急傾斜綜放工作面堅硬頂煤弱化技術＊

劉金凱 趙健健 張世青 李 騏 馬 越

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

在綜放開采中，頂煤是否具有良好的冒放性是影響頂煤放出率的核心因素。一般情況下，頂煤在礦山壓力和支架反復支撐的作用下可以得到充分破壞而及時垮落并破碎到放煤所需塊度。但在頂煤堅硬且厚度大時，僅依靠礦壓和支架反復支撐的破煤作用難以使頂煤及時垮落和充分破碎。因此采取頂煤預先弱化措施使頂煤具有良好的冒放性是堅硬特厚煤層綜放開采中的關鍵技術問題。目前關于頂煤弱化的研究大多是以緩斜煤層綜放開采為背景的，而對于急傾斜特厚煤層綜放開采頂煤弱化工藝的研究還不多見。本文以新疆兵團農四師伊犁雙新焦化廠煤礦為工程背景，對急傾斜堅硬頂煤弱化技術及應用效果加以介紹，為同類地質條件下綜放工作面安全生產提供借鑒。

1 工作面概況

新疆兵團農四師伊犁雙新焦化廠煤礦1151E綜放工作面開采A5＃煤層，煤層傾角42°～53°，煤層總厚為1.51～22.12 m。工作面范圍煤層結構簡單，賦存穩定，頂板巖性為粉砂巖及粉砂質泥巖，底板巖性為粉砂巖，局部為炭質泥巖。煤層硬度系數為2～3，煤層自燃期一般為3～12個月，礦井瓦斯等級為低瓦斯。勞動組織形式 “一采一準”，工作面設計采高2.5 m，循環進度0.6 m，采放比約為1∶3。工作面推進長度為550 m，運輸平巷長660 m，回風平巷長620 m，頂煤弱化工藝巷長610 m，工作面長度60 m。工作面運輸巷沿頂板布置，回風巷沿底板布置，開切眼布置形式為水平－圓弧－傾斜過渡布置。1151E綜放工作面頂煤弱化采用動壓注水和弱化工藝巷內深孔爆破相結合的方式，進行頂煤預先綜合弱化。在頂煤弱化順序上優先采用高壓注水弱化工藝，在注水弱化工藝不能實現弱化目的情況下，進行爆破弱化，達到頂煤順利放出的目的。

2 鉆孔高壓注水弱化技術

2.1 注水弱化原理

鉆孔高壓注水弱化技術主要是通過高壓注水使原始煤體的自然裂縫、空隙和夾層產生變形，產生的新裂縫和原有空隙加寬、構造斷裂，煤層膨脹使煤巖層強度降低。同時，水流進入煤體內，改變頂煤的整體結構和整體力學性能，使頂煤抵抗外力破壞的整體強度預先降低，改善煤體原始結構和煤體應力狀態，有效增大頂煤垮落角和減小頂煤冒落塊度，使得本來堅硬難冒的致密頂煤預改良為比較松軟或節理裂隙度發育較好的煤體，在上覆冒落巖層產生的礦山壓力和支架支承壓力的反復擠壓和破壞作用下，頂煤在到達冒放區時已被充分破壞，達到在常態條件下頂煤的充分破碎和自然垮落，實現煤體在采空區側的放出。

2.2 注水孔布置及參數

在工作面頂煤弱化工藝巷內按6.0 m的排距，垂直于頂煤弱化工藝巷走向依次布置1～92排注水弱化孔，第一排注水弱化孔距離開切眼3.0 m，每排鉆孔在豎直平面內按照扇形布置10個注水弱化孔，其中靠近回風平巷側布置4個孔，以偶數字編號，靠運輸平巷側布置6個孔，以奇數字編號，各個注水孔的參數及布置情況如表1和圖1所示。

表1 頂煤注水弱化孔參數

2.3 主要工藝流程

（1）注水。采用分組動壓注水，每組3排。注水弱化之前煤層強度、硬度非常大，注水壓力要大于煤巖粘結強度并能擠壓劈開煤體中的封閉裂隙，產生煤體弱化斷裂，因此對煤層注水選擇中高壓注水，注水泵選用BRW200／31.5型乳化泵。高壓注水壓力保持在15～20 MPa，分段間隔注水，間隔時間為0.5～2 h。當煤體出現軟化征兆后，中高壓注水壓力保持在8～10 MPa之間，以打開封口器截止閥為準，采用中壓長時間注水144 h（為增強注水的弱化作用，可在清水中加入活性劑），當煤體發生清脆的斷裂聲時，表示煤體已經開始軟化，當巷道幫滲出水珠或巷道壓力增大，表明煤體已經軟化，注水范圍內及兩條回采巷道出現淋水后，停止注水。

（2）封孔。封孔是煤層注水的關鍵。由于煤層本身存在節理裂隙，再加上鉆孔孔口封孔不良，會出現滲水卸壓，因此會影響后期注水效果。所以有效的封孔長度應大于煤體破碎帶厚度，孔位盡量避開錨桿眼孔，注水管路插入鉆孔5 m以上，注水鉆孔的孔口以內3 m長段必須進行密封，鉆孔封口使用FKT－1型推脹式封口器。

3 頂煤預爆破弱化技術

3.1 炮孔布置及參數

采用在豎直面內按2.0 m排距、0.2 m的孔口間距、2.0 m的孔底間距垂直于頂煤弱化工藝巷走向按照扇形依次布置1～275排頂煤深孔爆破弱化孔，第1排頂煤弱化孔距離開切眼0.5 m。頂煤爆破弱化孔孔長6～38 m，靠回風平巷側布置的為雙號孔、運輸平巷側布置的為單號孔。每排1＃孔孔口距頂煤弱化工藝巷底板0.2 m，2＃孔孔口距弱化工藝巷底板1.2 m。每排布置19個孔（靠回風平巷側布置14個孔，靠運輸平巷側布置5個孔）。每排頂煤弱化孔參數見表2，爆破弱化孔布置見圖2。

圖1 注水弱化孔布置圖

3.2 頂煤預爆破弱化工藝流程

頂煤預爆破弱化技術主要包括施工鉆孔、試孔、裝藥、封孔、連線和起爆6個工藝流程。在頂煤弱化工藝巷內爆破弱化孔時，需要在首次爆破前集中施工14排孔，集中裝藥，連續爆破12排，以后每次施工12排，爆破12排，預留2排孔，防止爆破后煤體破碎，影響下一排孔的施工。若煤質變軟易縮孔時，采取施工一排、裝藥一排的施工工藝，確保裝藥量達到設計要求。要求在工作面超前35～60 m范圍內進行爆破。

表2 頂煤預爆破弱化孔參數

圖2 爆破弱化孔布置圖

4 頂煤弱化效果

1151E綜放工作面原來由于沒有采取任何弱化措施，頂煤堅硬，塊度大，冒放性極差，頂煤無法順利放出，頂煤采取弱化措施后，頂煤冒放性得到了改善，頂煤大塊率明顯降低，回采率顯著提高，單班月產量達到5.6萬t，頂煤回收率由原來的66.3%提高到83.5%，工作面于2012年9月1日回采結束，實現了安全生產。工作面在推采期間及封閉后，沒有出現過煤炭自燃征兆，取得了良好的社會和經濟效益。

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