含硬結核薄煤層綜采面煤體水力致裂弱化技術

李永強，孫光燦，劉新杰

含硬結核薄煤層綜采面煤體水力致裂弱化技術

李永強1，孫光燦1，劉新杰2

(1.臨沂礦業集團 田莊煤礦，山東 兗州 272100;2.山東科技大學資源與環境工程學院，山東 青島 266510)

田莊煤礦屬薄煤層礦井，所主采的17煤，煤層厚度平均0.95 m，煤層中富含堅硬的硫化鐵結核石，嚴重制約著薄煤層綜采的高效安全生產。介紹了在采煤機割煤時，提前對煤體進行濕潤軟化來降低煤層的整體力學性能，對硫化鐵結核石預先松動，減少采煤機截齒消耗，提高煤層的可采效率，實現薄煤層綜采工作面的高效安全生產。

薄煤層;硫化鐵結核石;綜采工作面;水力致裂弱化

臨沂礦業集團田莊煤礦所主采的17煤，煤層中含硫化鐵結核石，其硬度大、分布不均以及分布的無規律性，一直制約著該礦機械化采煤的高效安全生產［1－3］。為此，該礦專門成立了調研小組，通過與科研院所、高校及廠家合作研究、攻關，從理論、實踐等方面證實了薄煤層綜采工作面煤體水力致裂弱化技術的可行性，并根據綜采工作面生產工藝特點及煤層賦存條件，確定了注水工藝流程，從而實現了薄煤層綜采的高效安全生產，并且獲得了重大的經濟和社會效益。

1 3701綜采工作面概況

1.1 工作面煤層

17煤位于太原組下部主要含煤段，上距16上煤6 m左右，距16下煤3.2 m左右，下距18煤6 m左右，層間距穩定，為本井田主采煤層之一。17煤為黑色塊狀，光亮型，沉積穩定，厚度一般在0.95 m左右，煤層富含夾矸，夾矸巖性為黃鐵礦(呈層狀和塊核狀不規律分布)，煤質硬度f=2.5～3.5，黃鐵礦硬度最大為f=11，厚度一般在0.1～0.3 m。17煤為良好的動力用煤。

1.2 煤層頂底板

17煤層頂底狀況見表1。

表1 煤層頂底板狀況表

1.3 回采工作面布置及地質構造情況

3701面為三采區17層煤首采采煤工作面，工作面各順槽布置為正南正北方向。該工作面內有2個次一級寬緩小褶曲。北部為沙河向斜：軸向38°，并緩慢向北東傾伏;南部為齊家村背斜：軸向36°，并向東北傾伏。整個工作面呈一傾向為326°的單斜，北部地層較緩，南部略陡，傾角一般為0°～9°，平均為6°。工作面布置方式見圖1。

1.4 采煤方法及回采工藝

工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機械化采煤，完全垮落法管理頂板。循環進尺0.6 m，最大控頂距4.37 m，最小控頂距3.77 m。工作面支護方式及最大、最小控頂距見圖2。

圖1 3701工作面布置示意圖

2 煤體水力致裂弱化技術應用情況

2.1 作用機理

通過煤壁向煤體深部打鉆孔的辦法用壓力水濕潤尚未開采的煤體，動壓水被壓入煤體后，沿著煤層中裂隙或層、節理通道緩慢滲透流動，水均勻分布于煤層無數細微的裂隙和孔隙之中，使煤體采前充分濕潤軟化，降低煤層的整體力學性能，提高煤層的可采效率。

圖2 工作面支護布置示意圖

2.2 注水工藝及參數

1)鉆孔直徑。采用WSP－500架柱式乳化液鉆機打鉆孔，JZF－A22/0.5型封孔器封孔，鉆桿直徑為d42 mm，鉆頭直徑為 d50 mm，故取鉆孔直徑為d50 mm。

2)鉆孔長度。影響鉆孔長度的因素有：煤層的透水性、工作面長度、注水時間和注水壓力、鉆機情況以及煤層傾角、厚度、構造等。計算公式為：

式中：

L—鉆孔長度，m;

L1—工作面長度，取122 m;

M—與煤層透水性和鉆孔方向有關的系數。單向鉆孔長度比工作面短20～40 m，取40 m，故鉆孔長度為82 m。

3)鉆孔間距。根據該礦煤層賦存條件等保證工作面注水效果，鉆孔間距取20 m。

4)鉆孔角度。鉆孔角度與煤層傾角保持一致，使鉆孔始終保持在煤層中，以免穿透頂底板。考慮到鉆桿的下沉，開口位置宜靠近煤層上部。

3701綜采面鉆孔布置平面圖見圖3。3701綜采面軌道順槽布置鉆孔時，鉆孔距離巷道底板1.5 m，每一個鉆孔的位置、傾角，需嚴格按照給定的數據進行打鉆施工，鉆孔剖面圖見圖4。

