空间，将整个采空区积水、冒落岩 块 以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层复采。较传统的柱旁膏体充填开采，本发明大大减少了工程量，且无需设立地面注浆材料拌和站，进行充填 浆液 的拌和以及 泵 送等工作，所有辅助工作均在井下进行。，下面是分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法专利的具体信息内容。
1.一种分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：适用于煤柱间顶板冒落面积大、落石堆积的采空区，包括以下步骤：
在判别蹬空煤层上行开采可行性、探明刀柱式残采区煤柱群和空区群分布状况的基础上，遗留煤柱作为刀柱式残采区煤柱间积水的隔断，利用人工制冷技术分段冻结刀柱式残采区积水，使液相的水成为具有一定承载能力的冰，充填采空区空间，将整个采空区积水、冒落岩块以及遗留煤柱通过冻结连接成为一个整体，而后进行上覆蹬空煤层复采；
所述的分段冻结，是从煤柱端部起对三个煤柱间空区进行补充注水与冻结，形成第一个冻结区，然后再向煤柱端部起第四到第七个煤柱间空区进行补充注水与冻结，以此类推。
2.根据权利要求1所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性；
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产，结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测，同时探明空区中顶板垮落情况和矸石堆积面积与分布方位；
（3）在采空区地层沿空掘巷，掘进冻结辅助巷，同时在上覆煤层开掘蹬空煤层的回风与运输巷道，在蹬空煤层始采线附近，选择下伏采空区煤柱正上方的位置，进行蹬空煤层开切眼施工，布置蹬空煤层回采工作面；
（4）在步骤（3）中开掘的冻结辅助巷中布置冻结站，在巷道开掘的同时，率先将第一套冻结设备运抵冻结辅助巷进行安装，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；根据步骤（2）探明的采空区方位分布，在冻结辅助巷侧壁的区段煤柱段与残采区煤柱间空区对应的位置，由巷道侧壁垂直向采空区煤柱间空区钻孔，进行采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，因采空区积水中的垮落顶板造成的石块堆积，影响冻结管路的布设时，采用跟管钻进法进行布置，保证冻结管路顺利穿过垮落岩块堆积体；
（5）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，第一冻结区进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满采空区的积水冻结成冰时形成的冰体充分接顶，当采空区积水较少时，在冻结工作进行的同时进行补充注水，保证结冰体充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生一定的侧护作用，采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层回采工作面推进提供稳定的支撑；
第一冻结区是指刀柱式残采区端部煤柱与第四个煤柱之间的空区结冰体、冒落石块以及煤柱组成的整体；
（6）蹬空煤层回采工作面在下伏采空区第一冻结区积水冻结完成后，在冻结冰体的支撑下往前推进；同时，将第二套冻结设备运抵冻结辅助巷，在冻结辅助巷中按照步骤（4）所述方法进行下一轮的冻结管路的钻孔与冻结管路布置工作，进行冻结前的准备工作；
（7）上述步骤（6）中准备工作结束后，视蹬空煤层回采工作面推进速度和采空区积水冻结速度，进行合理的施工组织设计，保证蹬空煤层回采工作面越过第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；
（8）蹬空煤层回采工作面临近第一冻结区边界的第四个煤柱前5 10m时，第一冻结区结~
束冻结工作，步骤（4）中的第一套冻结设备与巷道管路开始前移，开始准备第七和第十煤柱间组成的第三冻结区的冻结工作；
（9）重复步骤（6）、（7）和（8），随蹬空煤层回采工作面推进，两套冻结设备交替搬家前移，以此循环进行采空区积水的冻结工作，每次冻结煤柱间三个空区积水，与冒落石块、煤柱构成的一个冻结区，保证蹬空煤层回采工作面的推进，一直是在下伏采空区积水冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成的稳定整体支撑下进行的。
3.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所指的刀柱式残采区积水为不与地下暗河连通的积水，所指积水长期水量基本不变，受到地下水少量补充的同时有小规模流失，总体水量处于动态稳定状态。
