金山煤業13101綜放工作面放煤率提高與影響機理研究

杜振剛

(山西忻州神達金山煤業有限公司，山西 忻州 036600)

現階段，國內的能源缺口仍然要靠煤炭來填補，有必要提高煤炭資源回收率。王家臣等[1]運用PFC3D數值模擬手段研究了綜放開采過程中不同放煤步距、不同放出煤體形態、不同采放比對頂煤采出率的影響。許永祥等[2]通過巖石力學實驗、理論分析與現場觀測研究了大采高綜放工作面煤壁的破壞機理，極大豐富了頂煤裂化破壞理論。于雷等[3]研究認為，通過支架等外力作用讓“鉸接巖梁”結構上移，降低“組合短懸臂梁”整體長度，能夠有效實現綜放工作面的安全高效開采。袁源等[4]針對工作面煤矸識別的問題，設計了放煤聲信號自動采集裝置，有效提高了分煤效率，進一步提升了頂煤回收率。為提高金山煤業綜采放頂煤的回收率，對13101回采工作面放煤率的影響因素和影響機理進行研究，提出了改善措施。

1 工程概況

金山煤業13101綜放工作面為131采區西南翼首采工作面，位于太原組中部，S2砂巖之下，煤層厚度11.04～15.59 m，平均13.53 m,煤層賦存穩定，含夾矸0～3層，夾矸單層厚度0.25～0.75 m,頂板為砂質泥巖或泥巖，底板為砂質泥巖或砂巖，為本井田穩定的全區可采煤層，現開采水平標高+980 m。13號煤層13101工作面標高+910～930 m，該煤層在井田的東部剝蝕。13101工作面位于131采區井田西南井田邊界處，北部為13號煤層集中下山保安煤柱，東南部為13205運輸巷道。

2 綜放工作面頂煤冒放性影響因素分析

2.1 煤體強度對冒放性的影響

煤層強度直接影響著頂煤的冒放結構，經過大量的現場與實驗室實驗表明，硬煤、中硬煤和軟煤放頂煤工作面的礦壓作用與頂煤變形、移動、破碎和冒放特征，軟煤冒塊的，則可放性最好；中硬煤冒塊的，可放性比較好；硬煤的冒放性最差。由摩爾庫倫定則可知，煤體單軸抗壓強度與粘結力和內摩擦角符合下式關系[5]：

(1)

式中：? 為煤體的單軸抗壓強度，kPa；C為煤體粘結力，kPa；θ為煤體的內摩擦角，°。

通過煤體抗壓強度與其內摩擦角和自身粘結力之間的定量關系可知，煤體的自身物理力學性質很大程度上影響著頂煤的破碎程度，進而影響著其冒放效果。頂煤硬度與抗壓強度之間呈正相關的線性關系，但與頂煤跨落角之間呈負相關關系，即頂煤的硬度越大頂煤的冒放性越差，大量現場觀測與實驗研究表明，頂煤垮落角達到80°左右時，頂煤放出率能夠達到65%左右。

2.2 頂煤裂隙節理對冒放性的影響

一般巖體都不同程度地含有地質弱面和構造,比如層理、節理、裂隙、斷層及褶皺等,煤層更是如此。這些弱面將嚴重削弱巖體的強度而增加巖體的變形性。根據在現場的觀測研究,對普放工作面頂煤冒放性影響最大的地質弱面是煤的節理、層理和裂隙。顯然節理裂隙發育的煤層,煤體的完整性較差,整體強度下降,頂煤在支承壓力作用下易于破碎,同時,裂隙越密集,頂煤越易破碎、冒放塊度越小,越利于放出,也即頂煤冒放性越好,反之則越差。

煤體的節理裂隙發育情況對于其冒放性存在著極大的影響，主要是與煤體自身的節理、裂隙的走向、傾角、密集程度、裂縫的填充情況和填充物質等直接相關。從煤體裂隙發育和分布情況來看，13101工作面地質條件有利于頂煤的破碎，裂隙的發育也會使冒落塊度減小，有利于頂煤放出，減少因塊度過大而造成的碎煤成拱或堵塞支架放煤口。

