金山煤业13101综放工作面放煤率提高与影响机理研究

杜振刚

(山西忻州神达金山煤业有限公司，山西 忻州 036600)

现阶段，国内的能源缺口仍然要靠煤炭来填补，有必要提高煤炭资源回收率。王家臣等[1]运用PFC3D数值模拟手段研究了综放开采过程中不同放煤步距、不同放出煤体形态、不同采放比对顶煤采出率的影响。许永祥等[2]通过岩石力学实验、理论分析与现场观测研究了大采高综放工作面煤壁的破坏机理，极大丰富了顶煤裂化破坏理论。于雷等[3]研究认为，通过支架等外力作用让“铰接岩梁”结构上移，降低“组合短悬臂梁”整体长度，能够有效实现综放工作面的安全高效开采。袁源等[4]针对工作面煤矸识别的问题，设计了放煤声信号自动采集装置，有效提高了分煤效率，进一步提升了顶煤回收率。为提高金山煤业综采放顶煤的回收率，对13101回采工作面放煤率的影响因素和影响机理进行研究，提出了改善措施。

1 工程概况

金山煤业13101综放工作面为131采区西南翼首采工作面，位于太原组中部，S2砂岩之下，煤层厚度11.04～15.59 m，平均13.53 m,煤层赋存稳定，含夹矸0～3层，夹矸单层厚度0.25～0.75 m,顶板为砂质泥岩或泥岩，底板为砂质泥岩或砂岩，为本井田稳定的全区可采煤层，现开采水平标高+980 m。13号煤层13101工作面标高+910～930 m，该煤层在井田的东部剥蚀。13101工作面位于131采区井田西南井田边界处，北部为13号煤层集中下山保安煤柱，东南部为13205运输巷道。

2 综放工作面顶煤冒放性影响因素分析

2.1 煤体强度对冒放性的影响

煤层强度直接影响着顶煤的冒放结构，经过大量的现场与实验室实验表明，硬煤、中硬煤和软煤放顶煤工作面的矿压作用与顶煤变形、移动、破碎和冒放特征，软煤冒块的，则可放性最好；中硬煤冒块的，可放性比较好；硬煤的冒放性最差。由摩尔库伦定则可知，煤体单轴抗压强度与粘结力和内摩擦角符合下式关系[5]：

(1)

式中：∂ 为煤体的单轴抗压强度，kPa；C为煤体粘结力，kPa；θ为煤体的内摩擦角，°。

通过煤体抗压强度与其内摩擦角和自身粘结力之间的定量关系可知，煤体的自身物理力学性质很大程度上影响着顶煤的破碎程度，进而影响着其冒放效果。顶煤硬度与抗压强度之间呈正相关的线性关系，但与顶煤跨落角之间呈负相关关系，即顶煤的硬度越大顶煤的冒放性越差，大量现场观测与实验研究表明，顶煤垮落角达到80°左右时，顶煤放出率能够达到65%左右。

2.2 顶煤裂隙节理对冒放性的影响

一般岩体都不同程度地含有地质弱面和构造,比如层理、节理、裂隙、断层及褶皱等,煤层更是如此。这些弱面将严重削弱岩体的强度而增加岩体的变形性。根据在现场的观测研究,对普放工作面顶煤冒放性影响最大的地质弱面是煤的节理、层理和裂隙。显然节理裂隙发育的煤层,煤体的完整性较差,整体强度下降,顶煤在支承压力作用下易于破碎,同时,裂隙越密集,顶煤越易破碎、冒放块度越小,越利于放出,也即顶煤冒放性越好,反之则越差。

煤体的节理裂隙发育情况对于其冒放性存在着极大的影响，主要是与煤体自身的节理、裂隙的走向、倾角、密集程度、裂缝的填充情况和填充物质等直接相关。从煤体裂隙发育和分布情况来看，13101工作面地质条件有利于顶煤的破碎，裂隙的发育也会使冒落块度减小，有利于顶煤放出，减少因块度过大而造成的碎煤成拱或堵塞支架放煤口。

对于存在裂隙的煤体，受到外部荷载作用时，裂隙的周围会产生应力集中现象，裂隙进一步发育、扩展，而煤体中的裂隙相互贯通后在煤体内形成弱面，大大降低煤体强度，煤岩体的强度随着弱面密度的增加而减小。如果在顶煤下部的煤体采出后能够使顶煤得以及时垮落且充分得到破碎，对于放顶煤的顶煤放出率将会有极大的提升。对于顶煤硬度较大的煤层必须通过水压致裂、预裂爆破等有效的顶煤弱化技术，提升顶煤放出率。

2.3 顶板条件对冒放性的影响

煤层顶板包括两部分,即直接顶和老顶。直接顶影响着顶煤的冒落运动过程,能够随采随冒并具有一定的厚度的直接顶是放顶煤开采顶煤破碎冒落后顺利放出的基本条件,老顶对顶煤冒放性的影响相对较小。直接顶滞后冒落或冒落厚度较小,都将造成破碎冒落的顶煤垮向放出体以外的采空区,造成顶煤不能放出而丢失。所以直接顶对顶煤冒放性的影响表现为两个方面:一是要能随采随冒;二是冒落后要有一定的厚度即对采空区的充填程度。根据13101工作面回采情况分析,综放开采要求能随采随冒直接顶的最低厚度如下。

就神达金山煤矿开采条件而言，煤层厚度11.04～15.59 m，平均13.53 m,而直接顶厚1.5～2.5 m，老顶厚1～20 m,可保证放顶煤开采过程中对采空区充填程度的要求,顶板具有较好冒放性。

