綜放開采工藝頂煤弱化方式探討

李永武

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830091）

在放頂煤開采中，當煤層為堅硬厚煤層或者放頂煤工作面上覆巖層的礦山壓力顯現緩和(如條帶綜放工作面)，礦山壓力不能實現頂煤體充分的預破碎，達不到合適的破碎塊度，頂煤體不能在支架上方及時冒落并順利從支架后部放煤窗口放出，使得頂煤放出率低。不僅造成煤炭資源的巨大浪費，而且形成了嚴重的安全隱患。很迫切需要尋找一種安全高效的技術措施來處理頂煤的冒放性、煤體自燃和瓦斯積聚的問題。目前對堅硬頂煤進行預先弱化處理是普遍采用且有效的手段。

1 頂煤弱化技術研究

1.1 頂煤弱化技術現狀

在目前生產中，現有及可能采用的技術措施主要有調節液壓支架壓力、定向水力壓裂、高壓預注水和深孔爆破與架間爆破技術。

1.1.1 調節液壓支架壓力

該方法主要通過調節液壓支架對頂煤的作用力，實現支架頂梁對支架上方頂煤體的反復支撐和擠壓，以此達到破碎頂煤、提高頂煤體冒放性的目的。實踐表明，調節液壓支架壓力，有利于提高頂煤的冒放性，但該方法實際影響頂煤冒放性的范圍相對較小(支架上方約1～2m)，實用性較差。

1.1.2 定向水力壓裂

定向水力壓裂是通過在煤巖層中利用特殊的開槽鉆頭開挖楔形槽，然后注入壓力水，利用水壓及楔形槽尖點的應力集中作用克服煤巖層節理、層理面的黏結力，使其產生分層和裂隙，達到降低強度、弱化煤巖體目的的，由于定向水力壓裂方法對機具的性能要求較高(如開楔鉆頭和封孔器)及煤體因層理、節理與工作面附近受支承壓力影響裂隙較發育、整體性差，楔形槽尖點應力集中不明顯，開裂方向及效果不易掌握，現場應用較少，目前該項技術尚處于設計開發階段。

1.1.3 高壓預注水

高壓預注水是通過鉆孔向煤巖體預注高壓水，利用壓力水對弱面的壓裂、沖刷以及楔入作用(水楔作用)，使煤巖體擴大原有裂隙、產生新裂隙，破壞煤巖體整體性，降低其強度。同時，高壓注水還有弱化頂煤的化學作用。表現在以下幾點：①壓力水對煤體中的一些軟弱結構面起著潤滑劑的作用，使煤體的抗剪強度降低；②壓力水對煤巖體內的某些礦物有溶解作用，礦物溶解后形成裂隙，壓力水又可沿裂隙楔入，形成新的裂隙，循環往復，使煤巖強度降低；③煤和某些夾矸軟巖吸水后會膨脹甚至崩解，吸水量越多，體積膨脹量越大，表面變形量也隨之增加，這種膨脹力作為一種附加應力作用于煤巖體上，從而使其變形以致破壞。

高壓預注水方式在現場應用較為廣泛，注水工作一般在工作面前60～100m 外進行，以達到在工作面前方支承壓力區之外以壓裂為主，支承壓力區以內以濕潤為主的目的，但由于煤體的透水性及軟化特性不一樣，頂煤弱化效果也不盡一致。

1.1.4 頂煤松動爆破

對頂煤實施松動爆破就是利用炸藥在煤體內爆炸而形成空腔、壓碎區、松動區使煤體預先破碎、松動，待支架前移后，頂煤以小塊冒落，以利于提高采出率。按爆破孔實施的位置及孔深，頂煤爆破主要分架間爆破、兩巷深孔預爆破和工藝巷深孔預爆破等。

1）架間爆破具有以下特點：

（1）直接有效，易于及時掌握和調節頂煤弱化效果；

（2）節省投資(不必另開工藝巷或增大順槽的斷面等)；

（3）占用正常生產和設備檢修作業時間；

（4）對于高瓦斯工作面，安全性較差；

2）兩巷深孔預爆破具有以下特點：

（1）超前爆破，不占用工作面檢修和生產時間，效率較高。

（2）影響兩巷的運輸生產與維護。要求兩順槽的斷面較大，能夠適合工人在巷內打眼裝藥。

（3）影響工人安全作業。工人在兩巷打眼裝藥過程中，運行中的礦車和膠帶會對其人身和工程質量造成一定的危險和破壞。

3）工藝巷深孔預爆破具有以下特點：

（1）不影響工作面及兩巷的正常生產與維護，有利于實現高產高效；

（2）有利于高瓦斯及采空區高位瓦斯的排放和實現工作面預注水、降低煤塵；

（3）增加了巷道的掘進量，工作面投資較大。

根據上述煤層綜放開采頂煤弱化技術措施的實際應用及現場工業性試驗情況，按工作面長度百米以上和工作面長度百米以下兩種情況考慮。研究認為，對于百米以上工作面(尤其是高瓦斯情況)，采用工藝巷爆破與注水防塵結合效果好，有利于實現工作面高產高效和安全生產；對于百米以下工作面(尤其是低瓦斯情況)，采用架間爆破，效果更為直接。

