大柳塔礦活雞兔井12煤下分層放頂煤工作面放煤效果研究

高士崗

(1.神東煤炭集團(tuán) 大柳塔煤礦，陜西 神木 719315；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

大柳塔煤礦活雞兔井12煤層復(fù)合區(qū)屬特厚煤層，煤層厚度為10m左右，煤層普氏系數(shù)約為3，且節(jié)理裂隙不發(fā)育、煤層韌性較好，埋深為76～106m，煤層埋深較淺。2001年3月至2006年5月對該盤區(qū)上分層進(jìn)行了綜采回采，且回采時未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施，上分層回采時采高為4.0m，剩余下分層煤層厚度為6m。經(jīng)過研究、論證，結(jié)合特厚煤層開采工藝和放頂煤開采工藝的特點[1-3]，對剩余6m厚的下分層采用綜放開采方法，采高3.7m，放頂煤2.3m，但是由于工作面采取外錯式布置巷道，下分層的巷道布置在上分層實體煤柱下方，因此，存在兩端頭放煤效果較差的問題，大塊多，頂煤不易回收而遺留于采空區(qū)，影響資源回收率，并且存在遺煤氧化自燃導(dǎo)致采空區(qū)產(chǎn)生火災(zāi)的風(fēng)險[4-11]。為了提高煤炭資源的回收率，減少采空區(qū)的遺煤，采取高壓水力預(yù)裂[12-14]、高壓氣體深孔預(yù)裂[8]進(jìn)行頂煤預(yù)先弱化，并且通過輔助措施改變頂煤的超前支承壓力，從而提高頂煤的可冒性和可放性[15]。

1 工作面基本條件

圖1 12下206工作面巷道布置

12下206綜放工作面位于大柳塔煤礦活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)下分層，工作面西北始于12煤南側(cè)輔運巷，工作面東側(cè)為12煤復(fù)合區(qū)的火燒邊界，北側(cè)為12下204采空區(qū)，工作面南側(cè)為12下208工作面，工作面正上方為12上206采空區(qū)，12下206工作面巷道布置如圖1所示。該工作面為刀把式工作面，12下206工作面長度為287m，推進(jìn)長度2687.6m，12下206回風(fēng)巷道布置在距離工作面回風(fēng)巷道沿傾向長度39.5m處的實體煤下方，該段煤層平均厚度為10m，正常回采期間工作面煤機(jī)采高3.7m，放煤高度6.3m，其余段工作面平均煤厚在6m左右，上覆為上分層采空區(qū)，煤機(jī)割煤高度3.7m，放煤高度2.3m。

12下206煤層類型以亮煤為主，單軸抗壓強(qiáng)度為13.2～56.7MPa，平均33MPa。采用166臺液壓支架和一組兩臺組合支架共同對工作面頂板進(jìn)行支護(hù)。工作面回采巷道使用“錨桿+錨索+冷拔絲網(wǎng)片”支護(hù)，上分層聯(lián)巷與本工作面回采巷道交叉點段使用U型棚進(jìn)行支護(hù)，工作面端頭側(cè)超前壓力集中區(qū)域20m范圍內(nèi)端頭采用液壓單體支柱和組合支架進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，機(jī)尾超前支護(hù)采取一組兩臺超前邁步支架支護(hù)。

2 工作面放煤效果

2.1 放煤工藝

12下206綜放工作面采煤工藝為：割煤—移架—推前溜—放煤—拉后溜。其中放煤采取“一采一放平行作業(yè)雙輪順序放煤”作業(yè)方式。即：在采煤機(jī)正常割煤過程中，隨著拉架、推前溜工序的完成，放煤工A滯后移架不少于10架依次動作支架插板和尾梁開始放頂煤作業(yè)。放煤工B滯后放煤工A在10架以上進(jìn)行第二輪放煤，見矸關(guān)門。放煤組成員必須遵循“無煤封口、見矸即止”的工作原則。當(dāng)綜放開采時，一刀一放每次移架放煤可以為頂煤提供松動空間，移架過程即為完成一次放煤。一刀一放時，移架、放煤及拉后部輸送機(jī)各工序的關(guān)系如圖2所示，順序為(a)→(b)→(c)→(a)。