4.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：冻结设备型号、功率以及台数选择根据步骤（2）中探明的三个刀柱式残采区空区充满积水组成的冻结区完全冻结的计算需冷量确定；盐水循环系统选择CaCl2溶液作为冷媒剂，CaCl2溶液的凝固点应低于设计盐水温度的8℃~10℃，比重不高于1.27，冷却水循环系统通过开凿水池自然冷却。
5.根据权利要求4所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所述冻结站的冻结设备选择如下：
①冷冻机选用SKD136.1.H型螺杆机组，其设计单台机组工况制冷量为116960kcal/h，单台电机功率为114kW；
②每个冷冻机组配盐水循环泵，单台流量为200m3/h，电机功率为37kW；
③冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量为173m3/h，电机功率为
18.5kW；
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备；冻结站的相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油，
冻结盐水温度：积极期：-20℃ -25℃，维护期：-15℃ -20℃，
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积水结冰后平均温度：-8℃ -12℃，冻结盐水输送管：耐低温的无缝金属管。
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6.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：所述冻结辅助巷，是根据沿空掘巷的巷道矿压显现规律，结合采空区所在地层地质条件、地应力大小、辅助巷支护难易程度，来确定冻结辅助巷的施工位置与断面尺寸，采用常规方法完成巷道掘进与支护；
各冻结管路布置至刀柱式残采区积水中时，将一系列温度传感器随同管路一同布置进去采空区积水，均匀布置于刀柱式残采区积水中，对采空区积水的温度进行实时检测；
采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水区对应的冻结辅助巷侧壁垂直向采空区钻孔，钻孔数目由上述计算需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定，钻孔深度等于间隔的区段煤柱厚度，当积水中有坍落顶板堆积时钻孔直至冻结管越过堆积体；冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰，此外，需考虑是否需要进行补充注水钻孔。
7.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤（1）的可行性判定方法为：将传统的“三带”判别法、围岩平衡法、比值判别法、数理分析法和定量判别法结合起来，综合判别刀柱式残采区上覆蹬空煤层上行开采的可行性。
8.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(2)通过调研矿井原有地质、技术资料查清蹬空煤层下伏刀柱式残采区空区群和煤柱群的宽度、高度，采用三维激光扫描仪精准探测刀柱式残采区空区群的分布方位、尺寸和体积，同时探明煤柱间空区中冒落顶板石块堆积体体积、位置以及积水的深度、分布范围、水质、体积。
9.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：步骤(5)中的煤柱间积水结冰后的单轴抗压强度为3MPa 6MPa，抗拉强度为抗~
压强度的1/2；
所述水结冰后的体积膨胀，体积变为原来的1.1倍，原来在采空区中并未接顶的刀柱式残采区煤柱间积水，水面距顶板距离为采空区全高的10%时，结冰后冰体能够充分接顶；当积水较少，结冰体不能接顶时，冻结工作进行的同时，通过人工注水增加结冰量使其接顶，进而充满整个刀柱式残采区煤柱间空区；
第一冻结区，为端部遗留煤柱到第四个刀柱式残采区煤柱间的三个空区积水、煤柱以及其中冒落石块堆组成的整体，此时采空区积水冻结距离为(3a+2b) m，冻结积水体积为3×（a×H×L）；其中，a为煤柱间空区宽度，b为刀柱式残采区煤柱宽度，L为刀柱式采空区倾向长度，H为刀柱式采空区高度。
10.根据权利要求2所述的分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法，其特征在于：根据蹬空煤层回采工作面推进距离与速度，推算蹬空煤层开采工作面越过第一冻结区所需时间，同时根据第一采空区冻结时间作为一个采空区冻结完成的基准，本着节能和节约采掘时间原则，进行合理的施工组织设计，使第二冻结区的冻结工作与蹬空煤层在第一冻结区上的推进平行进行，保证蹬空煤层回采工作面越过步骤（5）中第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；步骤(7)中第一冻结区冻结工作完成后，该冻结区由积极冻结期进入消极冻结期，结冰体只需维持现有冻结状态，循环盐水的温度升高5 10℃。
