硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究.pdf

第 9卷 第 3期 总 第 6 0期 2 0 0 4年 9月 煤 矿 开 采 C o a l Mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 9 N o ． 3 S e r i e s N o ． 6 0 S e p t e mb e r 2 0 0 4 硬 厚煤层 综放 开 采顶煤弱化技术研 究 富 强 ，张建华 1 ．天 地科 技股 份有 限公 司 开采 所事 业部 ，北 京 1 0 0 01 3；2 ．呼伦 贝尔学 院工 程分 院 ，内蒙 古 海拉 尔 1 008 [ 摘要] 通过硬厚煤层综放开采顶煤 弱化技术 的全面调研，确立不 同开采条件的顶煤 弱化工 艺模式。结合现场工业性试验 ，验证架间爆破方案的可行性，指出存在的具体 问题和今后发展方向。 [ 关键词 ] 硬厚煤层；综放开采；顶煤弱化；架间爆破 [ 中图分类号]T D 7 1 3 ． 3 6 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 4 0 3 - 0 0 6 0 - 0 3 I nt e ne r a t i ng t e c hni q ue o f t o p c o al i n f u l l y me c ha ni z e d t op c o a l c a v i ng ha r d t h i c k c oa l s e a m ’ ． F U Qi a n g 。Z HA NG J i a n h u a 1 ． T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L T D，C o a l Mi n i n g T e c h n o l o gy D e p t ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a ； ． 2 ． Hu l u n b e i e r C o l l e g e E n g i n e e r i n g B r a n c h，Ha i l a e r 0 2 1 0 0 8，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h rou n d l y i n v e s t i g a t i n g a n d r e s e a r c h i n g o f i n t e n e r a t i n g t e c hn i q u e o f t o p c o al i n t o p c o al c a v i n g h a r d t h i c k c o a l s e a m ， t h i s p a p e r e s t a b l i s h e s i n t e n e r a t i n g t e c h n i q u e mo d e o f t o p c o al u n d e r d i ff e r e n t mi n i n g c o n d i t i o n ．