高士岗

(1.神东煤炭集团 大柳塔煤矿，陕西 神木 719315；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

大柳塔煤矿活鸡兔井12煤层复合区属特厚煤层，煤层厚度为10m左右，煤层普氏系数约为3，且节理裂隙不发育、煤层韧性较好，埋深为76～106m，煤层埋深较浅。2001年3月至2006年5月对该盘区上分层进行了综采回采，且回采时未采取铺网等人工制造假顶措施，上分层回采时采高为4.0m，剩余下分层煤层厚度为6m。经过研究、论证，结合特厚煤层开采工艺和放顶煤开采工艺的特点[1-3]，对剩余6m厚的下分层采用综放开采方法，采高3.7m，放顶煤2.3m，但是由于工作面采取外错式布置巷道，下分层的巷道布置在上分层实体煤柱下方，因此，存在两端头放煤效果较差的问题，大块多，顶煤不易回收而遗留于采空区，影响资源回收率，并且存在遗煤氧化自燃导致采空区产生火灾的风险[4-11]。为了提高煤炭资源的回收率，减少采空区的遗煤，采取高压水力预裂[12-14]、高压气体深孔预裂[8]进行顶煤预先弱化，并且通过辅助措施改变顶煤的超前支承压力，从而提高顶煤的可冒性和可放性[15]。

1 工作面基本条件

图1 12下206工作面巷道布置

12下206综放工作面位于大柳塔煤矿活鸡兔井12煤复合区下分层，工作面西北始于12煤南侧辅运巷，工作面东侧为12煤复合区的火烧边界，北侧为12下204采空区，工作面南侧为12下208工作面，工作面正上方为12上206采空区，12下206工作面巷道布置如图1所示。该工作面为刀把式工作面，12下206工作面长度为287m，推进长度2687.6m，12下206回风巷道布置在距离工作面回风巷道沿倾向长度39.5m处的实体煤下方，该段煤层平均厚度为10m，正常回采期间工作面煤机采高3.7m，放煤高度6.3m，其余段工作面平均煤厚在6m左右，上覆为上分层采空区，煤机割煤高度3.7m，放煤高度2.3m。

12下206煤层类型以亮煤为主，单轴抗压强度为13.2～56.7MPa，平均33MPa。采用166台液压支架和一组两台组合支架共同对工作面顶板进行支护。工作面回采巷道使用“锚杆+锚索+冷拔丝网片”支护，上分层联巷与本工作面回采巷道交叉点段使用U型棚进行支护，工作面端头侧超前压力集中区域20m范围内端头采用液压单体支柱和组合支架进行联合支护，机尾超前支护采取一组两台超前迈步支架支护。

2 工作面放煤效果

2.1 放煤工艺

12下206综放工作面采煤工艺为：割煤—移架—推前溜—放煤—拉后溜。其中放煤采取“一采一放平行作业双轮顺序放煤”作业方式。即：在采煤机正常割煤过程中，随着拉架、推前溜工序的完成，放煤工A滞后移架不少于10架依次动作支架插板和尾梁开始放顶煤作业。放煤工B滞后放煤工A在10架以上进行第二轮放煤，见矸关门。放煤组成员必须遵循“无煤封口、见矸即止”的工作原则。当综放开采时，一刀一放每次移架放煤可以为顶煤提供松动空间，移架过程即为完成一次放煤。一刀一放时，移架、放煤及拉后部输送机各工序的关系如图2所示，顺序为(a)→(b)→(c)→(a)。

图2 放煤工序

2.2 无辅助措施下放煤效果

在12下206综放工作面回采过程中，采高6m段，随着工作面的推进，顶煤在超前压力的影响下，均能很好的从支架后部运输机放出，采出率达90%左右。但是机尾39.2m，由于采高为10m，煤机采出3.7m，顶煤厚度6.3m，由于上分层未开采，煤层原有的力学特性未受到破坏，随着工作面的推进，顶煤不能及时断裂、垮落，致使顶煤的冒放性差，大块多，使顶煤不易回收而遗留于采空区，既造成了回收困难，又使煤炭资源浪费，影响资源回收率，该段回收率不足40%。

2.3 放煤效果原因分析

根据回采过程放煤效果和周期来压分析发现，机头段(1#—125#支架)矿压显现不明显，顶煤随着放煤工操作支架后挡煤板很容易放出，主要原因是在开采过程中由于顶煤厚度只有2.3m，通过直接顶和顶煤介质传递矿山压力，在矿压的作用下顶煤很容易变得破碎，所以矿压显现不明显且放煤效果比较好。

机尾段(126#—166#支架)工作面周期来压比较明显，正常生产过程中顶煤冒放性比较差、顶煤块度比较大，顶煤回收率比较低，只有在工作面来压时放煤效果较好。分析其原因，主要是因为由于顶煤比较厚(此段顶煤厚为6.3m)，且上部顶煤坚硬，顶煤充当了直接顶的一部分，在支架未冒顶煤和已冒顶煤之间形成了拱式平衡结构，即“煤-煤”结构，如图3所示。

图3 “煤-煤”拱式平衡结构

3 水力预裂辅助放煤

为了弱化顶煤，增强顶煤的裂隙，减小顶煤的块度，进一步提升放顶煤的回收率。在工作面推进至200m时采用水力预裂技术。

3.1 水力预裂钻孔设计

试验一段在12下206-1回风巷距离切眼推进200m处开始施工，钻孔间隔为10m，钻孔采用ZDY1200S型全液压钻机施工，钻头∅56mm，钻孔的倾角为12°，钻孔长度为34.5m/29.5m，共施工10个钻孔。试验二段在12下206-1回风巷距离切眼推进300m处开始施工，钻孔间隔为6m，钻孔采用ZDY1200S型全液压钻机施工，钻头∅56mm，钻孔的倾角为14°，钻孔长度为34.5m/29.5m，共计施工17个钻孔并采用高压水压裂。钻孔布置如图4所示。

