李永武

（新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091）

在放頂煤開采中，當(dāng)煤層為堅(jiān)硬厚煤層或者放頂煤工作面上覆巖層的礦山壓力顯現(xiàn)緩和(如條帶綜放工作面)，礦山壓力不能實(shí)現(xiàn)頂煤體充分的預(yù)破碎，達(dá)不到合適的破碎塊度，頂煤體不能在支架上方及時(shí)冒落并順利從支架后部放煤窗口放出，使得頂煤放出率低。不僅造成煤炭資源的巨大浪費(fèi)，而且形成了嚴(yán)重的安全隱患。很迫切需要尋找一種安全高效的技術(shù)措施來處理頂煤的冒放性、煤體自燃和瓦斯積聚的問題。目前對堅(jiān)硬頂煤進(jìn)行預(yù)先弱化處理是普遍采用且有效的手段。

1 頂煤弱化技術(shù)研究

1.1 頂煤弱化技術(shù)現(xiàn)狀

在目前生產(chǎn)中，現(xiàn)有及可能采用的技術(shù)措施主要有調(diào)節(jié)液壓支架壓力、定向水力壓裂、高壓預(yù)注水和深孔爆破與架間爆破技術(shù)。

1.1.1 調(diào)節(jié)液壓支架壓力

該方法主要通過調(diào)節(jié)液壓支架對頂煤的作用力，實(shí)現(xiàn)支架頂梁對支架上方頂煤體的反復(fù)支撐和擠壓，以此達(dá)到破碎頂煤、提高頂煤體冒放性的目的。實(shí)踐表明，調(diào)節(jié)液壓支架壓力，有利于提高頂煤的冒放性，但該方法實(shí)際影響頂煤冒放性的范圍相對較小(支架上方約1～2m)，實(shí)用性較差。

1.1.2 定向水力壓裂

定向水力壓裂是通過在煤巖層中利用特殊的開槽鉆頭開挖楔形槽，然后注入壓力水，利用水壓及楔形槽尖點(diǎn)的應(yīng)力集中作用克服煤巖層節(jié)理、層理面的黏結(jié)力，使其產(chǎn)生分層和裂隙，達(dá)到降低強(qiáng)度、弱化煤巖體目的的，由于定向水力壓裂方法對機(jī)具的性能要求較高(如開楔鉆頭和封孔器)及煤體因?qū)永?、?jié)理與工作面附近受支承壓力影響裂隙較發(fā)育、整體性差，楔形槽尖點(diǎn)應(yīng)力集中不明顯，開裂方向及效果不易掌握，現(xiàn)場應(yīng)用較少，目前該項(xiàng)技術(shù)尚處于設(shè)計(jì)開發(fā)階段。

1.1.3 高壓預(yù)注水

高壓預(yù)注水是通過鉆孔向煤巖體預(yù)注高壓水，利用壓力水對弱面的壓裂、沖刷以及楔入作用(水楔作用)，使煤巖體擴(kuò)大原有裂隙、產(chǎn)生新裂隙，破壞煤巖體整體性，降低其強(qiáng)度。同時(shí)，高壓注水還有弱化頂煤的化學(xué)作用。表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①壓力水對煤體中的一些軟弱結(jié)構(gòu)面起著潤滑劑的作用，使煤體的抗剪強(qiáng)度降低；②壓力水對煤巖體內(nèi)的某些礦物有溶解作用，礦物溶解后形成裂隙，壓力水又可沿裂隙楔入，形成新的裂隙，循環(huán)往復(fù)，使煤巖強(qiáng)度降低；③煤和某些夾矸軟巖吸水后會(huì)膨脹甚至崩解，吸水量越多，體積膨脹量越大，表面變形量也隨之增加，這種膨脹力作為一種附加應(yīng)力作用于煤巖體上，從而使其變形以致破壞。

高壓預(yù)注水方式在現(xiàn)場應(yīng)用較為廣泛，注水工作一般在工作面前60～100m 外進(jìn)行，以達(dá)到在工作面前方支承壓力區(qū)之外以壓裂為主，支承壓力區(qū)以內(nèi)以濕潤為主的目的，但由于煤體的透水性及軟化特性不一樣，頂煤弱化效果也不盡一致。

1.1.4 頂煤松動(dòng)爆破

對頂煤實(shí)施松動(dòng)爆破就是利用炸藥在煤體內(nèi)爆炸而形成空腔、壓碎區(qū)、松動(dòng)區(qū)使煤體預(yù)先破碎、松動(dòng)，待支架前移后，頂煤以小塊冒落，以利于提高采出率。按爆破孔實(shí)施的位置及孔深，頂煤爆破主要分架間爆破、兩巷深孔預(yù)爆破和工藝巷深孔預(yù)爆破等。

