趙第泰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037100）

煤炭開(kāi)采工藝是影響工作面生產(chǎn)能力和安全性的主要因素。鑒于我國(guó)煤層特點(diǎn)變化較大且分布較廣，選擇適合煤層所在區(qū)域的地質(zhì)條件、綜合考慮開(kāi)采的成本和安全性尤為重要。綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)由于其高生產(chǎn)能力、高效率以及其具有可觀收益等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于緩傾斜、急傾斜以及厚煤層工作面的開(kāi)采中[1]。但是，針對(duì)堅(jiān)硬厚煤層的開(kāi)采條件而言，如何結(jié)合其上覆巖的破斷規(guī)律、頂板破碎的運(yùn)移規(guī)律以及頂煤的放冒特性最終確定合理的綜采放頂煤工藝尤為重要，因此本文重點(diǎn)展開(kāi)對(duì)綜采放頂煤技術(shù)及其工藝的應(yīng)用研究。

1 工程概況

此次所研究的礦井地處我國(guó)西部，該煤礦所在區(qū)域無(wú)較大的河流和含水層，煤礦的實(shí)際用水量來(lái)源于冬雪的融化和降雨的積水。所研究工作面的走向長(zhǎng)度為1 230 m，該工作面的巷道形狀為矩形，斷面面積為12 m2。目前，工作面采用錨網(wǎng)索的形式進(jìn)行支護(hù)，所采用的開(kāi)采方法為綜采放頂煤方式，針對(duì)性的頂板處理方式為頂板垮落法。經(jīng)探測(cè)，工作面煤層的傾角范圍為7°～9°，煤層的平均厚度為32.49 m。工作面的頂?shù)装宓刭|(zhì)條件如表1 所示。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

此外，該礦井屬于低瓦斯礦井。在2018 年經(jīng)瓦斯鑒定所得數(shù)據(jù)為：工作面瓦斯的最大絕對(duì)涌出量為5.22 m3/min，最大相對(duì)涌出量為1.547 m3/t。

2 綜采放頂煤技術(shù)應(yīng)用的可行性分析

2.1 工作面頂煤冒放性影響因素分析

所謂的綜采工作面頂煤冒放特性是指工作面頂煤在支撐壓力的作用下，是否能夠較為容易的冒落或者放出的特性。該項(xiàng)參數(shù)是分析該工作面是否可采用放頂煤開(kāi)采方式的基礎(chǔ)，同時(shí)為放頂煤開(kāi)采工藝的安全開(kāi)采提供依據(jù)[2]。

從原理上講，影響工作面頂煤冒落和放出難易程度的主要因素包括工作面煤層的強(qiáng)度、煤層中夾雜矸石的情況、煤層的完整性、擬采用放頂煤工藝對(duì)應(yīng)的采放高度比、工作面頂?shù)装宓牡刭|(zhì)條件以及煤層的賦存深度等條件，結(jié)合工作面實(shí)際情況，對(duì)相應(yīng)的具體影響機(jī)理一一進(jìn)行分析：

1）煤層的強(qiáng)度越大，代表其越難破碎，對(duì)應(yīng)的冒放特性較差。該工作面煤層的硬度范圍為2.8～3.2，垮落角約62.5°，對(duì)應(yīng)的頂煤垮落特性較差，容易出現(xiàn)較大的懸頂現(xiàn)象。

2）煤層夾矸情況可根據(jù)矸石硬度分為夾軟矸和夾硬矸。其中，煤層夾軟矸對(duì)煤層冒放有利；夾硬矸對(duì)煤層冒放不利。該礦井工作面所夾雜矸石比煤層硬，且厚度約為3.6 m，對(duì)煤層的冒犯特性不利[3]。

3）結(jié)合實(shí)際探測(cè)結(jié)果，該工作面煤層的硬度較大且對(duì)應(yīng)的節(jié)理、裂隙不發(fā)育，也就是說(shuō)，該工作面煤層的完整性較好，不易被破壞，導(dǎo)致其不容易被破碎，對(duì)應(yīng)的冒放特性不好。

4）結(jié)合工作面的實(shí)際情況計(jì)算可知，當(dāng)采放比大于2.25 時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤層放煤效果不佳。該工作面的采煤高度為3 m，對(duì)應(yīng)的臨界煤層厚度為6.75 m；實(shí)際上工作面的煤層厚度為20 m，采放比遠(yuǎn)大于2.25。為實(shí)現(xiàn)放頂煤工藝的應(yīng)用，需增加煤層截割高度。

