稿件來(lái)源：《中國(guó)煤炭報(bào)》12月2日4版
降低煤柱留設(shè)量 提高頂煤回收率
冀中能源張礦集團(tuán)官板烏素煤礦突破堅(jiān)硬特厚煤層放頂煤開(kāi)采難題
平均煤厚12.5 米、普氏硬度系數(shù)達(dá)3.6 的特厚堅(jiān)硬煤層時(shí)常“發(fā)威”——不是頂煤難垮落，就是垮落塊度過(guò)大，直接導(dǎo)致頂煤采出率不高、采場(chǎng)頂板難以控制……日前，這些困擾官板烏素煤礦多年的放頂煤開(kāi)采難題終被攻克。
“采區(qū)預(yù)留的安全煤柱由原來(lái)設(shè)計(jì)的33 米減至11 米。”該礦董事長(zhǎng)周曉路欣喜于創(chuàng)新為企業(yè)帶來(lái)的變化，僅2 個(gè)工作面就多回收60 萬(wàn)噸煤炭資源，增加收入4 億元。
確定沿空掘巷位置及煤柱寬度
官板烏素煤礦是冀中能源張礦集團(tuán)投資收購(gòu)地方民營(yíng)企業(yè)、實(shí)施股份重組后成立的國(guó)有控股企業(yè)。經(jīng)過(guò)10 余年的持續(xù)生產(chǎn)，礦井煤炭賦存量日漸萎縮，難以支撐企業(yè)后續(xù)發(fā)展。
怎么辦？一方面，他們眼界向外，積極申請(qǐng)資源擴(kuò)界；另一方面，刀刃向內(nèi)，瞄準(zhǔn)現(xiàn)有開(kāi)采地區(qū)深挖內(nèi)潛，調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)組織方式。
令他們頭疼的，是6號(hào)特厚堅(jiān)硬煤層帶來(lái)的綜放作業(yè)面頂煤難垮落、垮落塊度大、頂煤采出率低、采場(chǎng)頂板難以控制等困擾。
周曉路說(shuō)，官板烏素煤礦井田面積不足3.5平方公里， 生產(chǎn)地區(qū)布置于井田深部6號(hào)煤層。井田地質(zhì)條件多變，煤層傾角擾曲部位超過(guò)15 度，煤層開(kāi)采厚度大，且覆巖運(yùn)移破斷范圍廣、不同層位的頂板破碎特征及礦壓作用機(jī)制差異較大，造成大空間覆巖應(yīng)力分布及采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜。
“采用以往回采工藝、人員組織、預(yù)留大區(qū)段安全煤柱的方法，對(duì)于平均厚度為12.5 米的特厚煤層來(lái)說(shuō)，煤炭采出率、礦井綜合效益都不太理想。”周曉路說(shuō)。
從2019 年開(kāi)始，該礦與科研院校合作，針對(duì)611 綜放工作面6 號(hào)煤層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，展開(kāi)了項(xiàng)目攻關(guān)。
從特厚煤層綜放工作面實(shí)體煤側(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手，該礦總工程師朱貴禎掌握了特厚煤層綜放工作面支承壓力演化規(guī)律、工作面穩(wěn)定后采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布等第一手資料，模擬出工作面采空區(qū)穩(wěn)定后的數(shù)值，確定了沿空掘巷位置及煤柱留設(shè)量。
“為最大限度地減小煤柱損失，我們沿破碎區(qū)將掘巷位置布置在圍巖完整程度較好、遠(yuǎn)離側(cè)向支承應(yīng)力集中的塑性區(qū)。”朱貴禎說(shuō)，從煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律、采空區(qū)防火、煤炭資源
回收率等方面考慮，煤柱合理寬度應(yīng)維持在11米左右，“ 雖然33 米大煤柱的承載力更強(qiáng)， 但11 米窄煤柱仍具有相當(dāng)承載力，能保持巷道圍巖穩(wěn)定。”
據(jù)測(cè)算， 與之前2 個(gè)工作面區(qū)段間留設(shè)的33 米煤柱相比， 優(yōu)化后的707 米長(zhǎng)的工作面煤柱煤損回采率提升至88%。
運(yùn)用大直徑鉆孔頂煤預(yù)裂技術(shù)
指揮移架、推溜，熟練操作采煤機(jī)往復(fù)作業(yè)……在井下工作了20 余年，綜采區(qū)班長(zhǎng)張春林習(xí)慣了各種地質(zhì)條件下的煤層開(kāi)采工作。但對(duì)于12.5 米的特厚堅(jiān)硬煤層，放頂煤不易垮落、頂板難管理經(jīng)常令他力不從心。
張春林表示，綜放工作面放頂煤開(kāi)采可使采煤機(jī)可采高度和頂部的煤炭同時(shí)采出。“頂煤主要在礦壓作用下發(fā)生變形后破壞性垮落。因此，放頂煤回采關(guān)鍵是頂煤的破碎、垮落和放煤工藝。”張春林說(shuō)。
煤層強(qiáng)度直接影響頂煤冒放性。綜采區(qū)技術(shù)員張明家對(duì)此了如指掌：“軟煤最容易冒落，可放性好；中硬煤次之；硬煤的冒放性最差。”