C o mb i n i n g s p o t t e c h n i c al e x a mi n a t i o n， v ali d a t i n g f e a s i b i l i t y o f d y n a mi t e b e t we e n s u p p o r t g，the a u tho r i n d i c a t e d the d e t a i l p r o b l e m a n d d e v e l o p me n t a l aspe c t ． Ke y wo r d sh a r d thi c k c o al s e a m；f u l l y me c h a n i z e d t o p c o al c a v i n g；i n t e n e r a t i n g t e c h n i q u e o f t o p c o al ；d y n a mi t e b e t we e n s u p p o r t s 综放 开采技术 已成 为我 国现阶段 实现高产高 效 矿井建设 和进行采煤工艺 改革 的有 效途径 ，是各 国 有重点煤 矿降低成 本 、实现减人 提效 ，各地 方中小 煤矿谋求 采煤方法 升级改造 的发 展趋 势 。然 而 ，从 发展 和应 用看 特 别是针 对硬 厚煤 层 ，综 放开 采 仍面 临采 出率低 的问题 。一方 面 ，由于煤体 自身 强 度较 大 、整 体 性 较 好 ，降 低 了其 可 放 性 ；另 一 方 面 ，由于埋 深浅2 0 0 m或 顶 分层 已预 采 ，减 弱 了矿压破 煤作用 。对 于前者 ，目前 已取得 了部 分 研究成果 ，如大 同忻 州窑矿 、兖 州鲍 店煤矿 、靖 远 红会 一矿及 铜川 陈家山煤矿等 ，但从 目前掌握 的资 料来看 ，实际应用 效果 很不 明显 ，典型 的如 铜川陈 家 山 4 1 3综 放 面 ，顶 煤 回收率 尚不 足 6 0 ％ ，采 空 区遗煤厚 达 6 ． 3 m，占总放煤 厚度 的 4 2 ％ ，且 由于 处理后 的顶煤整体 强度虽有所 降低 ，实际块 度却 往 往很 大 ，根本无法从 支架放煤 口放出 ，不仅 造成煤 炭资源 的巨大浪 费 ，而且 形成 了严重 的安 全 隐患 。 对于后者 ， 目前研究较 少 ，仍有 待于进一步探讨 。 1 顶 煤弱化技术研 究 1 ． 1 顶煤 弱化技 术现状 调研结 果表 明 ， 目前现有及 可能采用 的技术 措 施主要有调 节液压 支架 压力 、定 向水力压裂 、高压 预注水 和深孔 爆破与架 间爆 破技术 。 1 ． 1 ． 1 调 节液压 支架压 力 该 方 法 主要 通 过调 节 液 压 支 架对 顶 煤 的作 用 力 ，实现 支架顶梁对支架 上方顶煤体 的反复支撑和 挤压 ，以此 达到破碎顶煤 、提高顶煤体 冒放性的 目 的。实践 表明 ，调节液压 支架压力 ，有利 于提高顶 煤 的冒放性 ，但该方法 实际影响顶煤 冒放性的范 围 相对较小 支架上方约 1～2 m ，实用性 较差 。 1 ． 1 ． 2定向水力压 裂 定 向水力压裂是通过 在煤岩层 中利 用特殊的开 槽钻头 开挖楔形槽 ，然后 注入压力水 ，利用水 压及 楔形槽尖 点的应力集 中作 用克服煤岩层节 理 、层理 面 的黏结 力 ，使 其 产 生分 层 和 裂 隙 ，达 到 降低 强 度 、弱化煤 岩体 目的的 ，如 图 1所示 。 图1 楔形环槽及应力分布 由于定向水力压裂 方法对机具 的性 能要求较高 【 收稿 日期]2 0 0 4 0 4 0 5 【 收稿 日期]国家科技部 。 十五’攻关资助项目 2 0 0 3 B A 6 1 2 A ． 1 1 ． 1 【 作者简介] 富 强 1 9 7 1 一男 ，黑龙江双城人 ，博士 ，高级工程师，1 9 9 9年毕业于中国矿业大学北京研究生部 ，主要从事放顶煤开采 矿压理论及放煤规律方面的研究工作 。 6 0 维普资讯 富 强硬 厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究 2 0 0 4年第 3期 如开楔钻 头和封孔器 及煤 体 因层 理 、节理 与工 作 面附近受支 承压 力影 响裂 隙较 发育 、整体 性差 ， 楔形槽 尖点应 力集中不 明显 ，开裂方 向及效 果不易 掌握 ，现场应用较少 ， 目前该项 技术 尚处 于设计 开 发 阶段 。 