李永強(qiáng)，孫光燦，劉新杰

含硬結(jié)核薄煤層綜采面煤體水力致裂弱化技術(shù)

李永強(qiáng)1，孫光燦1，劉新杰2

(1.臨沂礦業(yè)集團(tuán) 田莊煤礦，山東 兗州 272100;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510)

田莊煤礦屬薄煤層礦井，所主采的17煤，煤層厚度平均0.95 m，煤層中富含堅(jiān)硬的硫化鐵結(jié)核石，嚴(yán)重制約著薄煤層綜采的高效安全生產(chǎn)。介紹了在采煤機(jī)割煤時(shí)，提前對煤體進(jìn)行濕潤軟化來降低煤層的整體力學(xué)性能，對硫化鐵結(jié)核石預(yù)先松動(dòng)，減少采煤機(jī)截齒消耗，提高煤層的可采效率，實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采工作面的高效安全生產(chǎn)。

薄煤層;硫化鐵結(jié)核石;綜采工作面;水力致裂弱化

臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦所主采的17煤，煤層中含硫化鐵結(jié)核石，其硬度大、分布不均以及分布的無規(guī)律性，一直制約著該礦機(jī)械化采煤的高效安全生產(chǎn)［1－3］。為此，該礦專門成立了調(diào)研小組，通過與科研院所、高校及廠家合作研究、攻關(guān)，從理論、實(shí)踐等方面證實(shí)了薄煤層綜采工作面煤體水力致裂弱化技術(shù)的可行性，并根據(jù)綜采工作面生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及煤層賦存條件，確定了注水工藝流程，從而實(shí)現(xiàn)了薄煤層綜采的高效安全生產(chǎn)，并且獲得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 3701綜采工作面概況

1.1 工作面煤層

17煤位于太原組下部主要含煤段，上距16上煤6 m左右，距16下煤3.2 m左右，下距18煤6 m左右，層間距穩(wěn)定，為本井田主采煤層之一。17煤為黑色塊狀，光亮型，沉積穩(wěn)定，厚度一般在0.95 m左右，煤層富含夾矸，夾矸巖性為黃鐵礦(呈層狀和塊核狀不規(guī)律分布)，煤質(zhì)硬度f=2.5～3.5，黃鐵礦硬度最大為f=11，厚度一般在0.1～0.3 m。17煤為良好的動(dòng)力用煤。

1.2 煤層頂?shù)装?/h3>

17煤層頂?shù)谞顩r見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍫顩r表

1.3 回采工作面布置及地質(zhì)構(gòu)造情況

3701面為三采區(qū)17層煤首采采煤工作面，工作面各順槽布置為正南正北方向。該工作面內(nèi)有2個(gè)次一級寬緩小褶曲。北部為沙河向斜：軸向38°，并緩慢向北東傾伏;南部為齊家村背斜：軸向36°，并向東北傾伏。整個(gè)工作面呈一傾向?yàn)?26°的單斜，北部地層較緩，南部略陡，傾角一般為0°～9°，平均為6°。工作面布置方式見圖1。

1.4 采煤方法及回采工藝

工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤，完全垮落法管理頂板。循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，最大控頂距4.37 m，最小控頂距3.77 m。工作面支護(hù)方式及最大、最小控頂距見圖2。

圖1 3701工作面布置示意圖

2 煤體水力致裂弱化技術(shù)應(yīng)用情況

2.1 作用機(jī)理

通過煤壁向煤體深部打鉆孔的辦法用壓力水濕潤尚未開采的煤體，動(dòng)壓水被壓入煤體后，沿著煤層中裂隙或?qū)?、?jié)理通道緩慢滲透流動(dòng)，水均勻分布于煤層無數(shù)細(xì)微的裂隙和孔隙之中，使煤體采前充分濕潤軟化，降低煤層的整體力學(xué)性能，提高煤層的可采效率。

圖2 工作面支護(hù)布置示意圖

2.2 注水工藝及參數(shù)

1)鉆孔直徑。采用WSP－500架柱式乳化液鉆機(jī)打鉆孔，JZF－A22/0.5型封孔器封孔，鉆桿直徑為d42 mm，鉆頭直徑為 d50 mm，故取鉆孔直徑為d50 mm。

2)鉆孔長度。影響鉆孔長度的因素有：煤層的透水性、工作面長度、注水時(shí)間和注水壓力、鉆機(jī)情況以及煤層傾角、厚度、構(gòu)造等。計(jì)算公式為：

式中：

L—鉆孔長度，m;

L1—工作面長度，取122 m;

M—與煤層透水性和鉆孔方向有關(guān)的系數(shù)。單向鉆孔長度比工作面短20～40 m，取40 m，故鉆孔長度為82 m。

3)鉆孔間距。根據(jù)該礦煤層賦存條件等保證工作面注水效果，鉆孔間距取20 m。

4)鉆孔角度。鉆孔角度與煤層傾角保持一致，使鉆孔始終保持在煤層中，以免穿透頂?shù)装?。考慮到鉆桿的下沉，開口位置宜靠近煤層上部。

3701綜采面鉆孔布置平面圖見圖3。3701綜采面軌道順槽布置鉆孔時(shí)，鉆孔距離巷道底板1.5 m，每一個(gè)鉆孔的位置、傾角，需嚴(yán)格按照給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行打鉆施工，鉆孔剖面圖見圖4。

