綜采放頂煤技術及工藝的應用研究

趙第泰

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司， 山西 大同 037100）

煤炭開采工藝是影響工作面生產能力和安全性的主要因素。鑒于我國煤層特點變化較大且分布較廣，選擇適合煤層所在區域的地質條件、綜合考慮開采的成本和安全性尤為重要。綜合機械化放頂煤開采技術由于其高生產能力、高效率以及其具有可觀收益等優勢，被廣泛應用于緩傾斜、急傾斜以及厚煤層工作面的開采中[1]。但是，針對堅硬厚煤層的開采條件而言，如何結合其上覆巖的破斷規律、頂板破碎的運移規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，因此本文重點展開對綜采放頂煤技術及其工藝的應用研究。

1 工程概況

此次所研究的礦井地處我國西部，該煤礦所在區域無較大的河流和含水層，煤礦的實際用水量來源于冬雪的融化和降雨的積水。所研究工作面的走向長度為1 230 m，該工作面的巷道形狀為矩形，斷面面積為12 m2。目前，工作面采用錨網索的形式進行支護，所采用的開采方法為綜采放頂煤方式，針對性的頂板處理方式為頂板垮落法。經探測，工作面煤層的傾角范圍為7°～9°，煤層的平均厚度為32.49 m。工作面的頂底板地質條件如表1 所示。

表1 工作面頂底板地質條件

此外，該礦井屬于低瓦斯礦井。在2018 年經瓦斯鑒定所得數據為：工作面瓦斯的最大絕對涌出量為5.22 m3/min，最大相對涌出量為1.547 m3/t。

2 綜采放頂煤技術應用的可行性分析

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。該項參數是分析該工作面是否可采用放頂煤開采方式的基礎，同時為放頂煤開采工藝的安全開采提供依據[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應的采放高度比、工作面頂底板的地質條件以及煤層的賦存深度等條件，結合工作面實際情況，對相應的具體影響機理一一進行分析：

1）煤層的強度越大，代表其越難破碎，對應的冒放特性較差。該工作面煤層的硬度范圍為2.8～3.2，垮落角約62.5°，對應的頂煤垮落特性較差，容易出現較大的懸頂現象。

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

3）結合實際探測結果，該工作面煤層的硬度較大且對應的節理、裂隙不發育，也就是說，該工作面煤層的完整性較好，不易被破壞，導致其不容易被破碎，對應的冒放特性不好。

4）結合工作面的實際情況計算可知，當采放比大于2.25 時，對應的煤層放煤效果不佳。該工作面的采煤高度為3 m，對應的臨界煤層厚度為6.75 m；實際上工作面的煤層厚度為20 m，采放比遠大于2.25。為實現放頂煤工藝的應用，需增加煤層截割高度。

5）結合工作面頂底板地質條件，水平分段頂煤覆蓋層的冒落滯后于工作面，也就說是說該工作面頂煤覆蓋層并不適用于放頂煤開采工藝。

6）煤層的埋藏深度為250～300 m，與國內其他采用放頂煤開采工藝的工作面相比，煤層賦存深度合適，單從這一指標來看，該工作面適用于放頂煤工藝。

2.2 綜采放頂煤技術應用的可行性

該工作面對應的冒放特性定量可定義為四級，對應的冒放特性較差，不利于綜采放頂開采工藝的應用。但是，鑒于放頂煤開采工藝巷道布置簡單、生產能力高、效率高以及具有可觀收益等優勢，可對工作面頂煤進行弱化后再實施放頂煤開采工藝。

3 綜采放頂煤技術的應用研究

3.1 頂煤弱化方法的選擇

通過上述分析可知，實現對該工作面的綜采放頂開采的首要條件為對其頂板進行弱化處理。結合工作面實際情況，主要采用注水工藝巷長距離煤層鉆孔注水系統來實現對工作面頂煤的弱化處理，現對具體頂煤弱化方案進行研究。

3.1.1 鉆孔的布置

根據工作面頂板地質條件，采用單一注水工藝巷方式，沿著工作面煤層的走向方向對鉆孔進行合理布置[4]。相鄰鉆孔之間間距為5 m，鉆孔的傾角設計為3°，鉆孔的直徑為100 mm；形成鉆孔所采用的鉆機型號為ZDY-3200。工作面涉及到的鉆孔參數如表2所示。

表2 鉆孔參數

3.1.2 注水方式的確定

采用單孔單泵高壓獨立注水方式，對應的注水壓力設定為6.4 MPa。根據工作面的頂板及頂煤的實際情況，為保證能夠對頂煤進行合理的軟化，工作面東西兩側區域的注水量均設定為942 m3，總共需注水約1 884 m3；實際注水過程中所采用的注水流量控制在0.3～2.0 m3/h。

頂煤弱化對應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 工業化試驗效果分析

對工作面頂煤進行弱化處理后，將綜采放頂煤開采工藝應用實際生產中，并對實際應用效果進行分析。

在工作面弱化之前，采用綜采放頂煤開采工藝，在6 個月的生產周期內，工作面總共推進82.7 m，對應的出煤量為122 059 t，其中包括采煤機開采量為44 793 t，工作面放煤量為77 266 t。整個工作面的頂煤回收率為60%。

對工作面頂煤弱化處理后，再次采用綜采放頂煤工藝，在4 個月的時間內工作面共推進554 m，對應的頂煤回收率高達89%。同時，對頂煤弱化處理后，實際生產工作面的含矸率、煤塊度以及降塵率得到明顯改善[5]。

4 結語

綜采工作面確定合適的采煤工藝時，需綜合考慮工作面的地質條件、煤層條件和生產成本等問題。綜采放頂煤開采工藝由于其巷道布置簡單、效率高、效益客觀等優勢被大多數煤礦所應用。但是，鑒于某些煤礦地質、煤層等條件并不完全適用放頂煤開采工藝，因此可以對地質、煤層進行處理來保證放頂煤開采工藝的適用性。經實踐證明，在對工作面頂煤進行弱化處理后，工作面的推進速度和頂煤回收率明顯提升。