1 ． 1 - 3 高压预 注水 高压 预注 水是通 过 钻孔 向煤 岩体预 注 高压水 ， 利用 压 力 水 对 弱 面 的 压 裂 、冲 刷 以 及 楔 人 作 用 水楔作 用 ，使 煤 岩 体 扩 大 原 有 裂 隙 、产 生 新 裂 隙 ，破坏煤岩 体整体性 ，降低其强度 。 高压预 注水方式在现 场应用较为广 泛 ，注水工 作一般在工 作面前方 6 01 0 0 m外 进行 ，以达 到在 工作面前方 支承压力 区之 外 以压裂为 主 ，支承压力 区 以内以湿 润为主 的 目的 ，但 由于煤体 的透水性及 软化特性不 一样 ，顶煤 弱化效果也不尽 一致 。 1 ． 1 ． 4顶煤松 动爆破 众所周 知 ，对顶煤 实施 松动爆破就是 利用炸药 在煤体 内爆 炸而形成空 腔 、压碎 区 、松 动区使 煤体 预先破 碎 、松 动 ，待 支 架 前 移后 ，顶煤 以小 块 冒 落 ，以利于提高采 出率 。 按爆 破孔实施 的位 置及孔深 ，顶煤 爆破主要分 两巷深孔 预爆破 、工 艺巷 深孔 预爆 破 和架 间爆 破 ， 如兖 州鲍店煤 矿 1 3 1 0综 放面 、大 同忻 州窑矿 8 9 1 1 工 作面 、鹤壁三矿 2 1 1 9工作 面等。 1 ． 2顶煤 弱化技术分析 根据实际生产经 验 ，顶煤 的弱 化一般 以两种方 式 为主 爆破 和注水 。 一 般情况下煤体 的强度 降低 与煤 体 的含水率成 正 比，裂隙孔 隙发 育 的煤层 透 水性 强 ，容易 注水 ， 注水压力较低 ，而煤 体致密 ，节理裂隙不发育 的煤 层 透水 性差 ，即使 在较高注水 压力下也不一定 能取 得 预期效果 ；有些地 质构造 强烈 、承受开采 支承压 力破坏严重 的煤层 区域 ，由于外生 或次生裂 隙大量 形 成 ，而使煤体透水 性急剧增 大 ，水从发育 的裂 隙 中迅速流走 ，排 至煤 体之外 ，对软化减小 冒块是 极 为不利的 。另外 ，煤 体 的强 度 、变形特性 、原煤 含 水率等物理力学 性质都对预 注水软化存在不 同程度 的影响 。因此 为 了有效地 改善顶煤 冒放性 ，实施 预 注水技术之前 ，应在实验 室进 行软化特性 实验 ，即 预测煤体强 度与含水率 的关 系。 从顶煤弱 化效果上讲 ，爆 破的适用性较 注水更 为广泛 ，而煤层 注水一般 可 以作为必要 的补充 ，有 利于降低工 作面煤尘 。 一 般地 ，架 间爆破具 有 以下特点 1 直接有 效 ，易 于及 时掌 握 和 调 节顶 煤 弱 化效 果 ； 2 节省 投 资 不必 另 开工 艺 巷或 增 大顺 槽 的断 面等 ； 3 占用正常生 产和设备检修 作业时 间； 4 对于高瓦斯 工作面 ，安全性 较差 ； 两 巷深孔预爆破具 有 以下特点 1 超前爆 破 ，不 占用 工 作 面检 修 和 生 产 时 间 ，效 率较高 。 2 影响两 巷 的 运输 生 产 与 维 护 。要求 两顺 槽 的断面较大 ，能够适 合工人在巷 内打眼装药 。 3 影响工 人 安 全 作业 。工 人 在 两 巷 打 眼装 药过 程 中，运行 中的矿车和胶带会对 其人身和工程 质量 造成一定 的危 险和破坏。 工艺巷深孔预爆破 具有 以下特 点 1 不影响工作 面及 两巷 的正 常生产 与 维护 ， 有 利于实现高产高效 ； 2 有利 于 高瓦 斯 及采 空 区高 位 瓦斯 的 排放 和实现工作 面预注水 、降低煤尘 ； 3 增加 了巷道 的掘进量 ，工 作面投资较大 。 