1）架間爆破具有以下特點(diǎn)：

（1）直接有效，易于及時(shí)掌握和調(diào)節(jié)頂煤弱化效果；

（2）節(jié)省投資(不必另開工藝巷或增大順槽的斷面等)；

（3）占用正常生產(chǎn)和設(shè)備檢修作業(yè)時(shí)間；

（4）對于高瓦斯工作面，安全性較差；

2）兩巷深孔預(yù)爆破具有以下特點(diǎn)：

（1）超前爆破，不占用工作面檢修和生產(chǎn)時(shí)間，效率較高。

（2）影響兩巷的運(yùn)輸生產(chǎn)與維護(hù)。要求兩順槽的斷面較大，能夠適合工人在巷內(nèi)打眼裝藥。

（3）影響工人安全作業(yè)。工人在兩巷打眼裝藥過程中，運(yùn)行中的礦車和膠帶會(huì)對其人身和工程質(zhì)量造成一定的危險(xiǎn)和破壞。

3）工藝巷深孔預(yù)爆破具有以下特點(diǎn)：

（1）不影響工作面及兩巷的正常生產(chǎn)與維護(hù)，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效；

（2）有利于高瓦斯及采空區(qū)高位瓦斯的排放和實(shí)現(xiàn)工作面預(yù)注水、降低煤塵；

（3）增加了巷道的掘進(jìn)量，工作面投資較大。

根據(jù)上述煤層綜放開采頂煤弱化技術(shù)措施的實(shí)際應(yīng)用及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)情況，按工作面長度百米以上和工作面長度百米以下兩種情況考慮。研究認(rèn)為，對于百米以上工作面(尤其是高瓦斯情況)，采用工藝巷爆破與注水防塵結(jié)合效果好，有利于實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效和安全生產(chǎn)；對于百米以下工作面(尤其是低瓦斯情況)，采用架間爆破，效果更為直接。

1.2 頂煤弱化技術(shù)分析

首先分析煤層注水的效果，一般情況下煤體的強(qiáng)度降低與煤體的含水率成正比，裂隙孔隙發(fā)育的煤層透水性強(qiáng)，容易注水，注水壓力較低，而煤體致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育的煤層透水性差，即使在較高注水壓力下也不一定能取得預(yù)期效果；有些地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈、承受開采支承壓力破壞嚴(yán)重的煤層區(qū)域，由于外生或次生裂隙大量形成，而使煤體透水性急劇增大，水從發(fā)育的裂隙中迅速流走，排至煤體之外，對軟化減小冒塊是極為不利的。另外，煤體的強(qiáng)度、變形特性、原煤含水率等物理力學(xué)性質(zhì)都對預(yù)注水軟化存在不同程度的影響。因此為了有效地改善頂煤冒放性，實(shí)施預(yù)注水技術(shù)之前，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟化特性實(shí)驗(yàn)，即預(yù)測煤體強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。

從頂煤弱化效果上講，爆破的適用性較注水更為廣泛，而煤層注水一般可以作為必要的補(bǔ)充。但水力致裂弱化技術(shù)具有多功能效應(yīng)，裂隙巖體水力致裂弱化技術(shù)不同于以往的煤層注水減塵，除了弱化巖體強(qiáng)度、降低沖擊礦壓危害外，還有幾個(gè)副產(chǎn)品，具有一舉多得的功效，是一項(xiàng)煤礦“綠色開采”技術(shù)。具體來說有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.2.1 弱化頂煤體(巖體)

通過水力裂縫弱化巖體的整體強(qiáng)度是采用水力致裂技術(shù)弱化堅(jiān)硬頂煤和處理堅(jiān)硬頂板的主要目的。水力致裂對巖體的弱化體現(xiàn)在兩方面：

（1）是通過水壓裂縫的破裂擴(kuò)展，改造巖體的宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)，弱化巖體的力學(xué)性能；

（2）是通過水對巖石的物理化學(xué)作用，降低巖石的力學(xué)性能。

二者共同作用弱化巖體的整體力學(xué)性能。弱化堅(jiān)硬頂煤可以改善頂煤的冒放性，減小頂煤破壞及運(yùn)移對支架的沖擊荷載；弱化頂板可以降低其整體強(qiáng)度，使頂板能及時(shí)垮落，減小頂板的沖擊礦壓危害，達(dá)到強(qiáng)度弱化減沖的目的。