5）結(jié)合工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，水平分段頂煤覆蓋層的冒落滯后于工作面，也就說(shuō)是說(shuō)該工作面頂煤覆蓋層并不適用于放頂煤開(kāi)采工藝。

6）煤層的埋藏深度為250～300 m，與國(guó)內(nèi)其他采用放頂煤開(kāi)采工藝的工作面相比，煤層賦存深度合適，單從這一指標(biāo)來(lái)看，該工作面適用于放頂煤工藝。

2.2 綜采放頂煤技術(shù)應(yīng)用的可行性

該工作面對(duì)應(yīng)的冒放特性定量可定義為四級(jí)，對(duì)應(yīng)的冒放特性較差，不利于綜采放頂開(kāi)采工藝的應(yīng)用。但是，鑒于放頂煤開(kāi)采工藝巷道布置簡(jiǎn)單、生產(chǎn)能力高、效率高以及具有可觀收益等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)工作面頂煤進(jìn)行弱化后再實(shí)施放頂煤開(kāi)采工藝。

3 綜采放頂煤技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 頂煤弱化方法的選擇

通過(guò)上述分析可知，實(shí)現(xiàn)對(duì)該工作面的綜采放頂開(kāi)采的首要條件為對(duì)其頂板進(jìn)行弱化處理。結(jié)合工作面實(shí)際情況，主要采用注水工藝巷長(zhǎng)距離煤層鉆孔注水系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂煤的弱化處理，現(xiàn)對(duì)具體頂煤弱化方案進(jìn)行研究。

3.1.1 鉆孔的布置

根據(jù)工作面頂板地質(zhì)條件，采用單一注水工藝巷方式，沿著工作面煤層的走向方向?qū)︺@孔進(jìn)行合理布置[4]。相鄰鉆孔之間間距為5 m，鉆孔的傾角設(shè)計(jì)為3°，鉆孔的直徑為100 mm；形成鉆孔所采用的鉆機(jī)型號(hào)為ZDY-3200。工作面涉及到的鉆孔參數(shù)如表2所示。

表2 鉆孔參數(shù)

3.1.2 注水方式的確定

采用單孔單泵高壓獨(dú)立注水方式，對(duì)應(yīng)的注水壓力設(shè)定為6.4 MPa。根據(jù)工作面的頂板及頂煤的實(shí)際情況，為保證能夠?qū)斆哼M(jìn)行合理的軟化，工作面東西兩側(cè)區(qū)域的注水量均設(shè)定為942 m3，總共需注水約1 884 m3；實(shí)際注水過(guò)程中所采用的注水流量控制在0.3～2.0 m3/h。

頂煤弱化對(duì)應(yīng)的水軟化工藝流程如圖1 所示。

圖1 頂煤弱化注水軟化工藝流程圖

3.2 工業(yè)化試驗(yàn)效果分析

對(duì)工作面頂煤進(jìn)行弱化處理后，將綜采放頂煤開(kāi)采工藝應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)中，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

在工作面弱化之前，采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，在6 個(gè)月的生產(chǎn)周期內(nèi)，工作面總共推進(jìn)82.7 m，對(duì)應(yīng)的出煤量為122 059 t，其中包括采煤機(jī)開(kāi)采量為44 793 t，工作面放煤量為77 266 t。整個(gè)工作面的頂煤回收率為60%。

對(duì)工作面頂煤弱化處理后，再次采用綜采放頂煤工藝，在4 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)工作面共推進(jìn)554 m，對(duì)應(yīng)的頂煤回收率高達(dá)89%。同時(shí)，對(duì)頂煤弱化處理后，實(shí)際生產(chǎn)工作面的含矸率、煤塊度以及降塵率得到明顯改善[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面確定合適的采煤工藝時(shí)，需綜合考慮工作面的地質(zhì)條件、煤層條件和生產(chǎn)成本等問(wèn)題。綜采放頂煤開(kāi)采工藝由于其巷道布置簡(jiǎn)單、效率高、效益客觀等優(yōu)勢(shì)被大多數(shù)煤礦所應(yīng)用。但是，鑒于某些煤礦地質(zhì)、煤層等條件并不完全適用放頂煤開(kāi)采工藝，因此可以對(duì)地質(zhì)、煤層進(jìn)行處理來(lái)保證放頂煤開(kāi)采工藝的適用性。經(jīng)實(shí)踐證明，在對(duì)工作面頂煤進(jìn)行弱化處理后，工作面的推進(jìn)速度和頂煤回收率明顯提升。