图4 水力预裂钻孔布置(m)

3.2 水力预裂钻孔施工

水力压裂弱化顶煤采用横向切槽钻头，预制横向切槽，利用手动泵为封隔器加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，然后连接高压泵实施压裂。

预裂钻孔施工采用单孔多次压裂方式进行高压水预裂，压裂间隔为2m，压裂时间为15min，在距离孔口9m时，停止压裂，平均每个孔压裂13次。压裂强度为10～16MPa，随着距离孔口渐近，泵压逐步减小，减小幅度约为1MPa。压裂时间为15min，注入水量为1.35t。预裂段范围对应工作面142#—158#支架。

3.3 水力预裂放煤效果

根据现场观测可看出，当预裂孔间距为6m时，放煤效果比未预裂和预裂钻孔为10m时的效果好，在工作面140#—151#顶煤回收效果较好，回收率能达到70%，主要是因为140#—150#支架段处在上分层应力集中场内，再加之水力预裂对顶煤原始裂隙的破坏，所以放煤效果比较好，但是在151#—161#支架段，放煤过程中大块仍然比较多，顶煤回收率只能达到50%，该段只受到水力预裂对原始顶煤裂隙的扩张方面因素的影响，所以顶煤回收率低于140#—151#支架。

水力预裂虽然可以提升顶煤的冒放性，但是效果并不突出，垮落下来的顶煤大块仍比较多，可回收的小块仍比较少，顶煤回收率不高。主要原因为该种预裂方法，水压力小了不能有效预裂，压力大了高压水会顺着阻力小的裂隙跑掉，整个预裂过程不可控，预裂完后大块仍然比较多、效果不好，严重影响放煤效果。

4 高压气体深孔预裂辅助放煤

由于采用高压水预裂顶煤效果不佳，在工作面推进至500m时，采用高压气体深孔预裂新技术对顶煤实施预裂弱化。

4.1 高压气体预裂钻孔设计

钻孔参数：钻孔在工作面回风巷道50m范围内，共布置6个孔，钻孔间距为12m，其中30.7m的孔3个，水平倾角12°，装药长度为18m；钻孔长度28.4m的孔3个，水平倾角13°装药长度16.2m。钻孔直径86mm，总装药量为508.2kg。钻孔设计如图5所示。

图5 高压气体预裂钻孔布置(m)

4.2 高压气体预裂工艺

高压气体预裂的工艺依次为：打钻—装药—封孔—连线—放炮。其中固体产气预裂药剂，分为A型药卷、B型药卷和C型药卷，A型药卷直径76mm、长900mm，主要作用是在瞬间产生大量的气体，B型药卷直径76mm、长900mm，主要作用是爆炸，C型药卷直径10mm、长900mm，主要作用是起点火作用。超低温气体压裂装置技术的特点是常温常压下不燃烧，高温高压下迅速燃烧，产生大量气体，煤层压裂后停止分解，安全可控。钻孔中药卷装入顺序，如图6所示。

1)1号孔装药：先装入B型药卷1节，再装入带点火药的直径A型药卷7节(带点火药的放7节的中间位置，点火端朝里)，然后再放入B型药卷1节，之后放入A型药卷5节(带点火药的放5节的中间位置，点火端朝里)，再放入1节B型药卷后放入A型药卷5节(带点火药的放5节的中间位置，点火端朝里)，之后封孔。

2)2号孔装药：先装入B型药卷1节，再装入带点火药的A型药卷5节(带点火药的放5节的中间位置，点火端朝里)，然后再放入B型药卷1节，之后放入A型药卷5节(带点火药的放5节的中间位置，点火端朝里)，再放入1节B型药卷后放入A型药卷5节(带点火药的放5节的中间位置，点火端朝里)，之后封孔。

3)封孔时先填入1m长的黄泥捣实，然后装入快速水泥，并将快速水泥捣实，1号孔快速水泥装入11m，2号孔快速水泥装入10m。将每个钻孔的三个点火药线并联后，打通断，然后孔与孔之间串联后与放炮母线相连，再打通断。最后一个孔封孔完毕后，封孔水泥要凝固至少40min。连接完后方可放炮。

图6 钻孔装药方案

4.3 高压气体预裂放煤效果

根据生产现场观测可看出，工作面回采至预裂孔前后30m范围内，140#—160#支架压力减弱，机尾段无明显的周期来压，架后顶煤随着支架前移及时垮落，大块率显著降低，块度均匀，大大提高了回收率，顶煤回收率可达85%左右。

5 结 论

1)坚硬厚煤层采用放顶煤开采时，支架后部采空区已冒落顶煤和未垮落的顶煤之间形成“煤-煤”拱式平衡结构，顶煤回收率底，容易造成资源浪费，需采取辅助放煤措施。

2)对于坚硬顶煤采用辅助措施进行放煤，固体产气预裂剂预裂的效果优于高压水力预裂裂。主要是因为水力压裂压力小，裂隙无法扩张，压力大时，水会从大裂隙阻力小的地方流出，而达不到均匀预裂的效果。同时水分子较气体分子大，无法进入孔隙微孔隙，高压水只会沿已有的大裂隙流动，而不会产生新的裂隙孔隙。然而采用固体产气预裂剂深孔预裂技术，高压气体可以迅速的楔入新生裂隙及煤体原始裂隙使裂隙扩展，结合二次爆轰，将裂隙间的煤块进行网格性压裂划分，可以有效提高放顶煤的回收率。