對于存在裂隙的煤體，受到外部荷載作用時，裂隙的周圍會產生應力集中現象，裂隙進一步發育、擴展，而煤體中的裂隙相互貫通后在煤體內形成弱面，大大降低煤體強度，煤巖體的強度隨著弱面密度的增加而減小。如果在頂煤下部的煤體采出后能夠使頂煤得以及時垮落且充分得到破碎，對于放頂煤的頂煤放出率將會有極大的提升。對于頂煤硬度較大的煤層必須通過水壓致裂、預裂爆破等有效的頂煤弱化技術，提升頂煤放出率。

2.3 頂板條件對冒放性的影響

煤層頂板包括兩部分,即直接頂和老頂。直接頂影響著頂煤的冒落運動過程,能夠隨采隨冒并具有一定的厚度的直接頂是放頂煤開采頂煤破碎冒落后順利放出的基本條件,老頂對頂煤冒放性的影響相對較小。直接頂滯后冒落或冒落厚度較小,都將造成破碎冒落的頂煤垮向放出體以外的采空區,造成頂煤不能放出而丟失。所以直接頂對頂煤冒放性的影響表現為兩個方面:一是要能隨采隨冒;二是冒落后要有一定的厚度即對采空區的充填程度。根據13101工作面回采情況分析,綜放開采要求能隨采隨冒直接頂的最低厚度如下。

就神達金山煤礦開采條件而言，煤層厚度11.04～15.59 m，平均13.53 m,而直接頂厚1.5～2.5 m，老頂厚1～20 m,可保證放頂煤開采過程中對采空區充填程度的要求,頂板具有較好冒放性。

綜采放頂煤采煤法的關鍵是煤層的冒放性，冒放性與煤厚、結構、節理裂隙發育程度、頂底板條件等有關，一般認為，當煤層硬度系數f小于3，強度小于20 MPa時，頂煤冒放性較好，反之，冒放性較差。

直接頂的性質對于頂煤冒放性的影響作用主要體現在頂煤的冒落程度和頂煤冒落之后需要有一定的厚度。大量現場研究表明，只有當頂煤能夠隨著工作面的推進而隨采隨冒才能夠取得最好的放煤效果，且能夠及時使得充填采空區。直接頂及老頂的垮落能夠及時充填采空區，防止冒落頂煤進入采空區也能夠減弱上覆巖層巖層破斷時產生的劇烈動載荷。

3 綜放工藝的優化方案

3.1 選擇合理的放煤步距及采放比

根據頂煤的實際情況，選擇合理的放頂煤采煤方式。采煤機在割完第二刀煤后，進行移架，放頂煤，采取前割后放或是前放后割的方式，選擇1∶3的采放比和1.26 m的放煤步距。

保證放頂煤的順序，確保頂煤從工作面的機頭處開始放出，依次向機尾進行放煤作業，在放煤作業中，遇到放煤口被較大的頂煤堵塞時，可以使用液壓支架上的攪動桿，將頂煤攪碎，確保放頂煤作業的順利完成。為了提高回收率，在頂煤塊度比較小時，基本支架側的過渡支架可以適量進行放煤。

3.2 減少綜采時的頂煤損失

為減少采煤割煤時進刀處到頂板之間的頂煤浪費，可在掘進時就鋪設頂網進行有效防護。綜采放頂煤工作面推出開切眼時，立即采取放頂煤措施。加強初采放頂煤的管理，保證工作面推出開切眼后就開始放頂煤，減少初采時的頂煤損失。初采時可采取鋪設頂網的措施，盡量避免丟煤。安排專門的綜采工作面放頂煤操作人員在現場進行指導和監督。