圖3 3701綜采工作面鉆孔布置平面圖

5)封孔深度要求。a)注水時(shí)不從孔口及其附近煤壁返水、泄水、滲水。b)在濕潤半徑未達(dá)到設(shè)計(jì)要求前不發(fā)生泄水、滲水現(xiàn)象。c)使用膨脹式封孔器，封孔深度6 m，當(dāng)注入壓力水后，封孔器自動(dòng)膨脹封閉鉆孔，停止注水后，封孔器自動(dòng)卸壓。

6)封孔方式：采用JZF－A22/0.5型封孔器封孔。

圖4 鉆孔剖面圖

7)注水系統(tǒng)及注水參數(shù)。a)注水系統(tǒng)：采用動(dòng)壓注水系統(tǒng)，注水泵型號ZZBQ－10－12(原QZB－60/18)，動(dòng)壓注水系統(tǒng)示意圖見圖5。水源：地面水池→東大巷→二采軌道下山→二采南軌道巷→3701下順→3701綜采工作面。b)注水壓力。注水壓力為8～10 MPa。c)注水量。濕潤半徑：根據(jù)注水情況看，濕潤半徑為10～12 m。注水結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注水壓力達(dá)到8～10 MPa時(shí)，每孔應(yīng)持續(xù)進(jìn)行注水，當(dāng)順槽或工作面出現(xiàn)均勻的“出汗”滲水時(shí)，作為煤體已全面濕潤的標(biāo)志，并以此作為控制注水時(shí)間的依據(jù)，該孔停止注水，并記錄水表流量作為每孔注水量。

圖5 動(dòng)壓注水系統(tǒng)示意圖

2.3 應(yīng)用效果分析

1)循環(huán)時(shí)間。該礦煤層結(jié)構(gòu)的特殊性，一直制約著采煤機(jī)截割速度的提高，速度過快機(jī)身則會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場的測定，直接截割每個(gè)循環(huán)時(shí)間大約在1 h 20 min左右(包括割三角煤進(jìn)刀)。采用該技術(shù)后，每個(gè)循環(huán)時(shí)間減少至1 h左右，采煤機(jī)的截割速度大大提高，同時(shí)也提高了采煤效率。

2)材料消耗。根據(jù)前期回采試驗(yàn)來看，材料消耗在薄煤層綜采中主要體現(xiàn)在截齒上，其他備用材料只是前期投入較大，在生產(chǎn)中相對比較穩(wěn)定。由于煤層硬度較大且含硫化鐵結(jié)核石，在回采過程中直接截割每小班消耗截齒在7～9個(gè)，采用煤體水力弱化技術(shù)后截齒消耗在3～5個(gè)，減少了截齒的消耗，節(jié)約了材料成本。

3 結(jié)論

應(yīng)用煤體水力致裂弱化技術(shù)，可以解決含高硬度硫化鐵結(jié)核薄煤層生產(chǎn)效率低、采煤機(jī)截齒消耗多、故障率高的難題，且社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。煤體水力致裂弱化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了薄煤層綜采的高產(chǎn)、高效，該技術(shù)可廣泛推廣到類似條件下的礦區(qū)使用，推進(jìn)了我國薄煤層機(jī)械化采煤的進(jìn)程。

［1］ 趙麗娟，陳 穎，董萌萌.滾筒截齒對采煤機(jī)截割部工作可靠性的影響研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(12)：104－110.

［2］ 徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999：463－479.

［3］ 沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007：62－101.

［4］ 苑連菊.工程滲流力學(xué)應(yīng)用［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2001：1－33.

Hydraulic Crack Weakening Technology of Contained Hard Concretion Thin Coal Seam in Fully Mechanized Working Face

Li Yong－qiang，Sun Guang－can，Liu Xin －jie

Tianzhuang coal mine belong to thin coal seam mine，main mining No.17 coal，the average thickness is 0.95 meters，hard iron sulfide concretion is rich in coal seam，seriously restricts efficient and safe production of the thin coal seam fully mechanized mining.Introduces when the coal winning machine cut coal，in advance wet and soften the coal mass，reduce the overall mechanical properties of coal seam，in advance to iron sulfide concretion blasting，become loose，reduce coal winning machine picks consumption，improve recoverable efficiency of coal seam and realize highefficiency and safe production in the thin coal seam fully mechanized working face.

Thin coal seam;Iron sulfide concretion;Fully mechanized coal mining face;Hydraulic crack weakening

TD823.25+1

A

1672－0652(2011)11－0034－03

2011－09－19

山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YCB100106)

李永強(qiáng)(1973—)，男，山東濟(jì)寧人，1993年畢業(yè)于大同煤炭工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦采掘生產(chǎn)和管理工作(E －mail)sun_guangcan@163.com