急倾斜综放工作面坚硬顶煤弱化技术＊

刘金凯 赵健健 张世青 李 骐 马 越

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

在综放开采中，顶煤是否具有良好的冒放性是影响顶煤放出率的核心因素。一般情况下，顶煤在矿山压力和支架反复支撑的作用下可以得到充分破坏而及时垮落并破碎到放煤所需块度。但在顶煤坚硬且厚度大时，仅依靠矿压和支架反复支撑的破煤作用难以使顶煤及时垮落和充分破碎。因此采取顶煤预先弱化措施使顶煤具有良好的冒放性是坚硬特厚煤层综放开采中的关键技术问题。目前关于顶煤弱化的研究大多是以缓斜煤层综放开采为背景的，而对于急倾斜特厚煤层综放开采顶煤弱化工艺的研究还不多见。本文以新疆兵团农四师伊犁双新焦化厂煤矿为工程背景，对急倾斜坚硬顶煤弱化技术及应用效果加以介绍，为同类地质条件下综放工作面安全生产提供借鉴。

1 工作面概况

新疆兵团农四师伊犁双新焦化厂煤矿1151E综放工作面开采A5＃煤层，煤层倾角42°～53°，煤层总厚为1.51～22.12 m。工作面范围煤层结构简单，赋存稳定，顶板岩性为粉砂岩及粉砂质泥岩，底板岩性为粉砂岩，局部为炭质泥岩。煤层硬度系数为2～3，煤层自燃期一般为3～12个月，矿井瓦斯等级为低瓦斯。劳动组织形式 “一采一准”，工作面设计采高2.5 m，循环进度0.6 m，采放比约为1∶3。工作面推进长度为550 m，运输平巷长660 m，回风平巷长620 m，顶煤弱化工艺巷长610 m，工作面长度60 m。工作面运输巷沿顶板布置，回风巷沿底板布置，开切眼布置形式为水平－圆弧－倾斜过渡布置。1151E综放工作面顶煤弱化采用动压注水和弱化工艺巷内深孔爆破相结合的方式，进行顶煤预先综合弱化。在顶煤弱化顺序上优先采用高压注水弱化工艺，在注水弱化工艺不能实现弱化目的情况下，进行爆破弱化，达到顶煤顺利放出的目的。

2 钻孔高压注水弱化技术

2.1 注水弱化原理

钻孔高压注水弱化技术主要是通过高压注水使原始煤体的自然裂缝、空隙和夹层产生变形，产生的新裂缝和原有空隙加宽、构造断裂，煤层膨胀使煤岩层强度降低。同时，水流进入煤体内，改变顶煤的整体结构和整体力学性能，使顶煤抵抗外力破坏的整体强度预先降低，改善煤体原始结构和煤体应力状态，有效增大顶煤垮落角和减小顶煤冒落块度，使得本来坚硬难冒的致密顶煤预改良为比较松软或节理裂隙度发育较好的煤体，在上覆冒落岩层产生的矿山压力和支架支承压力的反复挤压和破坏作用下，顶煤在到达冒放区时已被充分破坏，达到在常态条件下顶煤的充分破碎和自然垮落，实现煤体在采空区侧的放出。

2.2 注水孔布置及参数

在工作面顶煤弱化工艺巷内按6.0 m的排距，垂直于顶煤弱化工艺巷走向依次布置1～92排注水弱化孔，第一排注水弱化孔距离开切眼3.0 m，每排钻孔在竖直平面内按照扇形布置10个注水弱化孔，其中靠近回风平巷侧布置4个孔，以偶数字编号，靠运输平巷侧布置6个孔，以奇数字编号，各个注水孔的参数及布置情况如表1和图1所示。

表1 顶煤注水弱化孔参数

2.3 主要工艺流程

（1）注水。采用分组动压注水，每组3排。注水弱化之前煤层强度、硬度非常大，注水压力要大于煤岩粘结强度并能挤压劈开煤体中的封闭裂隙，产生煤体弱化断裂，因此对煤层注水选择中高压注水，注水泵选用BRW200／31.5型乳化泵。高压注水压力保持在15～20 MPa，分段间隔注水，间隔时间为0.5～2 h。当煤体出现软化征兆后，中高压注水压力保持在8～10 MPa之间，以打开封口器截止阀为准，采用中压长时间注水144 h（为增强注水的弱化作用，可在清水中加入活性剂），当煤体发生清脆的断裂声时，表示煤体已经开始软化，当巷道帮渗出水珠或巷道压力增大，表明煤体已经软化，注水范围内及两条回采巷道出现淋水后，停止注水。

（2）封孔。封孔是煤层注水的关键。由于煤层本身存在节理裂隙，再加上钻孔孔口封孔不良，会出现渗水卸压，因此会影响后期注水效果。所以有效的封孔长度应大于煤体破碎带厚度，孔位尽量避开锚杆眼孔，注水管路插入钻孔5 m以上，注水钻孔的孔口以内3 m长段必须进行密封，钻孔封口使用FKT－1型推胀式封口器。

3 顶煤预爆破弱化技术

3.1 炮孔布置及参数

采用在竖直面内按2.0 m排距、0.2 m的孔口间距、2.0 m的孔底间距垂直于顶煤弱化工艺巷走向按照扇形依次布置1～275排顶煤深孔爆破弱化孔，第1排顶煤弱化孔距离开切眼0.5 m。顶煤爆破弱化孔孔长6～38 m，靠回风平巷侧布置的为双号孔、运输平巷侧布置的为单号孔。每排1＃孔孔口距顶煤弱化工艺巷底板0.2 m，2＃孔孔口距弱化工艺巷底板1.2 m。每排布置19个孔（靠回风平巷侧布置14个孔，靠运输平巷侧布置5个孔）。每排顶煤弱化孔参数见表2，爆破弱化孔布置见图2。

图1 注水弱化孔布置图

3.2 顶煤预爆破弱化工艺流程

顶煤预爆破弱化技术主要包括施工钻孔、试孔、装药、封孔、连线和起爆6个工艺流程。在顶煤弱化工艺巷内爆破弱化孔时，需要在首次爆破前集中施工14排孔，集中装药，连续爆破12排，以后每次施工12排，爆破12排，预留2排孔，防止爆破后煤体破碎，影响下一排孔的施工。若煤质变软易缩孔时，采取施工一排、装药一排的施工工艺，确保装药量达到设计要求。要求在工作面超前35～60 m范围内进行爆破。

表2 顶煤预爆破弱化孔参数

图2 爆破弱化孔布置图

4 顶煤弱化效果

1151E综放工作面原来由于没有采取任何弱化措施，顶煤坚硬，块度大，冒放性极差，顶煤无法顺利放出，顶煤采取弱化措施后，顶煤冒放性得到了改善，顶煤大块率明显降低，回采率显著提高，单班月产量达到5.6万t，顶煤回收率由原来的66.3%提高到83.5%，工作面于2012年9月1日回采结束，实现了安全生产。工作面在推采期间及封闭后，没有出现过煤炭自燃征兆，取得了良好的社会和经济效益。

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