數(shù)字化時(shí)代，制造業(yè)正在經(jīng)歷新的變革。由于信息化和自動(dòng)化基礎(chǔ)薄弱，基礎(chǔ)管理能力相對落后等原因，制造型企業(yè)在適應(yīng)市場環(huán)境變化，提升競爭力與盈利能力的過程中，面臨巨大挑戰(zhàn)。施耐德電氣（中國）有限公司工業(yè)事業(yè)部智能制造負(fù)責(zé)人李凱在采訪中表示：“施耐德電氣于20年前提出‘透明工廠’，這幾年我們在努力給透明工廠注入一些新的元素，來彌補(bǔ)企業(yè)‘看不見、夠不著、來不及’的短板?！?/p>

1.2.2 減塵

煤層注水減塵應(yīng)用于煤礦開采已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。在通過水力裂縫切割弱化煤體的同時(shí)提高了煤體的含水率，增強(qiáng)了煤體的濕潤效果，且比傳統(tǒng)意義上煤層注水減塵的濕潤效果更好，會(huì)降低工作面生產(chǎn)過程中煤塵的發(fā)生量。

1.2.3 預(yù)先釋放部分瓦斯

隨著水力致裂裂縫的破裂與擴(kuò)展，及其與原生裂隙和鉆孔的連通，使得裂隙附近煤體內(nèi)部分游離態(tài)的瓦斯通過鉆孔預(yù)先排放；同時(shí)煤體內(nèi)瓦斯原始賦存壓力和濃度的變化，使得部分吸附瓦斯也轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)瓦斯。這樣預(yù)致裂的結(jié)果一定程度上起到了預(yù)先排放瓦斯的作用，減少工作面瓦斯涌出量，有利于工作面的正常安全生產(chǎn)。

1.2.4 抑制煤自然發(fā)火

水具有吸熱降溫、抑制煤炭氧化進(jìn)程的作用，同時(shí)水對已經(jīng)氧化自熱升溫的煤炭具有散熱冷卻的作用，對綜放開采采空區(qū)遺煤自燃具有抑制作用。通過多個(gè)易自燃厚煤層低位綜放工作面頂煤水力致裂弱化的工業(yè)試驗(yàn)表明，工作面在開采過程中均未出現(xiàn)煤自燃發(fā)火現(xiàn)象。

2 實(shí)際生產(chǎn)中頂煤弱化效果

堿溝煤礦現(xiàn)場開采實(shí)踐表明，實(shí)施頂煤預(yù)爆破后，爆破段工作面生產(chǎn)期間未發(fā)生片幫冒頂，架后放煤過程中塊煤增多，工作面產(chǎn)量有一定提高，平均日產(chǎn)3750t。

3 結(jié)論

（1）硬厚煤層綜放開采將是目前我國西部，尤其是新疆煤炭開采面臨的重要技術(shù)難題。深入開展硬厚煤層綜放開采頂煤弱化及落放技術(shù)的系統(tǒng)研究，是十分必要的。

（2）目前現(xiàn)有及可能采用硬厚煤層綜放開采頂煤弱化的技術(shù)措施主要有調(diào)節(jié)液壓支架壓力、定向水力壓裂、高壓預(yù)注水和深孔爆破與架間爆破技術(shù)。研究認(rèn)為對于百米以上工作面(尤其是高瓦斯情況)，采用工藝巷爆破與注水防塵結(jié)合效果好，有利于實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效和安全生產(chǎn)；對于百米以下工作面(尤其是低瓦斯情況)，采用架間爆破方式，效果更為直接、明顯。

（3）我國西部的許多煤田屬于高瓦斯堅(jiān)硬厚煤層，采用爆破弱化頂煤的方法對于高瓦斯厚煤層因其存在安全隱患而不宜采用，這嚴(yán)重的阻礙了放頂煤開采技術(shù)的推廣應(yīng)用。借助于水力致裂基本概念，將堅(jiān)硬煤層水力致裂和放頂煤實(shí)踐相結(jié)合的弱化途徑是可取的。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測表明：采用綜合措施，氣體災(zāi)害源是可控的。建議嘗試以注水與超前預(yù)裂爆破等相結(jié)合的綜合弱化頂煤工藝，以期提高綜合安全和開采效益。

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［3］宋永津.注水、壓裂、弱化控制煤層堅(jiān)硬難冒頂板技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版設(shè)，2002.

［4］鄧廣哲.煤體致裂軟化理論與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2004.