20 m特厚煤層綜放開(kāi)采礦壓規(guī)律與放煤工藝研究

研發(fā)起止時(shí)間：2017.10～2019.12

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司、天地科技股份有限公司

成果水平：國(guó)際先進(jìn)

1 項(xiàng)目背景

我國(guó)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(guó)家規(guī)范要求，但由于特厚煤層綜放工作面儲(chǔ)量大，產(chǎn)量高，低采出率導(dǎo)致的煤炭資源損失十分嚴(yán)重，而且提高頂煤放出率是一直存在的技術(shù)難點(diǎn)之一，并且是影響綜放工作面效益的重要因素。

針對(duì)大同煤田賦存的3-5號(hào)特厚煤層賦存條件系統(tǒng)地研究特厚煤層綜放開(kāi)采頂煤冒放理論、放煤工藝參數(shù)、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和側(cè)向煤巖層運(yùn)移規(guī)律等，以便指導(dǎo)工作面回采過(guò)程中的頂板控制，提高頂煤放出率，和工作面采出率，實(shí)現(xiàn)特厚煤層綜放工作面安全高效開(kāi)采。

2 研究?jī)?nèi)容

（1）20 m特厚煤層原生裂隙分級(jí)評(píng)價(jià)

采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、鉆孔窺視、地應(yīng)力測(cè)試等方法獲得馬道頭煤業(yè)3-5號(hào)煤層煤巖物理力學(xué)參數(shù)、煤巖體裂隙發(fā)育特征、地應(yīng)力分布規(guī)律等，利用全工作面的頂煤裂隙統(tǒng)計(jì)、分級(jí)評(píng)價(jià)，提前掌握特厚頂煤體的賦存狀況，得到真實(shí)的3-5號(hào)煤層賦存狀況，提前掌握工作面回采過(guò)程中的煤厚變化區(qū)、俯采仰采區(qū)域，為工作面生產(chǎn)采取針對(duì)性的頂板管理和放煤管理奠定基礎(chǔ)。

（2）20 m特厚煤層綜放開(kāi)采頂煤冒放時(shí)空特征研究

利用大型物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)值模擬軟件，研究頂煤上部、中部、下部的破裂、時(shí)空運(yùn)移特征及其在放落過(guò)程中有可能或極易形成的空間結(jié)構(gòu)，得到馬道頭煤業(yè)3-5號(hào)特厚煤層綜放開(kāi)采頂煤放出機(jī)制、冒放體形態(tài)和煤矸分界面發(fā)育特征，同時(shí)放煤架數(shù)與頂煤放出時(shí)間間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 同時(shí)放煤架數(shù)與頂煤放出時(shí)間關(guān)系

（3）20 m特厚煤層綜放開(kāi)采放煤工藝參數(shù)研究

采用數(shù)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(dòng)”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(yàn)期內(nèi)統(tǒng)計(jì)得到頂煤的放出率如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)期間頂煤放出率

（4）20 m特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)及礦壓規(guī)律研究

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，研究采場(chǎng)覆巖運(yùn)移規(guī)律及側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)特征。運(yùn)用相關(guān)理論建立煤柱上覆頂煤頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析采場(chǎng)覆巖載荷傳遞機(jī)制，得到特厚煤層綜放開(kāi)采強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。針對(duì)載荷源巖層，有針對(duì)性地采取水壓致裂方法處理此關(guān)鍵巖層，維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定，服務(wù)于工作面安全高效回采。

工作面進(jìn)入水力壓致裂區(qū)域后，巷道變形量有所下降，基本能夠滿足輔助運(yùn)輸?shù)囊?，具體情況如表1所示。

表1 巷道變形情況對(duì)比表

壓裂后井下巷道如圖3所示。

圖3 壓裂后巷道實(shí)拍

3 主要研究成果

（1）基于鉆孔窺視方法分級(jí)評(píng)價(jià)20m特厚煤層原生裂隙，研究多放煤口放煤適應(yīng)性。

（2）提出“等量差動(dòng)”放煤方式。

（3）基于20 m特厚煤層綜放開(kāi)采巷道沿空側(cè)覆巖結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建側(cè)向支承壓力計(jì)算模型，揭示特厚煤層綜放開(kāi)采巷道沿空側(cè)覆巖載荷傳遞機(jī)制。提出采用水壓致裂方法增大巖層破斷角，降低側(cè)向低位覆巖懸臂長(zhǎng)度。

4 應(yīng)用效益

馬道頭煤業(yè)有限公司應(yīng)用新型“等量差動(dòng)”放煤工藝，有效提高了特厚煤層綜放開(kāi)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(gè)百分點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著；通過(guò)側(cè)向覆巖層卸壓，維護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定，為特厚煤層綜放開(kāi)采提供了高效、安全保障。

本項(xiàng)目于2020年6月通過(guò)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

（供稿：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心：臧歡歡）