专题-坚硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究.doc

1、专题部分坚硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究【摘 要】在对坚硬特厚煤层综放开采顶煤破坏基本特征及影响顶煤破碎冒放主要因素分析的基础上，结合国内外煤矿对综放工作面坚硬顶煤的处理方法，总结出厚硬煤层顶煤的弱化技术，确立不同开采条件下的顶煤弱化技术的应用。【关键词】硬厚煤层；综放开采；顶煤弱化；注水；爆破顶煤采出率是综采放顶煤开采中的核心问题。顶煤得到充分破坏而及时垮落并破碎到放煤所需块度是应用综放开采的必要前提。在一般的综放开采中，顶煤依靠矿压作用和支架反复支撑作用就可以得到充分破坏而及时垮落并破碎到放煤所需程度。但在顶煤坚硬且厚度大时，仅依靠矿压和支架反复支撑的破煤作用难以使顶煤及时垮落和充分破碎

2、。 一方面，由于煤体自身强度较大、整体性较好，降低了其可放性；另一方面，由于埋深浅（200m）或顶分层已预采，减弱了矿压破煤作用。对于前者，目前已取得了部分研究成果，如大同忻州窑矿、兖州鲍店煤矿、靖远红会一矿及铜川陈家山煤矿等，但从目前掌握的资料来看，实际应用效果很不明显，典型的如铜川陈家山413综放面，顶煤回收率尚不足60%，采空区遗煤厚达6.3m，占总放煤厚度的42%，且由于处理后的顶煤整体强度虽有所降低，实际块度却往往很大，根本无法从支架放煤口放出，不仅造成煤炭资源的巨大浪费，而且形成了严重的安全隐患。对于后者，目前研究较少，仍有待于进一步探讨。因此采取有效措施使顶煤及时垮落和充分破碎是

3、坚硬特厚煤层发展综放开采中的关键技术问题。1 顶煤破碎原理、过程及影响因素1.1 顶煤的破碎原理在支承压力作用下，煤壁前方由弹性变形进入塑性变形状态而发生位移和破坏，这种作用称为一次破坏或预破坏作用，但这时仍然处于三向应力状态，不会发生冒落。当煤体进入工作空间上部，即进入低应力区，应力状态发生变化，使其积蓄的能量进一步释放，加上工作空间内支架的反复支撑作用，从而使顶煤进一步松碎，即称为二次破碎。显然二次破碎与支架反复支撑的次数和时间等因素有关，而这些因素是可控制的人为因素。在支护过程中，支架的反复支撑，即多次“支撑卸载”作用，支架对顶煤的强度不断改变，使顶煤内的应力状态发生周期性变化，形成交变

4、应力，促使顶煤易于发生破坏。也就是说在工作面推进过程中，开采引起的支承压力、顶板回转和支架反复支承使煤壁前方的顶煤由实体煤变为松散的煤块。1.2 顶煤的破碎过程一般认为顶煤的破坏过程可分为4个过程，即初始破坏区、破坏发展区、裂隙发育区和垮落破碎区，如图1-1所示。1.2.1 初始破坏区煤层的采出必然造成煤壁前方形成移动支承压力，在工作面煤壁前方一定距离以外的顶煤在支承压力作用下，原生裂隙扩展，顶煤开始破坏，形成如图1-1中的A区。1.2.2 破坏发展区随工作面继续推进，煤壁前方附近的顶煤受顶板回转作用，煤体发生破坏，裂隙扩展、水平位移和垂直位移急剧增大，形成如图1-1中的B区。1.2.3 裂隙

5、发育区在控顶区范围内，由于支架的反复支撑和卸载作用，顶煤裂隙和裂缝进一步发育，表现为裂隙密度的急剧增加和裂缝迅速扩大，形成如图1-1中的C区。图1-1 顶煤破坏分区A初始破坏区 B破坏发展区C裂隙发育区 D垮落破碎区1.2.4 垮落破碎区支架上方靠采空区侧的顶煤完全破坏，失去连续性，成为可放出的破碎煤块，形成如图1-1中的D区。1.3 影响顶煤破碎的因素顶煤破碎是支承压力、顶板回转及支架反复支撑共同作用的结果。其中支承压力对顶煤具有预破坏作用，是顶煤实现破碎的关键；接近煤壁时受顶板的回转作用，这与顶板的结构有关，特别是与来压步距和强度有关。顶板回转对顶煤的再破坏作用使顶煤进一步破碎；在控顶区内