3.3 控制合理的放煤頻率

工作面采取低位放頂煤，由專人依次分別放單號、雙號支架頂煤。其中一人操作單數支架(3、5、7)放煤，另一人操作雙數支架(4、6、8)放煤，直至見矸(端頭支架不放頂煤)，工作面兩端頭過渡支架支護段嚴禁放頂煤。放煤時要控制好放煤速度，全工作面同時打開的放煤口最多不得超過2個，以防壓死運輸機，放煤時見矸立即封口，嚴禁放出矸石。

3.4 采用水力壓裂技術弱化頂板

水力壓裂技術是在鉆孔壓裂段預制大范圍裂縫網絡，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向。主要表現在壓裂和軟化兩個方面，削弱堅硬煤巖體的強度和整體性，使堅硬頂煤能夠及時冒落，提升頂煤的冒放性。基于彈性理論，以任意方向鉆孔周圍的應力場為出發點，根據最大拉應力準則分析任意方向鉆孔的開裂壓力及開裂方向，得出裂縫開啟壓力隨鉆孔參數(方位角、傾斜角)和地應力場類型的變化規律，指導壓裂鉆孔參數與壓裂作業。13101工作面巷采用水力壓裂提升頂煤冒放性技術，在工作面推進前方，通過13101工作面巷向工作面頂煤預先實施水力壓裂，在煤層中預制裂縫網絡，充分弱化頂煤的完整性，見圖1。

圖1 13101工作面水力壓裂施工示意(m)

根據13101綜放工作面實際情況，在13101回風巷和運輸巷采用深淺交替鉆孔實施水壓裂。在回風巷深鉆孔設計角度為+3°，孔深為50 m；淺孔設計角度為+26°，孔深為20 m。運輸巷深鉆孔設計角度為+16°，孔深為70 m；淺孔設計角度為+35°，孔深為25 m。終孔位置全部為13號煤層頂板，在實際施工過程中根據巷道實際情況調整角度。

4 水力壓裂效果與頂煤放出率

4.1 水力壓裂效果驗證

采用鉆孔窺視儀觀測煤層結構的變化情況。在頂煤中進行水力壓裂施工后，將鉆孔窺視儀送入鉆孔中，利用鉆孔窺視的連接桿慢慢將探頭往孔深處抬送，有裂隙和結構處放慢速度，并觀察和記錄，記錄完成后，將窺視結果導入電腦中，并對其進行處理和分析，如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔窺視圖

從圖2可以明顯看出，水力壓裂效果良好，煤體和巖體能夠看到大量明顯的裂縫，而且多條裂隙之間相互交叉，產生大量的節理裂隙弱面，能夠對頂煤和上覆巖層起到很好的弱化作用，有利于提高頂煤放出率。

4.2 頂煤放出率效果

經過水力壓裂后，13101綜放工作面推進約5 m時，就能夠完成基本頂的垮落，直接頂基本垮落完成，而且頂煤冒落效果良好，頂煤的放出率大幅提高。由于垮落步距較小，因此對于工作面支架的沖擊作用也極小，因此對于13101綜放工作面進行合理的壓裂不僅能夠大幅提高頂煤放出率，而且降低了工作面的壓架風險，對于提高煤炭資源回收率和礦井工作面的安全生產水平有著很好的效果。

5 結 語

1) 文章從煤體強度、頂煤節理裂隙、頂板條件等不同影響因素分析總結了金山煤業13101綜放工作面放煤率較低的原因，結合前人研究總結的公式，定量分析了頂煤放出率的主要影響因素。

2) 通過選擇合理的水力壓裂方案，能有效增加頂煤及上覆巖層的碎裂程度，有利于頂煤的放出。

3) 提出了水力壓裂弱化頂板與選擇合理的放煤步距、采放比和控制合理的放煤頻率的現場實施方案，極大提高了金山煤業13101綜放工作面的頂煤放出率，增加了礦井的經濟效益。