综采放顶煤采煤法的关键是煤层的冒放性，冒放性与煤厚、结构、节理裂隙发育程度、顶底板条件等有关，一般认为，当煤层硬度系数f小于3，强度小于20 MPa时，顶煤冒放性较好，反之，冒放性较差。

直接顶的性质对于顶煤冒放性的影响作用主要体现在顶煤的冒落程度和顶煤冒落之后需要有一定的厚度。大量现场研究表明，只有当顶煤能够随着工作面的推进而随采随冒才能够取得最好的放煤效果，且能够及时使得充填采空区。直接顶及老顶的垮落能够及时充填采空区，防止冒落顶煤进入采空区也能够减弱上覆岩层岩层破断时产生的剧烈动载荷。

3 综放工艺的优化方案

3.1 选择合理的放煤步距及采放比

根据顶煤的实际情况，选择合理的放顶煤采煤方式。采煤机在割完第二刀煤后，进行移架，放顶煤，采取前割后放或是前放后割的方式，选择1∶3的采放比和1.26 m的放煤步距。

保证放顶煤的顺序，确保顶煤从工作面的机头处开始放出，依次向机尾进行放煤作业，在放煤作业中，遇到放煤口被较大的顶煤堵塞时，可以使用液压支架上的搅动杆，将顶煤搅碎，确保放顶煤作业的顺利完成。为了提高回收率，在顶煤块度比较小时，基本支架侧的过渡支架可以适量进行放煤。

3.2 减少综采时的顶煤损失

为减少采煤割煤时进刀处到顶板之间的顶煤浪费，可在掘进时就铺设顶网进行有效防护。综采放顶煤工作面推出开切眼时，立即采取放顶煤措施。加强初采放顶煤的管理，保证工作面推出开切眼后就开始放顶煤，减少初采时的顶煤损失。初采时可采取铺设顶网的措施，尽量避免丢煤。安排专门的综采工作面放顶煤操作人员在现场进行指导和监督。

3.3 控制合理的放煤频率

工作面采取低位放顶煤，由专人依次分别放单号、双号支架顶煤。其中一人操作单数支架(3、5、7)放煤，另一人操作双数支架(4、6、8)放煤，直至见矸(端头支架不放顶煤)，工作面两端头过渡支架支护段严禁放顶煤。放煤时要控制好放煤速度，全工作面同时打开的放煤口最多不得超过2个，以防压死运输机，放煤时见矸立即封口，严禁放出矸石。

3.4 采用水力压裂技术弱化顶板

水力压裂技术是在钻孔压裂段预制大范围裂缝网络，从而控制水力压裂裂纹扩展方向。主要表现在压裂和软化两个方面，削弱坚硬煤岩体的强度和整体性，使坚硬顶煤能够及时冒落，提升顶煤的冒放性。基于弹性理论，以任意方向钻孔周围的应力场为出发点，根据最大拉应力准则分析任意方向钻孔的开裂压力及开裂方向，得出裂缝开启压力随钻孔参数(方位角、倾斜角)和地应力场类型的变化规律，指导压裂钻孔参数与压裂作业。13101工作面巷采用水力压裂提升顶煤冒放性技术，在工作面推进前方，通过13101工作面巷向工作面顶煤预先实施水力压裂，在煤层中预制裂缝网络，充分弱化顶煤的完整性，见图1。

图1 13101工作面水力压裂施工示意(m)

根据13101综放工作面实际情况，在13101回风巷和运输巷采用深浅交替钻孔实施水压裂。在回风巷深钻孔设计角度为+3°，孔深为50 m；浅孔设计角度为+26°，孔深为20 m。运输巷深钻孔设计角度为+16°，孔深为70 m；浅孔设计角度为+35°，孔深为25 m。终孔位置全部为13号煤层顶板，在实际施工过程中根据巷道实际情况调整角度。

4 水力压裂效果与顶煤放出率

4.1 水力压裂效果验证

采用钻孔窥视仪观测煤层结构的变化情况。在顶煤中进行水力压裂施工后，将钻孔窥视仪送入钻孔中，利用钻孔窥视的连接杆慢慢将探头往孔深处抬送，有裂隙和结构处放慢速度，并观察和记录，记录完成后，将窥视结果导入电脑中，并对其进行处理和分析，如图2所示。

图2 水力压裂钻孔窥视图

从图2可以明显看出，水力压裂效果良好，煤体和岩体能够看到大量明显的裂缝，而且多条裂隙之间相互交叉，产生大量的节理裂隙弱面，能够对顶煤和上覆岩层起到很好的弱化作用，有利于提高顶煤放出率。

4.2 顶煤放出率效果

经过水力压裂后，13101综放工作面推进约5 m时，就能够完成基本顶的垮落，直接顶基本垮落完成，而且顶煤冒落效果良好，顶煤的放出率大幅提高。由于垮落步距较小，因此对于工作面支架的冲击作用也极小，因此对于13101综放工作面进行合理的压裂不仅能够大幅提高顶煤放出率，而且降低了工作面的压架风险，对于提高煤炭资源回收率和矿井工作面的安全生产水平有着很好的效果。

5 结 语

1) 文章从煤体强度、顶煤节理裂隙、顶板条件等不同影响因素分析总结了金山煤业13101综放工作面放煤率较低的原因，结合前人研究总结的公式，定量分析了顶煤放出率的主要影响因素。

2) 通过选择合理的水力压裂方案，能有效增加顶煤及上覆岩层的碎裂程度，有利于顶煤的放出。

3) 提出了水力压裂弱化顶板与选择合理的放煤步距、采放比和控制合理的放煤频率的现场实施方案，极大提高了金山煤业13101综放工作面的顶煤放出率，增加了矿井的经济效益。