20 m特厚煤层综放开采矿压规律与放煤工艺研究

研发起止时间：2017.10～2019.12

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司、天地科技股份有限公司

成果水平：国际先进

1 项目背景

我国特厚煤层（14 m～20 m）综放工作面采出率一般在82%左右，虽然满足了国家规范要求，但由于特厚煤层综放工作面储量大，产量高，低采出率导致的煤炭资源损失十分严重，而且提高顶煤放出率是一直存在的技术难点之一，并且是影响综放工作面效益的重要因素。

针对大同煤田赋存的3-5号特厚煤层赋存条件系统地研究特厚煤层综放开采顶煤冒放理论、放煤工艺参数、矿压显现规律和侧向煤岩层运移规律等，以便指导工作面回采过程中的顶板控制，提高顶煤放出率，和工作面采出率，实现特厚煤层综放工作面安全高效开采。

2 研究内容

（1）20 m特厚煤层原生裂隙分级评价

采用实验室实验、钻孔窥视、地应力测试等方法获得马道头煤业3-5号煤层煤岩物理力学参数、煤岩体裂隙发育特征、地应力分布规律等，利用全工作面的顶煤裂隙统计、分级评价，提前掌握特厚顶煤体的赋存状况，得到真实的3-5号煤层赋存状况，提前掌握工作面回采过程中的煤厚变化区、俯采仰采区域，为工作面生产采取针对性的顶板管理和放煤管理奠定基础。

（2）20 m特厚煤层综放开采顶煤冒放时空特征研究

利用大型物理相似模拟实验台和数值模拟软件，研究顶煤上部、中部、下部的破裂、时空运移特征及其在放落过程中有可能或极易形成的空间结构，得到马道头煤业3-5号特厚煤层综放开采顶煤放出机制、冒放体形态和煤矸分界面发育特征，同时放煤架数与顶煤放出时间间的关系如图1所示。

图1 同时放煤架数与顶煤放出时间关系

（3）20 m特厚煤层综放开采放煤工艺参数研究

采用数值模拟方法分析不同放煤顺序和放煤轮次条件下顶煤的放出率及含矸率，采用“等量差动”放煤方式有效提高了特厚煤层综放工作面顶煤放出率，在试验期内统计得到顶煤的放出率如图2所示。

图2 试验期间顶煤放出率

（4）20 m特厚煤层综放开采覆岩结构及矿压规律研究

采用现场实测、实验室实验、数值模拟相结合的研究方法，研究采场覆岩运移规律及侧向覆岩结构特征。运用相关理论建立煤柱上覆顶煤顶板结构力学模型，分析采场覆岩载荷传递机制，得到特厚煤层综放开采强矿压显现规律。针对载荷源岩层，有针对性地采取水压致裂方法处理此关键岩层，维护巷道围岩的稳定，服务于工作面安全高效回采。

工作面进入水力压致裂区域后，巷道变形量有所下降，基本能够满足辅助运输的要求，具体情况如表1所示。

表1 巷道变形情况对比表

压裂后井下巷道如图3所示。

图3 压裂后巷道实拍

3 主要研究成果

（1）基于钻孔窥视方法分级评价20m特厚煤层原生裂隙，研究多放煤口放煤适应性。

（2）提出“等量差动”放煤方式。

（3）基于20 m特厚煤层综放开采巷道沿空侧覆岩结构特征，构建侧向支承压力计算模型，揭示特厚煤层综放开采巷道沿空侧覆岩载荷传递机制。提出采用水压致裂方法增大岩层破断角，降低侧向低位覆岩悬臂长度。

4 应用效益

马道头煤业有限公司应用新型“等量差动”放煤工艺，有效提高了特厚煤层综放开采顶煤放出率，与原有的放煤工艺相比，顶煤放出率提高了5个百分点，经济效益显著；通过侧向覆岩层卸压，维护了巷道围岩的稳定，为特厚煤层综放开采提供了高效、安全保障。

本项目于2020年6月通过中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际先进水平。

（供稿：大同煤矿集团有限责任公司技术中心：臧欢欢）