6、主要是支架对顶煤的反复“加载卸载”作用，支架对下位23m范围内的顶煤作用最为明显。在其他条件大致相同的情况下，顶煤破坏的程度可能差别较大，这与顶煤自身的强度和节理裂隙程度有关。显然，顶煤的强度愈高、节理裂隙愈不发育，顶煤就愈不容易松散破碎。2 顶煤弱化技术研究2.1 顶煤弱化技术现状调研结果表明，目前现有及可能采用的技术措施主要有调节液压支架压力、定向水力压裂、高压预注水和深孔爆破与架间爆破技术。2.1.1 调节液压支架压力该方法主要通过调节液压支架对顶煤的作用力，实现支架顶梁对支架上方顶煤体的反复支撑和挤压，以此达到破碎顶煤、提高顶煤体冒放性的目的。实践表明，调节液压支架压力，有利于提高顶煤

7、的冒放性，但该方法实际影响顶煤冒放性的范围相对较小（支架上方约12m），实用性较差。2.1.2 定向水力压裂定向水力压裂是通过在煤岩层中利用特殊的开槽钻头开挖楔形槽，然后注入压力水，利用水压及楔形槽尖点的应力集中作用克服煤岩层节理、层理面的黏结力，使其产生分层和裂隙，达到降低强度、弱化煤岩体目的的，如图2-1所示。图2-1 楔形环槽及应力分布由于定向水力压裂方法对机具的性能要求较高（如开楔钻头和封孔器）及煤体因层理、节理与工作面附近受支承压力影响裂隙较发育、整体性差，楔形槽尖点应力集中不明显，开裂方向及效果不易掌握，现场应用较少，目前该项技术尚处于设计开发阶段。2.1.3 高压预注水高压预注水

8、是通过钻孔向煤岩体预注高压水，利用压力水对弱面的压裂、冲刷以及楔入作用（水楔作用），使煤岩体扩大原有裂隙、产生新裂隙，破坏煤岩体整体性，降低其强度。高压预注水方式在现场应用较为广泛，注水工作一般在工作面前方60100m外进行，以达到在工作面前方支承压力区之外以压裂为主，支承压力区以内以湿润为主的目的，但由于煤体的透水性及软化特性不一样，顶煤弱化效果也不尽一致。2.1.4 顶煤松动爆破众所周知，对顶煤实施松动爆破就是利用炸药在煤体内爆炸而形成空腔、压碎区、松动区使煤体预先破碎、松动，待支架前移后，顶煤以小块冒落，以利于提高采出率。按爆破孔实施的位置及孔深，顶煤爆破主要分两巷深孔预爆破、工艺巷深孔

9、预爆破和架间爆破，如兖州鲍店煤矿1310综放面、大同忻州窑矿8911工作面、鹤壁三矿2119工作面等。2.2 顶煤弱化技术分析根据实际生产经验，顶煤的弱化一般以两种方式为主：爆破和注水。一般情况下煤体的强度降低与煤体的含水率成正比，裂隙孔隙发育的煤层透水性强，容易注水，注水压力较低，而煤体致密，节理裂隙不发育的煤层透水性差，即使在较高注水压力下也不一定能取得预期效果；有些地质构造强烈、承受开采支承压力破坏严重的煤层区域，由于外生或次生裂隙大量形成，而使煤体透水性急剧增大，水从发育的裂隙中迅速流走，排至煤体之外，对软化减小冒块是极为不利的。另外，煤体的强度、变形特性、原煤含水率等物理力学性质都对

10、预注水软化存在不同程度的影响。因此为了有效地改善顶煤冒放性，实施预注水技术之前，应在实验室进行软化特性实验，即预测煤体强度与含水率的关系。从顶煤弱化效果上讲，爆破的适用性较注水更为广泛，而煤层注水一般可以作为必要的补充，有利于降低工作面煤尘。3 注水弱化顶煤技术研究煤层注水是降低粉尘、防治冲击地压和煤与瓦斯突出等的主要工业性措施，已在生产中广泛应用。最新的研究成果有：煤对纯水吸收速度的第1影响因素是煤的平均毛细管力；第2影响因素是煤中过渡孔与半大孔的孔隙体积之和。煤的层理方向对自然渗流润湿煤体的效果影响很大，在层理方向上水渗流速度明显高于垂直层理方向上的渗流速度。完全依靠毛细作用力润湿煤体远不

