综采放顶煤技术及工艺的应用研究

赵第泰

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司， 山西 大同 037100）

煤炭开采工艺是影响工作面生产能力和安全性的主要因素。鉴于我国煤层特点变化较大且分布较广，选择适合煤层所在区域的地质条件、综合考虑开采的成本和安全性尤为重要。综合机械化放顶煤开采技术由于其高生产能力、高效率以及其具有可观收益等优势，被广泛应用于缓倾斜、急倾斜以及厚煤层工作面的开采中[1]。但是，针对坚硬厚煤层的开采条件而言，如何结合其上覆岩的破断规律、顶板破碎的运移规律以及顶煤的放冒特性最终确定合理的综采放顶煤工艺尤为重要，因此本文重点展开对综采放顶煤技术及其工艺的应用研究。

1 工程概况

此次所研究的矿井地处我国西部，该煤矿所在区域无较大的河流和含水层，煤矿的实际用水量来源于冬雪的融化和降雨的积水。所研究工作面的走向长度为1 230 m，该工作面的巷道形状为矩形，断面面积为12 m2。目前，工作面采用锚网索的形式进行支护，所采用的开采方法为综采放顶煤方式，针对性的顶板处理方式为顶板垮落法。经探测，工作面煤层的倾角范围为7°～9°，煤层的平均厚度为32.49 m。工作面的顶底板地质条件如表1 所示。

表1 工作面顶底板地质条件

此外，该矿井属于低瓦斯矿井。在2018 年经瓦斯鉴定所得数据为：工作面瓦斯的最大绝对涌出量为5.22 m3/min，最大相对涌出量为1.547 m3/t。

2 综采放顶煤技术应用的可行性分析

2.1 工作面顶煤冒放性影响因素分析

所谓的综采工作面顶煤冒放特性是指工作面顶煤在支撑压力的作用下，是否能够较为容易的冒落或者放出的特性。该项参数是分析该工作面是否可采用放顶煤开采方式的基础，同时为放顶煤开采工艺的安全开采提供依据[2]。

从原理上讲，影响工作面顶煤冒落和放出难易程度的主要因素包括工作面煤层的强度、煤层中夹杂矸石的情况、煤层的完整性、拟采用放顶煤工艺对应的采放高度比、工作面顶底板的地质条件以及煤层的赋存深度等条件，结合工作面实际情况，对相应的具体影响机理一一进行分析：

1）煤层的强度越大，代表其越难破碎，对应的冒放特性较差。该工作面煤层的硬度范围为2.8～3.2，垮落角约62.5°，对应的顶煤垮落特性较差，容易出现较大的悬顶现象。

2）煤层夹矸情况可根据矸石硬度分为夹软矸和夹硬矸。其中，煤层夹软矸对煤层冒放有利；夹硬矸对煤层冒放不利。该矿井工作面所夹杂矸石比煤层硬，且厚度约为3.6 m，对煤层的冒犯特性不利[3]。

3）结合实际探测结果，该工作面煤层的硬度较大且对应的节理、裂隙不发育，也就是说，该工作面煤层的完整性较好，不易被破坏，导致其不容易被破碎，对应的冒放特性不好。

4）结合工作面的实际情况计算可知，当采放比大于2.25 时，对应的煤层放煤效果不佳。该工作面的采煤高度为3 m，对应的临界煤层厚度为6.75 m；实际上工作面的煤层厚度为20 m，采放比远大于2.25。为实现放顶煤工艺的应用，需增加煤层截割高度。

5）结合工作面顶底板地质条件，水平分段顶煤覆盖层的冒落滞后于工作面，也就说是说该工作面顶煤覆盖层并不适用于放顶煤开采工艺。

6）煤层的埋藏深度为250～300 m，与国内其他采用放顶煤开采工艺的工作面相比，煤层赋存深度合适，单从这一指标来看，该工作面适用于放顶煤工艺。

2.2 综采放顶煤技术应用的可行性

该工作面对应的冒放特性定量可定义为四级，对应的冒放特性较差，不利于综采放顶开采工艺的应用。但是，鉴于放顶煤开采工艺巷道布置简单、生产能力高、效率高以及具有可观收益等优势，可对工作面顶煤进行弱化后再实施放顶煤开采工艺。

3 综采放顶煤技术的应用研究

3.1 顶煤弱化方法的选择

通过上述分析可知，实现对该工作面的综采放顶开采的首要条件为对其顶板进行弱化处理。结合工作面实际情况，主要采用注水工艺巷长距离煤层钻孔注水系统来实现对工作面顶煤的弱化处理，现对具体顶煤弱化方案进行研究。

3.1.1 钻孔的布置

根据工作面顶板地质条件，采用单一注水工艺巷方式，沿着工作面煤层的走向方向对钻孔进行合理布置[4]。相邻钻孔之间间距为5 m，钻孔的倾角设计为3°，钻孔的直径为100 mm；形成钻孔所采用的钻机型号为ZDY-3200。工作面涉及到的钻孔参数如表2所示。

表2 钻孔参数

3.1.2 注水方式的确定

采用单孔单泵高压独立注水方式，对应的注水压力设定为6.4 MPa。根据工作面的顶板及顶煤的实际情况，为保证能够对顶煤进行合理的软化，工作面东西两侧区域的注水量均设定为942 m3，总共需注水约1 884 m3；实际注水过程中所采用的注水流量控制在0.3～2.0 m3/h。

顶煤弱化对应的水软化工艺流程如图1 所示。

图1 顶煤弱化注水软化工艺流程图

3.2 工业化试验效果分析

对工作面顶煤进行弱化处理后，将综采放顶煤开采工艺应用实际生产中，并对实际应用效果进行分析。

在工作面弱化之前，采用综采放顶煤开采工艺，在6 个月的生产周期内，工作面总共推进82.7 m，对应的出煤量为122 059 t，其中包括采煤机开采量为44 793 t，工作面放煤量为77 266 t。整个工作面的顶煤回收率为60%。

对工作面顶煤弱化处理后，再次采用综采放顶煤工艺，在4 个月的时间内工作面共推进554 m，对应的顶煤回收率高达89%。同时，对顶煤弱化处理后，实际生产工作面的含矸率、煤块度以及降尘率得到明显改善[5]。

4 结语

综采工作面确定合适的采煤工艺时，需综合考虑工作面的地质条件、煤层条件和生产成本等问题。综采放顶煤开采工艺由于其巷道布置简单、效率高、效益客观等优势被大多数煤矿所应用。但是，鉴于某些煤矿地质、煤层等条件并不完全适用放顶煤开采工艺，因此可以对地质、煤层进行处理来保证放顶煤开采工艺的适用性。经实践证明，在对工作面顶煤进行弱化处理后，工作面的推进速度和顶煤回收率明显提升。