A Proposed Method of Coal Pillar Design, Goaf Filling, and Grouting of Steeply Inclined Coal Seams Under Water-Filled Strata

Abstract

The key to safely and efficiently mining steeply inclined coal seams under water-filled strata is to size barrier pillars appropriately and to control the structural integrity of the roof. We propose a method for goaf filling and grouting of steeply inclined coal seams and for appropriately sizing barrier and sectional coal pillars for mining in such conditions. Through theoretical analysis, an expression for a reasonable barrier pillar size was derived, based on the time span of mining, the hydraulic characteristics of the coal seam, the permeability characteristic of the grout in the goaf, and the water pressure. Based on the degree of saturation of the overlying strata and the mining conditions of the steeply inclined no. 48 coal seam of the Longhu mine in Qitaihe, China, we determined through theoretical analysis that the barrier pillar should be 80 m, the width of the sectional coal pillar should be 15 m, the length of the goaf filling should be 80 m, and the grouting length should be 40 m, to ensure safe production in that mine without geotechnical failures or injuries. These recommendations are being implemented.

Zusammenfassung

Der Schlüssel zum sicheren und effizienten Abbau von steil einfallenden Kohlelagern unter wasserführendem Deckgebirge ist es, die Barrierepfeiler gewissenhaft zu dimensionieren und die strukturelle Integrität der Firste zu kontrollieren. Es wird eine Methode unter Verwendung von Versatz und Zementierung von steil einfallenden Kohleflözen mit ausreichend dimensionierten Barriere- und Zwischenpfeilern vorgestellt. Theoretische Berechnungen unter Beachtung der Abbaudauer, der hydraulischen Charakteristik des Kohleflözes, der Permeabilität des Versatzes im Abbaufeld und des Wasserdrucks führen zu einer vernünftigen Größendimensionierung von Barrierepfeilern. Am Beispiel des steil einfallenden Flözes Nr. 48 der Longhu Mine in Qitaihe (China) wurden unter Einbeziehung des Wassersättigungsgrades des überlagernden Deckgebirges und der Abbaubedingungen Dimensionierungsvorgaben abgeleitet. Die Größe der Barrierepfeiler sollte 80 m, die Breite der Zwischenpfeiler 15 m, die Länge des Versatzfeldes 80 m und die Zementationslänge 40 m betragen. Diese theoretisch berechneten Dimensionierungsvorgaben wurden im laufenden Abbaubetrieb ohne geotechnische Schwierigkeiten angewendet und führten zur Absicherung der Produktion.

Resumen

La clave para una segura y eficiente minería en vetas de carbón con inclinación abrupta bajo estratos llenos de agua, es el tamaño apropiado de los pilares de la barrera y el control de la integridad estructural del techo. Proponemos un método para el llenado de los huecos, el relleno con cemento de las vetas de carbón inclinadas abruptamente y para la determinación del tamaño apropiado para la barrera y para la sección de los pilares bajo tales condiciones. A través de análisis teórico se derivó una expresión para un tamaño razonable de los pilares de la barrera, basado en el lapso de tiempo de la minería, las características hidráulicas de la veta de carbón, las características de permeabilidad del cemento en los huecos y la presión del agua. Basados en el grado de saturación del estrato superior y las condiciones de la minería de la abruptamente inclinada veta de carbón no. 48 de la mina Longhu en Qitaihe, China, determinamos a través de análisis teóricos, que los pilares de la barrera deberían ser 80 m, el ancho de la sección del pilar debería ser 15 m, la longitud del llenado de los huecos debería ser 80 m y la longitud del llenado con cemento debería ser 40 m para asegurar una producción segura sin fallas geotécnicas o daños. Estas recomendaciones están siendo implementadas.

摘要

含水层下伏急倾斜煤层安全开采的关键是防水煤岩柱设计及有效控制顶板结构完整性。本文提出一套急倾斜煤层采空区充填及注浆方法和一套煤岩柱尺寸与煤柱截面尺寸计算方法。通过理论分析,得到一种基于回采时段变化、煤层水文特征、采空区注浆体导水性和水压等因素分析的煤岩尺寸计算公式。中国七台河龙湖煤矿48#煤层为急倾斜煤层且位于含水层之下,通过理论分析得出,防止急倾斜顶板岩石力学破坏和灾害的煤岩柱尺寸为80 m、煤柱截面宽15 m、采空区充填长度40 m。该开采设计方案已经被生产单位采纳