圖2 放煤工序

2.2 無輔助措施下放煤效果

在12下206綜放工作面回采過程中，采高6m段，隨著工作面的推進(jìn)，頂煤在超前壓力的影響下，均能很好的從支架后部運輸機(jī)放出，采出率達(dá)90%左右。但是機(jī)尾39.2m，由于采高為10m，煤機(jī)采出3.7m，頂煤厚度6.3m，由于上分層未開采，煤層原有的力學(xué)特性未受到破壞，隨著工作面的推進(jìn)，頂煤不能及時斷裂、垮落，致使頂煤的冒放性差，大塊多，使頂煤不易回收而遺留于采空區(qū)，既造成了回收困難，又使煤炭資源浪費，影響資源回收率，該段回收率不足40%。

2.3 放煤效果原因分析

根據(jù)回采過程放煤效果和周期來壓分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)頭段(1#—125#支架)礦壓顯現(xiàn)不明顯，頂煤隨著放煤工操作支架后擋煤板很容易放出，主要原因是在開采過程中由于頂煤厚度只有2.3m，通過直接頂和頂煤介質(zhì)傳遞礦山壓力，在礦壓的作用下頂煤很容易變得破碎，所以礦壓顯現(xiàn)不明顯且放煤效果比較好。

機(jī)尾段(126#—166#支架)工作面周期來壓比較明顯，正常生產(chǎn)過程中頂煤冒放性比較差、頂煤塊度比較大，頂煤回收率比較低，只有在工作面來壓時放煤效果較好。分析其原因，主要是因為由于頂煤比較厚(此段頂煤厚為6.3m)，且上部頂煤堅硬，頂煤充當(dāng)了直接頂?shù)囊徊糠?，在支架未冒頂煤和已冒頂煤之間形成了拱式平衡結(jié)構(gòu)，即“煤-煤”結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 “煤-煤”拱式平衡結(jié)構(gòu)

3 水力預(yù)裂輔助放煤

為了弱化頂煤，增強(qiáng)頂煤的裂隙，減小頂煤的塊度，進(jìn)一步提升放頂煤的回收率。在工作面推進(jìn)至200m時采用水力預(yù)裂技術(shù)。

3.1 水力預(yù)裂鉆孔設(shè)計

試驗一段在12下206-1回風(fēng)巷距離切眼推進(jìn)200m處開始施工，鉆孔間隔為10m，鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工，鉆頭?56mm，鉆孔的傾角為12°，鉆孔長度為34.5m/29.5m，共施工10個鉆孔。試驗二段在12下206-1回風(fēng)巷距離切眼推進(jìn)300m處開始施工，鉆孔間隔為6m，鉆孔采用ZDY1200S型全液壓鉆機(jī)施工，鉆頭?56mm，鉆孔的傾角為14°，鉆孔長度為34.5m/29.5m，共計施工17個鉆孔并采用高壓水壓裂。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 水力預(yù)裂鉆孔布置(m)

3.2 水力預(yù)裂鉆孔施工

水力壓裂弱化頂煤采用橫向切槽鉆頭，預(yù)制橫向切槽，利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達(dá)到封孔目的，然后連接高壓泵實施壓裂。

預(yù)裂鉆孔施工采用單孔多次壓裂方式進(jìn)行高壓水預(yù)裂，壓裂間隔為2m，壓裂時間為15min，在距離孔口9m時，停止壓裂，平均每個孔壓裂13次。壓裂強(qiáng)度為10～16MPa，隨著距離孔口漸近，泵壓逐步減小，減小幅度約為1MPa。壓裂時間為15min，注入水量為1.35t。預(yù)裂段范圍對應(yīng)工作面142#—158#支架。

3.3 水力預(yù)裂放煤效果

根據(jù)現(xiàn)場觀測可看出，當(dāng)預(yù)裂孔間距為6m時，放煤效果比未預(yù)裂和預(yù)裂鉆孔為10m時的效果好，在工作面140#—151#頂煤回收效果較好，回收率能達(dá)到70%，主要是因為140#—150#支架段處在上分層應(yīng)力集中場內(nèi)，再加之水力預(yù)裂對頂煤原始裂隙的破壞，所以放煤效果比較好，但是在151#—161#支架段，放煤過程中大塊仍然比較多，頂煤回收率只能達(dá)到50%，該段只受到水力預(yù)裂對原始頂煤裂隙的擴(kuò)張方面因素的影響，所以頂煤回收率低于140#—151#支架。

水力預(yù)裂雖然可以提升頂煤的冒放性，但是效果并不突出，垮落下來的頂煤大塊仍比較多，可回收的小塊仍比較少，頂煤回收率不高。主要原因為該種預(yù)裂方法，水壓力小了不能有效預(yù)裂，壓力大了高壓水會順著阻力小的裂隙跑掉，整個預(yù)裂過程不可控，預(yù)裂完后大塊仍然比較多、效果不好，嚴(yán)重影響放煤效果。