圖3 3701綜采工作面鉆孔布置平面圖

5)封孔深度要求。a)注水時不從孔口及其附近煤壁返水、泄水、滲水。b)在濕潤半徑未達到設計要求前不發生泄水、滲水現象。c)使用膨脹式封孔器，封孔深度6 m，當注入壓力水后，封孔器自動膨脹封閉鉆孔，停止注水后，封孔器自動卸壓。

6)封孔方式：采用JZF－A22/0.5型封孔器封孔。

圖4 鉆孔剖面圖

7)注水系統及注水參數。a)注水系統：采用動壓注水系統，注水泵型號ZZBQ－10－12(原QZB－60/18)，動壓注水系統示意圖見圖5。水源：地面水池→東大巷→二采軌道下山→二采南軌道巷→3701下順→3701綜采工作面。b)注水壓力。注水壓力為8～10 MPa。c)注水量。濕潤半徑：根據注水情況看，濕潤半徑為10～12 m。注水結束標準：當注水壓力達到8～10 MPa時，每孔應持續進行注水，當順槽或工作面出現均勻的“出汗”滲水時，作為煤體已全面濕潤的標志，并以此作為控制注水時間的依據，該孔停止注水，并記錄水表流量作為每孔注水量。

圖5 動壓注水系統示意圖

2.3 應用效果分析

1)循環時間。該礦煤層結構的特殊性，一直制約著采煤機截割速度的提高，速度過快機身則會出現抖動。根據現場的測定，直接截割每個循環時間大約在1 h 20 min左右(包括割三角煤進刀)。采用該技術后，每個循環時間減少至1 h左右，采煤機的截割速度大大提高，同時也提高了采煤效率。

2)材料消耗。根據前期回采試驗來看，材料消耗在薄煤層綜采中主要體現在截齒上，其他備用材料只是前期投入較大，在生產中相對比較穩定。由于煤層硬度較大且含硫化鐵結核石，在回采過程中直接截割每小班消耗截齒在7～9個，采用煤體水力弱化技術后截齒消耗在3～5個，減少了截齒的消耗，節約了材料成本。

3 結論

應用煤體水力致裂弱化技術，可以解決含高硬度硫化鐵結核薄煤層生產效率低、采煤機截齒消耗多、故障率高的難題，且社會和經濟效益明顯。煤體水力致裂弱化技術實現了薄煤層綜采的高產、高效，該技術可廣泛推廣到類似條件下的礦區使用，推進了我國薄煤層機械化采煤的進程。

［1］ 趙麗娟，陳 穎，董萌萌.滾筒截齒對采煤機截割部工作可靠性的影響研究［J］.現代制造工程，2010(12)：104－110.

［2］ 徐永圻.煤礦開采學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1999：463－479.

［3］ 沈明榮，陳建峰.巖體力學［M］.上海：同濟大學出版社，2007：62－101.

［4］ 苑連菊.工程滲流力學應用［M］.北京：中國建材工業出版社，2001：1－33.

Hydraulic Crack Weakening Technology of Contained Hard Concretion Thin Coal Seam in Fully Mechanized Working Face

Li Yong－qiang，Sun Guang－can，Liu Xin －jie

Tianzhuang coal mine belong to thin coal seam mine，main mining No.17 coal，the average thickness is 0.95 meters，hard iron sulfide concretion is rich in coal seam，seriously restricts efficient and safe production of the thin coal seam fully mechanized mining.Introduces when the coal winning machine cut coal，in advance wet and soften the coal mass，reduce the overall mechanical properties of coal seam，in advance to iron sulfide concretion blasting，become loose，reduce coal winning machine picks consumption，improve recoverable efficiency of coal seam and realize highefficiency and safe production in the thin coal seam fully mechanized working face.

Thin coal seam;Iron sulfide concretion;Fully mechanized coal mining face;Hydraulic crack weakening

TD823.25+1

A

1672－0652(2011)11－0034－03

2011－09－19

山東科技大學研究生科技創新基金項目(YCB100106)

李永強(1973—)，男，山東濟寧人，1993年畢業于大同煤炭工業學校，工程師，主要從事煤礦采掘生產和管理工作(E －mail)sun_guangcan@163.com