综放开采工艺顶煤弱化方式探讨

李永武

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830091）

在放顶煤开采中，当煤层为坚硬厚煤层或者放顶煤工作面上覆岩层的矿山压力显现缓和(如条带综放工作面)，矿山压力不能实现顶煤体充分的预破碎，达不到合适的破碎块度，顶煤体不能在支架上方及时冒落并顺利从支架后部放煤窗口放出，使得顶煤放出率低。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。很迫切需要寻找一种安全高效的技术措施来处理顶煤的冒放性、煤体自燃和瓦斯积聚的问题。目前对坚硬顶煤进行预先弱化处理是普遍采用且有效的手段。

1 顶煤弱化技术研究

1.1 顶煤弱化技术现状

在目前生产中，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1～2m)，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，由于定向水力压裂方法对机具的性能要求较高(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、冲刷以及楔入作用(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。同时，高压注水还有弱化顶煤的化学作用。表现在以下几点：①压力水对煤体中的一些软弱结构面起着润滑剂的作用，使煤体的抗剪强度降低；②压力水对煤岩体内的某些矿物有溶解作用，矿物溶解后形成裂隙，压力水又可沿裂隙楔入，形成新的裂隙，循环往复，使煤岩强度降低；③煤和某些夹矸软岩吸水后会膨胀甚至崩解，吸水量越多，体积膨胀量越大，表面变形量也随之增加，这种膨胀力作为一种附加应力作用于煤岩体上，从而使其变形以致破坏。

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60～100m 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

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，顶煤爆破主要分架间爆破、两巷深孔预爆破和工艺巷深孔预爆破等。

1）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；

2）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。

3）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。

1.2 顶煤弱化技术分析

首先分析煤层注水的效果，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。但水力致裂弱化技术具有多功能效应，裂隙岩体水力致裂弱化技术不同于以往的煤层注水减尘，除了弱化岩体强度、降低冲击矿压危害外，还有几个副产品，具有一举多得的功效，是一项煤矿“绿色开采”技术。具体来说有以下优点：

1.2.1 弱化顶煤体(岩体)

通过水力裂缝弱化岩体的整体强度是采用水力致裂技术弱化坚硬顶煤和处理坚硬顶板的主要目的。水力致裂对岩体的弱化体现在两方面：

（1）是通过水压裂缝的破裂扩展，改造岩体的宏细观结构，弱化岩体的力学性能；

（2）是通过水对岩石的物理化学作用，降低岩石的力学性能。

二者共同作用弱化岩体的整体力学性能。弱化坚硬顶煤可以改善顶煤的冒放性，减小顶煤破坏及运移对支架的冲击荷载；弱化顶板可以降低其整体强度，使顶板能及时垮落，减小顶板的冲击矿压危害，达到强度弱化减冲的目的。

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1.2.2 减尘

煤层注水减尘应用于煤矿开采已经是一项比较成熟的技术。在通过水力裂缝切割弱化煤体的同时提高了煤体的含水率，增强了煤体的湿润效果，且比传统意义上煤层注水减尘的湿润效果更好，会降低工作面生产过程中煤尘的发生量。

1.2.3 预先释放部分瓦斯

随着水力致裂裂缝的破裂与扩展，及其与原生裂隙和钻孔的连通，使得裂隙附近煤体内部分游离态的瓦斯通过钻孔预先排放；同时煤体内瓦斯原始赋存压力和浓度的变化，使得部分吸附瓦斯也转变为游离态瓦斯。这样预致裂的结果一定程度上起到了预先排放瓦斯的作用，减少工作面瓦斯涌出量，有利于工作面的正常安全生产。

1.2.4 抑制煤自然发火

水具有吸热降温、抑制煤炭氧化进程的作用，同时水对已经氧化自热升温的煤炭具有散热冷却的作用，对综放开采采空区遗煤自燃具有抑制作用。通过多个易自燃厚煤层低位综放工作面顶煤水力致裂弱化的工业试验表明，工作面在开采过程中均未出现煤自燃发火现象。

2 实际生产中顶煤弱化效果

碱沟煤矿现场开采实践表明，实施顶煤预爆破后，爆破段工作面生产期间未发生片帮冒顶，架后放煤过程中块煤增多，工作面产量有一定提高，平均日产3750t。

3 结论

（1）硬厚煤层综放开采将是目前我国西部，尤其是新疆煤炭开采面临的重要技术难题。深入开展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）我国西部的许多煤田属于高瓦斯坚硬厚煤层，采用爆破弱化顶煤的方法对于高瓦斯厚煤层因其存在安全隐患而不宜采用，这严重的阻碍了放顶煤开采技术的推广应用。借助于水力致裂基本概念，将坚硬煤层水力致裂和放顶煤实践相结合的弱化途径是可取的。

（4）现场监测表明：采用综合措施，气体灾害源是可控的。建议尝试以注水与超前预裂爆破等相结合的综合弱化顶煤工艺，以期提高综合安全和开采效益。

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