據(jù)了解， 官板烏素煤礦6 號(hào)煤層煤體屬硬煤層，煤層強(qiáng)度對(duì)頂煤冒放性影響明顯。現(xiàn)場(chǎng)支架后部常有懸頂?shù)捻斆海颐奥鋲K度較大。
“611 特厚煤層綜放回采工作面機(jī)采高度3.5米，放頂煤最大厚度10 米、平均厚度9 米，采放比為1∶ 2.6， 頂煤厚度較大。中部頂煤很難得到充分松動(dòng)，導(dǎo)致頂煤難以冒落。” 張明家說(shuō)。這不僅造成了資源浪費(fèi)，還會(huì)引發(fā)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。
“頂煤高效回收，取決于頂煤破碎機(jī)理和散體頂煤流動(dòng)規(guī)律2 個(gè)關(guān)鍵因素。”朱貴禎深諳降低頂煤強(qiáng)度的各類(lèi)手段， 卻止步于深孔爆破、超前注水軟化等傳統(tǒng)方法給工作面帶來(lái)的危險(xiǎn)和隱患。
直到大直徑鉆孔頂煤預(yù)裂技術(shù)的出現(xiàn)，他們從根本上找到了弱化特厚堅(jiān)硬頂煤安全高效的方法。“向頂煤中施工大直徑鉆孔，對(duì)堅(jiān)硬頂煤實(shí)施預(yù)裂。”朱貴禎說(shuō)。此工藝簡(jiǎn)單，受煤層條件影響小、利于工作面連續(xù)生產(chǎn)，可節(jié)約大量生產(chǎn)和技術(shù)成本。
在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，張明家發(fā)現(xiàn)，隨著大直徑鉆孔在煤體中的開(kāi)挖，煤體的應(yīng)力場(chǎng)平衡狀態(tài)被打破，在重新分布的應(yīng)力作用下發(fā)生彈塑性變形，并從孔壁向煤體深部發(fā)展，由孔壁向煤體深處依次形成了破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)3 個(gè)區(qū)域。
“增大鉆孔直徑，塑性區(qū)便會(huì)擴(kuò)大。”實(shí)驗(yàn)中，張明家逐步擴(kuò)大了鉆孔直徑。在減少鉆孔巷道圍巖變形量、綜合考慮技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素情況下， 他最終將鉆孔直徑尺寸確定為150毫米。
優(yōu)化工作面回采工藝設(shè)計(jì)
在實(shí)施大直徑鉆孔工藝后，特厚堅(jiān)硬頂煤逐步弱化，破碎為具有冒放性的流動(dòng)散體煤。“散體煤的高效回收，仍然受制于放煤方式、放煤步距等因素。”朱貴禎接下來(lái)的任務(wù)，是結(jié)合放煤工藝，采取合理有效的放煤步距，提高頂煤放出量、減少放煤損失。
在611 工作面3.5 米采高條件下，朱貴禎和技術(shù)人員分別實(shí)驗(yàn)了不同放煤步距、放煤方式對(duì)頂煤放出規(guī)律的影響。他們進(jìn)而得出：煤矸混雜區(qū)形成時(shí)間和空間形態(tài)、頂板冒落形式和塊度、支架選型和放煤步距等是造成放煤損失的主要因素。
在確定放煤步距方面， 他們分別實(shí)驗(yàn)了0.6 米、1.2 米、1.8 米和連續(xù)單輪多輪、間隔單輪多輪放煤工藝，分別模擬煤矸流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程， 分析頂煤損失特征、采出率和含矸率。
朱貴禎發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放煤步距為0.6 米時(shí)，頂煤放出量呈“少—多—少”循環(huán)形式，放煤口放出的矸石以“采空區(qū)矸石—頂部矸石—采空區(qū)矸石”循環(huán)形式出現(xiàn)，頂煤回收率達(dá)76.13% ，含矸率6.76%；當(dāng)放煤步距為1.2 米時(shí)，采空區(qū)內(nèi)矸石和頂板矸石同時(shí)冒落至放煤口。相比0.6米放煤步距，頂煤損失較小，總體回收率達(dá)到79.88%， 含矸率5.75%； 而放煤步距增大至1.8米時(shí)，采空區(qū)附近矸石留置于采空區(qū)內(nèi)，頂煤損失加大，頂煤回收率僅為74.57% ，含矸率6.74%。
“放煤步距為1.2 米時(shí)， 頂煤回收率較高，含矸率最低。”朱貴禎說(shuō)。
在優(yōu)化放煤工藝方面，張明家先后對(duì)特厚煤層頂煤在“兩放一采”工藝條件下的單輪順序、雙輪順序和三輪順序工藝的頂煤損失規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
“單輪順序放煤原煤回收率為74%至78% ，雙輪間隔原煤回收率79%至82%。”張明家說(shuō)。三輪間隔放煤的頂煤損失最少，回收率能達(dá)到82%至84%。
“隨著放煤輪次的增加，頂煤回收率依次增高，同時(shí)也伴隨著工藝復(fù)雜程度的提升。工作面放煤方式的選擇，還要考慮兩者間的平衡。”周曉路說(shuō)。間隔多輪放煤是611 工作面較為合適的高效放煤方式，“采用‘兩放一采’、三輪放煤工藝，頂煤回收率達(dá)到82.27%，較以往提升近45%。”（王海 梁樹(shù)清 王帥）