1.2 頂煤弱化技術分析

首先分析煤層注水的效果，一般情況下煤體的強度降低與煤體的含水率成正比，裂隙孔隙發育的煤層透水性強，容易注水，注水壓力較低，而煤體致密，節理裂隙不發育的煤層透水性差，即使在較高注水壓力下也不一定能取得預期效果；有些地質構造強烈、承受開采支承壓力破壞嚴重的煤層區域，由于外生或次生裂隙大量形成，而使煤體透水性急劇增大，水從發育的裂隙中迅速流走，排至煤體之外，對軟化減小冒塊是極為不利的。另外，煤體的強度、變形特性、原煤含水率等物理力學性質都對預注水軟化存在不同程度的影響。因此為了有效地改善頂煤冒放性，實施預注水技術之前，應在實驗室進行軟化特性實驗，即預測煤體強度與含水率的關系。

從頂煤弱化效果上講，爆破的適用性較注水更為廣泛，而煤層注水一般可以作為必要的補充。但水力致裂弱化技術具有多功能效應，裂隙巖體水力致裂弱化技術不同于以往的煤層注水減塵，除了弱化巖體強度、降低沖擊礦壓危害外，還有幾個副產品，具有一舉多得的功效，是一項煤礦“綠色開采”技術。具體來說有以下優點：

1.2.1 弱化頂煤體(巖體)

通過水力裂縫弱化巖體的整體強度是采用水力致裂技術弱化堅硬頂煤和處理堅硬頂板的主要目的。水力致裂對巖體的弱化體現在兩方面：

（1）是通過水壓裂縫的破裂擴展，改造巖體的宏細觀結構，弱化巖體的力學性能；

（2）是通過水對巖石的物理化學作用，降低巖石的力學性能。

二者共同作用弱化巖體的整體力學性能。弱化堅硬頂煤可以改善頂煤的冒放性，減小頂煤破壞及運移對支架的沖擊荷載；弱化頂板可以降低其整體強度，使頂板能及時垮落，減小頂板的沖擊礦壓危害，達到強度弱化減沖的目的。

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1.2.2 減塵

煤層注水減塵應用于煤礦開采已經是一項比較成熟的技術。在通過水力裂縫切割弱化煤體的同時提高了煤體的含水率，增強了煤體的濕潤效果，且比傳統意義上煤層注水減塵的濕潤效果更好，會降低工作面生產過程中煤塵的發生量。

1.2.3 預先釋放部分瓦斯

隨著水力致裂裂縫的破裂與擴展，及其與原生裂隙和鉆孔的連通，使得裂隙附近煤體內部分游離態的瓦斯通過鉆孔預先排放；同時煤體內瓦斯原始賦存壓力和濃度的變化，使得部分吸附瓦斯也轉變為游離態瓦斯。這樣預致裂的結果一定程度上起到了預先排放瓦斯的作用，減少工作面瓦斯涌出量，有利于工作面的正常安全生產。

1.2.4 抑制煤自然發火

水具有吸熱降溫、抑制煤炭氧化進程的作用，同時水對已經氧化自熱升溫的煤炭具有散熱冷卻的作用，對綜放開采采空區遺煤自燃具有抑制作用。通過多個易自燃厚煤層低位綜放工作面頂煤水力致裂弱化的工業試驗表明，工作面在開采過程中均未出現煤自燃發火現象。

2 實際生產中頂煤弱化效果

堿溝煤礦現場開采實踐表明，實施頂煤預爆破后，爆破段工作面生產期間未發生片幫冒頂，架后放煤過程中塊煤增多，工作面產量有一定提高，平均日產3750t。

3 結論

（1）硬厚煤層綜放開采將是目前我國西部，尤其是新疆煤炭開采面臨的重要技術難題。深入開展硬厚煤層綜放開采頂煤弱化及落放技術的系統研究，是十分必要的。

（2）目前現有及可能采用硬厚煤層綜放開采頂煤弱化的技術措施主要有調節液壓支架壓力、定向水力壓裂、高壓預注水和深孔爆破與架間爆破技術。研究認為對于百米以上工作面(尤其是高瓦斯情況)，采用工藝巷爆破與注水防塵結合效果好，有利于實現工作面高產高效和安全生產；對于百米以下工作面(尤其是低瓦斯情況)，采用架間爆破方式，效果更為直接、明顯。

（3）我國西部的許多煤田屬于高瓦斯堅硬厚煤層，采用爆破弱化頂煤的方法對于高瓦斯厚煤層因其存在安全隱患而不宜采用，這嚴重的阻礙了放頂煤開采技術的推廣應用。借助于水力致裂基本概念，將堅硬煤層水力致裂和放頂煤實踐相結合的弱化途徑是可取的。

（4）現場監測表明：采用綜合措施，氣體災害源是可控的。建議嘗試以注水與超前預裂爆破等相結合的綜合弱化頂煤工藝，以期提高綜合安全和開采效益。

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