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分段冻结顶板垮落刀柱式残采区积水复采蹬空煤层的方法
技术领域
背景技术
发明内容
（2）结合矿井原有地质、技术资料，勘探查明蹬空煤层下伏刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布状况，绘制刀柱式残采区煤柱群和空区群的分布形态图以指导安全生产，结合矿井生产资料，对刀柱式残采区空区的积水高度、积水量和水质进行探测，同时探明空区中顶板垮落情况与矸石堆积面积与分布方位；
（3）在采空区地层沿空掘巷，掘进冻结辅助巷，同时在上覆煤层开掘蹬空煤层的回风与运输巷道，在蹬空煤层始采线附近，选择下伏采空区煤柱正上方的位置，进行蹬空煤层开切眼施工，布置蹬空煤层回采工作面；
（4）在步骤（3）中开掘的冻结辅助巷中布置冻结站，在巷道开掘的同时，率先将第一套冻结设备运抵冻结辅助巷进行安装，进行巷道中盐水输送与回路管道架设；根据步骤（2）探明的采空区方位分布，在冻结辅助巷侧壁的区段煤柱段与残采区煤柱间空区对应的位置，由巷道侧壁垂直向采空区煤柱间空区钻孔，进行采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，因空区积水中的垮落顶板造成的石块堆积，会影响冻结管路的布设，采用跟管钻进法进行布置，保证冻结管路顺利穿过垮落岩块堆积体；
（5）步骤（4）中布置的冻结站开始制冷，第一冻结区进入积极冻结期，积水逐渐结冰，利用水在结冰时体积膨胀的特性，使并未充满采空区的积水冻结成冰时形成的冰体充分接顶，当采空区积水较少时，在冻结工作进行的同时进行补充注水，保证结冰体充分接顶，对蹬空煤层的底板岩层起到支撑作用，同时对刀柱式残采区煤柱产生一定的侧护作用，采空区积水结冰固化的同时与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成一个整体，为上覆蹬空煤层回采工作面推进提供稳定的支撑；
第一冻结区是指刀柱式残采区端部煤柱与第四个煤柱之间的空区结冰体、冒落石块以及煤柱组成的整体；
（6）蹬空煤层回采工作面在下伏采空区第一冻结区积水冻结完成后，在冻结冰体的支撑下往前推进；同时，将第二套冻结设备运抵冻结辅助巷，在冻结辅助巷中按照步骤（4）所述方法进行下一轮的冻结管路的钻孔与冻结管路布置工作，进行冻结前的准备工作；
（7）上述步骤（6）中准备工作结束后，视蹬空煤层回采工作面推进速度和采空区积水冻结速度，进行合理的施工组织设计，保证蹬空煤层回采工作面越过第一冻结区时，第四到第七个煤柱间空区积水构成的第二冻结区刚好完成冻结工作；
（8）蹬空煤层回采工作面临近第一冻结区边界的第四个煤柱前5 10m时，第一冻结区结~
束冻结工作，步骤（4）中的第一套冻结设备与巷道管路开始前移，开始准备第七和第十煤柱组成的第三冻结区的冻结工作；
（9）重复步骤（6）、（7）和（8），随蹬空煤层回采工作面推进，两套冻结设备交替搬家前移，以此循环进行采空区积水的冻结工作，每次冻结煤柱间三个空区积水，与冒落石块、煤柱构成一个冻结区，保证蹬空煤层回采工作面的推进，一直是在下伏采空区积水冻结冰体与遗留煤柱、残采区顶底板、围岩共同形成的稳定整体支撑下进行的。
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②每个冷冻机组配盐水循环泵（选用IS150-125-315型），单台流量为200m /h，电机功率为37kW；
③冻结站冷却水循环泵选用IS150-125～315B型，单台流量为173m3/h，电机功率为
18.5kW；
其中盐水循环泵、冷却水循环泵均需额外配备一台备用设备；冻结站的相关参数指标如下：
制冷剂：氟立昂R-22，
冷冻机油：汉钟HBR-B03冷冻机油（或者同功效其他产品），
冻结盐水温度：积极期：-20℃ -25℃，维护期（消极期）：-15℃ -20℃，~ ~
积水结冰后平均温度：-8℃ -12℃，冻结盐水输送管：耐低温的无缝金属管。
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采空区煤柱间积水中冻结管路的布置，在探明的刀柱式残采区煤柱间积水区对应的冻结辅助巷侧壁垂直向采空区钻孔，钻孔数目由上述计算需冷量、积水体积和冻结管路冻结半径共同确定，钻孔深度等于间隔的区段煤柱厚度，当积水中有坍落顶板堆积时钻孔直至冻结管越过堆积体；冻结管路在刀柱式残采区煤柱间积水中进行盐水循环，置换积水中的热量，使积水冻结成冰，此外，需考虑是否需要进行补充注水钻孔。
图中：1—蹬空煤层巷道，2—刀柱式残采区煤柱间空区，3—第二冻结区，4—刀柱式残采区煤柱；5—第一冻结区，6—层间岩层，7—蹬空煤层回采工作面，8—蹬空煤层采空区，
9—煤柱间积水中冻结管路，10—间隔岩柱，11—冻结辅助巷，12—冻结站，13—蹬空煤层，
14—垮落顶板岩块堆积体。
具体实施方式
36502刀柱式残采区上覆蹬空煤层13上行开采是可行的。
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