4 高壓氣體深孔預(yù)裂輔助放煤

由于采用高壓水預(yù)裂頂煤效果不佳，在工作面推進(jìn)至500m時，采用高壓氣體深孔預(yù)裂新技術(shù)對頂煤實施預(yù)裂弱化。

4.1 高壓氣體預(yù)裂鉆孔設(shè)計

鉆孔參數(shù)：鉆孔在工作面回風(fēng)巷道50m范圍內(nèi)，共布置6個孔，鉆孔間距為12m，其中30.7m的孔3個，水平傾角12°，裝藥長度為18m；鉆孔長度28.4m的孔3個，水平傾角13°裝藥長度16.2m。鉆孔直徑86mm，總裝藥量為508.2kg。鉆孔設(shè)計如圖5所示。

圖5 高壓氣體預(yù)裂鉆孔布置(m)

4.2 高壓氣體預(yù)裂工藝

高壓氣體預(yù)裂的工藝依次為：打鉆—裝藥—封孔—連線—放炮。其中固體產(chǎn)氣預(yù)裂藥劑，分為A型藥卷、B型藥卷和C型藥卷，A型藥卷直徑76mm、長900mm，主要作用是在瞬間產(chǎn)生大量的氣體，B型藥卷直徑76mm、長900mm，主要作用是爆炸，C型藥卷直徑10mm、長900mm，主要作用是起點火作用。超低溫氣體壓裂裝置技術(shù)的特點是常溫常壓下不燃燒，高溫高壓下迅速燃燒，產(chǎn)生大量氣體，煤層壓裂后停止分解，安全可控。鉆孔中藥卷裝入順序，如圖6所示。

1)1號孔裝藥：先裝入B型藥卷1節(jié)，再裝入帶點火藥的直徑A型藥卷7節(jié)(帶點火藥的放7節(jié)的中間位置，點火端朝里)，然后再放入B型藥卷1節(jié)，之后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置，點火端朝里)，再放入1節(jié)B型藥卷后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置，點火端朝里)，之后封孔。

2)2號孔裝藥：先裝入B型藥卷1節(jié)，再裝入帶點火藥的A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置，點火端朝里)，然后再放入B型藥卷1節(jié)，之后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置，點火端朝里)，再放入1節(jié)B型藥卷后放入A型藥卷5節(jié)(帶點火藥的放5節(jié)的中間位置，點火端朝里)，之后封孔。

3)封孔時先填入1m長的黃泥搗實，然后裝入快速水泥，并將快速水泥搗實，1號孔快速水泥裝入11m，2號孔快速水泥裝入10m。將每個鉆孔的三個點火藥線并聯(lián)后，打通斷，然后孔與孔之間串聯(lián)后與放炮母線相連，再打通斷。最后一個孔封孔完畢后，封孔水泥要凝固至少40min。連接完后方可放炮。

圖6 鉆孔裝藥方案

4.3 高壓氣體預(yù)裂放煤效果

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場觀測可看出，工作面回采至預(yù)裂孔前后30m范圍內(nèi)，140#—160#支架壓力減弱，機(jī)尾段無明顯的周期來壓，架后頂煤隨著支架前移及時垮落，大塊率顯著降低，塊度均勻，大大提高了回收率，頂煤回收率可達(dá)85%左右。

5 結(jié) 論

1)堅硬厚煤層采用放頂煤開采時，支架后部采空區(qū)已冒落頂煤和未垮落的頂煤之間形成“煤-煤”拱式平衡結(jié)構(gòu)，頂煤回收率底，容易造成資源浪費，需采取輔助放煤措施。

2)對于堅硬頂煤采用輔助措施進(jìn)行放煤，固體產(chǎn)氣預(yù)裂劑預(yù)裂的效果優(yōu)于高壓水力預(yù)裂裂。主要是因為水力壓裂壓力小，裂隙無法擴(kuò)張，壓力大時，水會從大裂隙阻力小的地方流出，而達(dá)不到均勻預(yù)裂的效果。同時水分子較氣體分子大，無法進(jìn)入孔隙微孔隙，高壓水只會沿已有的大裂隙流動，而不會產(chǎn)生新的裂隙孔隙。然而采用固體產(chǎn)氣預(yù)裂劑深孔預(yù)裂技術(shù)，高壓氣體可以迅速的楔入新生裂隙及煤體原始裂隙使裂隙擴(kuò)展，結(jié)合二次爆轟，將裂隙間的煤塊進(jìn)行網(wǎng)格性壓裂劃分，可以有效提高放頂煤的回收率。