急傾斜綜放工作面堅硬頂煤弱化技術(shù)＊

劉金凱 趙健健 張世青 李 騏 馬 越

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，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(fù)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(fù)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(yù)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(guān)鍵技術(shù)問題。目前關(guān)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(nóng)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(shù)及應(yīng)用效果加以介紹，為同類地質(zhì)條件下綜放工作面安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 工作面概況

新疆兵團農(nóng)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(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，頂板巖性為粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，底板巖性為粉砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖。煤層硬度系數(shù)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(zhǔn)”，工作面設(shè)計采高2.5 m，循環(huán)進(jìn)度0.6 m，采放比約為1∶3。工作面推進(jìn)長度為550 m，運輸平巷長660 m，回風(fēng)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(fēng)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(nèi)深孔爆破相結(jié)合的方式，進(jìn)行頂煤預(yù)先綜合弱化。在頂煤弱化順序上優(yōu)先采用高壓注水弱化工藝，在注水弱化工藝不能實現(xiàn)弱化目的情況下，進(jìn)行爆破弱化，達(dá)到頂煤順利放出的目的。

2 鉆孔高壓注水弱化技術(shù)

2.1 注水弱化原理

鉆孔高壓注水弱化技術(shù)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(chǎn)生變形，產(chǎn)生的新裂縫和原有空隙加寬、構(gòu)造斷裂，煤層膨脹使煤巖層強度降低。同時，水流進(jìn)入煤體內(nèi)，改變頂煤的整體結(jié)構(gòu)和整體力學(xué)性能，使頂煤抵抗外力破壞的整體強度預(yù)先降低，改善煤體原始結(jié)構(gòu)和煤體應(yīng)力狀態(tài)，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(yù)改良為比較松軟或節(jié)理裂隙度發(fā)育較好的煤體，在上覆冒落巖層產(chǎn)生的礦山壓力和支架支承壓力的反復(fù)擠壓和破壞作用下，頂煤在到達(dá)冒放區(qū)時已被充分破壞，達(dá)到在常態(tài)條件下頂煤的充分破碎和自然垮落，實現(xiàn)煤體在采空區(qū)側(cè)的放出。

2.2 注水孔布置及參數(shù)

在工作面頂煤弱化工藝巷內(nèi)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(nèi)按照扇形布置10個注水弱化孔，其中靠近回風(fēng)平巷側(cè)布置4個孔，以偶數(shù)字編號，靠運輸平巷側(cè)布置6個孔，以奇數(shù)字編號，各個注水孔的參數(shù)及布置情況如表1和圖1所示。

表1 頂煤注水弱化孔參數(shù)

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(jié)強度并能擠壓劈開煤體中的封閉裂隙，產(chǎn)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(dāng)煤體出現(xiàn)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(zhǔn)，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(dāng)煤體發(fā)生清脆的斷裂聲時，表示煤體已經(jīng)開始軟化，當(dāng)巷道幫滲出水珠或巷道壓力增大，表明煤體已經(jīng)軟化，注水范圍內(nèi)及兩條回采巷道出現(xiàn)淋水后，停止注水。

（2）封孔。封孔是煤層注水的關(guān)鍵。由于煤層本身存在節(jié)理裂隙，再加上鉆孔孔口封孔不良，會出現(xiàn)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(yīng)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(nèi)3 m長段必須進(jìn)行密封，鉆孔封口使用FKT－1型推脹式封口器。

3 頂煤預(yù)爆破弱化技術(shù)

3.1 炮孔布置及參數(shù)

采用在豎直面內(nèi)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(fēng)平巷側(cè)布置的為雙號孔、運輸平巷側(cè)布置的為單號孔。每排1?？卓卓诰囗斆喝趸に囅锏装?.2 m，2?？卓卓诰嗳趸に囅锏装?.2 m。每排布置19個孔（靠回風(fēng)平巷側(cè)布置14個孔，靠運輸平巷側(cè)布置5個孔）。每排頂煤弱化孔參數(shù)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(yù)爆破弱化工藝流程

頂煤預(yù)爆破弱化技術(shù)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(nèi)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(xù)爆破12排，以后每次施工12排，爆破12排，預(yù)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(zhì)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(dá)到設(shè)計要求。要求在工作面超前35～60 m范圍內(nèi)進(jìn)行爆破。

表2 頂煤預(yù)爆破弱化孔參數(shù)

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(chǎn)量達(dá)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(jié)束，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。工作面在推采期間及封閉后，沒有出現(xiàn)過煤炭自燃征兆，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

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