根据上述硬厚煤层 综放开采 顶煤 弱化技术措施 的实际应用及现场工 业性试验情况 ，按工作面长 度 百米 以上和工作 面长度百米 以下两 种情况考虑 。研 究认 为 ，对 于百米 以上 工 作 面 尤其 是 高 瓦斯 情 况 ，采 用工艺巷爆 破 与注水 防尘 结合 效 果好 ，有 利于实现工作 面高产高效和安全 生产 ；对 于百米 以 下工作面 尤 其是 低 瓦 斯 情 况 ，采用 架 间爆 破 ， 效果更为直接 。本 文主要结合彬 县下沟煤矿综放 开 采架间爆破设计进 行 了现场工业性 试验 。 2 彬 县下沟矿架 间爆破现 场工业性试验 2 ． 1试验 煤层概况 下 沟 矿 Z F 1 8 0 2综 放 面 主 采 8 煤 ，平 均 倾 角 7 。 ，煤 厚 1 6 ． 7 m，煤 的 单 轴 抗 压 强 度 在 2 5 ． 1 3 9 ． 9 MP a之 间 ，瓦 斯 绝 对 涌 出 量 为 3 ． 4 8 m ／ m i n ， 相对涌 出量 4 ． 6 m ／ d t ，属低瓦斯矿井 。 煤层 直接顶 由深灰色砂质 泥岩 、灰色砂岩 及浅 灰色细砂岩组 成 ，内含植 物化石 ，厚 度变化 为 5 7 m，平均 6 ． O m。基 本 顶 为石 英 长 石 灰 色粗 砂 岩 、 浅灰色粉砂 岩及砂质泥岩分层互 层 ，结构致 密 ，整 体性强 ，厚 度为 7 ． 01 5 ． 9 m。 2 ． 2 钻孔布置 方式及技术参数 通过 对现有硬顶煤综 放开采顶煤 弱化技 术 的综 合调 研 ，结 合 Z F 1 8 0 2工 作面 的具 体 实施 条件 ，在 工作 面仅为 9 0 m 的情 况下 ，设 计 采用 架 间爆 破 方 式弱 化硬厚顶煤 。经现 场反复试验研究 ．在实测工 61 维普资讯 总第 6 0期 煤 矿 开 采 2 0 0 4年第3期 人 打眼数量 、深度 、装药 量 、封孔长度 、打眼放炮 时间及放煤 效果的基础上 ，优化 了炮 眼布置 方式和 工人 的劳动组织 ，即利用 检修班时 间 ，在前 部输送 机两支架伸缩 梁间 向采 空 区方 向打 7 0～7 5 。 的斜 钻 孔 ，孔 深 为 就 近 煤 层 厚 度 的 2 ／ 3 ，孔 间距 分 别 为 3 ． 0 m，1 ． 5 m，即 1～1 0架 、5 1～6 1架 每架 1眼 ， l l ～5 0架每 2架 1眼。每孔装药 为孔 长 的 1 ／ 2，钻 孔机具 为强力深孔煤 电钻。 2 ． 3顶煤 弱化效果 分析 1 试 采 阶段 原煤 块 率 及 顶煤 回收 率统 计 计 算表 明 ，此 期间综放工作 面生产原煤 的块率 及综 放 面 中部顶 煤 回收率分 别为 4 1 ． 9 2 ％ 和 4 2 ． 3 4 ％ 。 2 正常 开采 阶 段 原煤 块 率 及顶 煤 回收率 统 计计算表 明 ，此期 间综 放工作面生产 原煤 的块率及 综放 面中部顶煤 回收率 分别为 3 9 ． 9 7 ％ 和 6 8 ． 7 5 ％ 。 由以上统计 计算可 以看出 ，采用架 间爆 破方式 可 以有效 实现顶煤弱化 。在原煤块率变化不 大的情 况下 ，综 放工作 面顶煤 回收率 提 高 2 6 ． 4 1 ％ ，按原 煤售价 1 0 0； t ／t 估算 ，年产 0 ． 9 Mt 原煤 ，仅 此一项 平均 每 年 将 为 该 矿 增 加 产 值 约 2 3 7 6万 元 。2 0 0 1 年 、2 0 0 2年生 产 原煤 分 别达 到 了 0 ． 9 Mt ，1 ． 0 5 Mt ， 取得 了显 著的经济效益 和社会效益 。进一步 分析认 为 ，钻孔超 过一定长度 如 7～1 0 m 时 ，架 间爆破 机 具的人工 手推肩扛 、推进 速度慢是影 响其 钻爆工作 效率 的主要 因素 ，建议进 一步解决钻机推进力 ，减 少影 Ⅱ 向 正 常生产时 间 ，拓 宽其适用范 围。 