11、能达到煤矿安全规程规定的“至少提高煤体水分1%”的要求，必须进行压力注水。在中、低压力（1MPa）下，纯水的压力渗流润湿煤体的效果远不能满足煤层注水的要求。应用电测法可以测定煤层注水浸润半径。本节主要研究预注水在煤层中的渗透运动和对煤体的弱化机理与弱化效果、注水工程参数的确定方法及其应用效果，为综放开采实施预注水提高顶煤冒放性提供理论与技术依据。3.1 煤层预注水机理煤体的裂隙系统对水起着一种通道的作用，孔隙系统不易导水，在注水压力和毛细管力的共同作用下吸附水分。水在贯通裂隙中的渗流取决于注水压力P、时间和渗透系数k，而水在微孔隙中的毛细运动则取决于毛细管的半径和润湿角。据圆管层流公式可得到孔

12、隙水的水平渗透、毛细上升和向下渗透的时间、距离与毛细管半径的关系为水平渗透： （3-1）毛细上升： （3-2）向下渗透： （3-3）式中，t为渗透时间（d），L为被润湿的毛细管长度（m），a为毛细管半径（m），为水或水溶液的表面张力（Nm1），c为水或水溶液的粘性系数（Pas），为煤的润湿角（），为水的密度，g为重力加速度。令毛细上升时的速度v=0，可得水在毛细管中上升的最大高度。对于特定煤层注入清水或含表面活性剂的水溶液时，c，cos都是一定的，据此可以计算出任一时间内不同孔径中水的毛细渗透距离和上升的最大高度。由水在煤层中的渗透运动机理，可以得出以下几点结论：（1）注水压力P是驱动水在裂隙

13、系统中运动的动力，到达细小孔隙处P已经很小，但毛细作用力Pm却随孔径的变小而增大。孔径减速小10倍，Pm就增大10倍。当=65时，微孔及过渡孔的Pm可达数十个甚至数百个大气压力。（2）当a105m时，注水泵停止后，注水孔上方的大孔隙中将不再有水渗入，向下则可以靠重力继续流动，钻孔应尽量布置在顶煤的上部。（3）当a为106107m时，Pm比P要高，因为Pm不随路程的增长而衰减。渗入到微孔隙中的水分虽然不如大裂隙中的水分能明显提高煤的含水量，但在改变煤的物理力学性能方面起着重要的作用。（4）理论上，当煤的润湿角90时，Pm将成为注水的阻力，只有添加润湿剂降低，方能变阻力为动力。但绝大多数煤的润湿角

14、为4085，平均为67.73.2 预注水对煤体的弱化作用煤的孔隙吸附水分后，颗粒间的粘聚力c和内摩擦角降低；裂隙面吸附水分后，其也会减小。另外，由于孔隙水压w使有效应力改变为n=而剪应力不变，则其抗剪强度降为 （3-4）式中：cw为注水后的粘聚力；为注水后的内摩擦角；w为孔隙水压力。因此，注水煤块较干煤块抗剪强度的降低值为 （3-5） 式中：（c-cw）为吸水使煤块粘聚力产生的降低量；（tantan）为吸水使煤块摩擦系数产生的降低量；而为孔隙水压使煤块抗剪强度产生的降低量。式（3-5）为水对煤块强度弱化的综合效应。表3-1为5个煤矿的大煤样（100 mm100 mm200 mm）在室内注水后所

15、得P与煤样弹性模量E的关系。将试验结果写成线性通式为 E=E0-bP （3-6）式中：E0为煤样初始弹性模量（MPa），b为煤样弹性模量随P的变化率。式（3-6）说明P的提高使煤中的裂隙增多，弹性模量降低。表3-1 注水煤样的变形特性煤样弹性模量/MPa孔隙率/%大同11#煤晋城 3#煤汾西10#煤阳泉3#煤王庄3#煤E=3 654161PE=2 39571PE=2 368117PE=2 24843PE=3 999210P8.114.107.356.0711.60表3-2为几种煤样的物理力学性质随浸水软化系数变化的试验结果。将试验中不同浸水时间t的煤样含水率与其单轴抗压强度c的关系写成通式为c=c0- （3-7）式中，c0为煤样自然含水率时的单轴抗压强度（MP