20 m特厚煤層綜放開采礦壓規律與放煤工藝研究

研發起止時間：2017.10～2019.12

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司、天地科技股份有限公司

成果水平：國際先進

1 項目背景

我國特厚煤層（14 m～20 m）綜放工作面采出率一般在82%左右，雖然滿足了國家規范要求，但由于特厚煤層綜放工作面儲量大，產量高，低采出率導致的煤炭資源損失十分嚴重，而且提高頂煤放出率是一直存在的技術難點之一，并且是影響綜放工作面效益的重要因素。

針對大同煤田賦存的3-5號特厚煤層賦存條件系統地研究特厚煤層綜放開采頂煤冒放理論、放煤工藝參數、礦壓顯現規律和側向煤巖層運移規律等，以便指導工作面回采過程中的頂板控制，提高頂煤放出率，和工作面采出率，實現特厚煤層綜放工作面安全高效開采。

2 研究內容

（1）20 m特厚煤層原生裂隙分級評價

采用實驗室實驗、鉆孔窺視、地應力測試等方法獲得馬道頭煤業3-5號煤層煤巖物理力學參數、煤巖體裂隙發育特征、地應力分布規律等，利用全工作面的頂煤裂隙統計、分級評價，提前掌握特厚頂煤體的賦存狀況，得到真實的3-5號煤層賦存狀況，提前掌握工作面回采過程中的煤厚變化區、俯采仰采區域，為工作面生產采取針對性的頂板管理和放煤管理奠定基礎。

（2）20 m特厚煤層綜放開采頂煤冒放時空特征研究

利用大型物理相似模擬實驗臺和數值模擬軟件，研究頂煤上部、中部、下部的破裂、時空運移特征及其在放落過程中有可能或極易形成的空間結構，得到馬道頭煤業3-5號特厚煤層綜放開采頂煤放出機制、冒放體形態和煤矸分界面發育特征，同時放煤架數與頂煤放出時間間的關系如圖1所示。

圖1 同時放煤架數與頂煤放出時間關系

（3）20 m特厚煤層綜放開采放煤工藝參數研究

采用數值模擬方法分析不同放煤順序和放煤輪次條件下頂煤的放出率及含矸率，采用“等量差動”放煤方式有效提高了特厚煤層綜放工作面頂煤放出率，在試驗期內統計得到頂煤的放出率如圖2所示。

圖2 試驗期間頂煤放出率

（4）20 m特厚煤層綜放開采覆巖結構及礦壓規律研究

采用現場實測、實驗室實驗、數值模擬相結合的研究方法，研究采場覆巖運移規律及側向覆巖結構特征。運用相關理論建立煤柱上覆頂煤頂板結構力學模型，分析采場覆巖載荷傳遞機制，得到特厚煤層綜放開采強礦壓顯現規律。針對載荷源巖層，有針對性地采取水壓致裂方法處理此關鍵巖層，維護巷道圍巖的穩定，服務于工作面安全高效回采。

工作面進入水力壓致裂區域后，巷道變形量有所下降，基本能夠滿足輔助運輸的要求，具體情況如表1所示。

表1 巷道變形情況對比表

壓裂后井下巷道如圖3所示。

圖3 壓裂后巷道實拍

3 主要研究成果

（1）基于鉆孔窺視方法分級評價20m特厚煤層原生裂隙，研究多放煤口放煤適應性。

（2）提出“等量差動”放煤方式。

（3）基于20 m特厚煤層綜放開采巷道沿空側覆巖結構特征，構建側向支承壓力計算模型，揭示特厚煤層綜放開采巷道沿空側覆巖載荷傳遞機制。提出采用水壓致裂方法增大巖層破斷角，降低側向低位覆巖懸臂長度。

4 應用效益

馬道頭煤業有限公司應用新型“等量差動”放煤工藝，有效提高了特厚煤層綜放開采頂煤放出率，與原有的放煤工藝相比，頂煤放出率提高了5個百分點，經濟效益顯著；通過側向覆巖層卸壓，維護了巷道圍巖的穩定，為特厚煤層綜放開采提供了高效、安全保障。

本項目于2020年6月通過中國煤炭工業協會組織的專家鑒定，研究成果達到國際先進水平。

（供稿：大同煤礦集團有限責任公司技術中心：臧歡歡）