3结论 1 浅埋 深 硬 厚煤 层 综 放开 采 将 是 目前 我 国 上接 5 1页 , I , 2 o8 0 0 mm 的注浆 锚 杆 见 图 1 ， 注 浆水 泥 采 用 4 2 5 水 泥 ，注浆 孔 间排 距 1 5 0 0 mm 1 5 0 0 mm， 每 孔 注浆 5 0～1 0 0 k g 。2 4 h以后 施 工支 护锚 杆 ，支护 锚 杆 安装 顺 利 ，锚 杆 拉 拔 试 验 ，锚 杆 初 锚 力 大 于 5 0 k N，符合支护 规 范 要 求 。矿 压 观 测 显 示 ，围 岩 变形基本得 到控 制 ， 变形 量很小 ， 一周后趋 于稳定 。 。_ I ． ． 『 图 1 短注 浆 锚杆 的 安装 4结论 随着开采深 度的增加 和巷道受 采动影响 ，对 6 2 西部 大开发面临 的重要技术难 题。深入开展浅埋深 硬厚煤层综 放开 采 顶煤 弱 化 及 落放 技 术 的系 统研 究 ，是 十分必要 的。 2 目前现 有 及 可能 采 用硬 厚 煤层 综 放 开采 顶煤弱 化的技 术措施主要有调 节液压支架压力 、定 向水力 压裂 、高压预注水 和深孔爆破与架 间爆破技 术 。研 究认 为对 于百 米 以上 工作 面 尤 其 是 高 瓦 斯情 况 ，采 用 工 艺 巷 爆 破 与 注 水 防尘 结 合 效果 好 ，有利于实现工作面高产 高效 和安全生 产 ；对 于 百米 以下工作 面 尤其 是低 瓦斯情 况 ，采 用架 间 爆破方 式 ，效果更为直接 、明显。 3下沟矿 架 间爆 破 实 践 表 明 ，采 用 架 间爆 破方 式可 以有效实现顶煤弱 化。在原煤块率变 化不 大 的情 况下 ，综放 面顶煤 回收率提 高 2 6 ． 4 1 ％ ，取 得 了显著的经济效益 和社会效 益。建议 进一步解决 钻 机推进力 问题 ，减少影 响正 常生产时间 。 [ 参考文献] [ 1 钱鸣高，刘听成 ．矿山压力及其控制 修订本 [ M]．北 京 煤 炭工业 出版 社 ，1 9 9 1 ． [ 2 ]刘兴 国 ．放矿 理论 基础[ M]．北 京冶 金 工业 出版 社， 1 9 9 5 ． [ 3 ]王泳嘉、邢纪波 ．离散单元法及其在岩土工程中的应用 [ M] ．沈 阳东北 工学 院出 版社 ，1 9 9 1 ． 4 宋永津 ．注水 、压裂、弱化控制煤层坚硬难 冒顶板技术 [ M ．北京 煤炭 工业 出版设 ，2 0 0 2 ． [ 5 富强，闫少宏，吴健 ．综放开采松软顶煤落放规律的理论研 究 [ J ] ，岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 4 5 6 8 - 5 7 2 ． [ 6 ]富强．长壁综放开采松散顶煤落放规律研究[ D]．北京 中 国矿业大 学 ，1 9 9 9 ． [ 责 任编 辑 邹正立 】 围岩破碎带 及裂隙发育的 区域 ，采 用深孔 安装短注 浆锚杆注浆加 固围岩的方式是较成 功的方 法。关键 是注浆压 力。 注浆 压 力 是 浆液 在 围岩 中 扩散 的动 力 ，它直接影 响注浆 加固质量和效 果。根据 现场施 工条件选择合适 的注浆泵 ，根据注浆压力 ，设 计合 理的注浆孔 间排距 ，既能节省支护成本 ，又 能很好 地加 固破碎带及 裂隙发育区域 ，使锚杆 支护 得 以顺 利进行 。因此 ，采取 深孔 短注浆 锚 杆注浆 的方法 ， 使锚杆 和注浆各 自的适应 范围得到扩展 ，大大提高 对围岩破碎带及 裂隙发育区域 的支护效果 。同时在 相同条件下 ，使用短 注浆 锚杆注浆 ，减少 了巷道的 返 修次数 ，降低 了巷道 支护总成本 ，给企业带来 了 很好 的经济效益 和社会效 益。 [ 责任编辑 颜立新】 维普资讯