磁窑沟矿13102 综放工作面安全高效回采研究

温力川 姚俊彪

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 河曲 036500）

矿井安全高效开采煤炭资源，是在充分识别管控各种有害、危险因素的前提下，优化生产系统与采煤工艺，以少量作业人员通过先进技术设备达到高产的目的。大采高综合机械化放顶煤工作面两顺槽采空区悬顶不易垮落是困扰磁窑沟矿安全高效回采的常见问题之一，工作面推采悬顶不及时垮落，极大地威胁煤矿人员的生命安全。磁窑沟矿在积极建设智能化矿山的同时，借鉴其他矿井先进放煤经验，不断精简强化现场作业人员，同时学习应用水力压裂顶板技术治理悬顶，摸索适合该矿井地质条件下放煤工艺技术。

1 工作面概况

磁窑沟矿为低瓦斯矿井，地质构造简单，水文地质条件中等，自然发火等级Ⅱ级，地层总体产状平缓呈单斜构造，煤层赋存稳定[1]。现开采13 号煤层，资源储量丰富[2]。13102 工作面位于13 号煤层一盘区西南部，煤层底板标高+886～+928 m，煤层倾角2.8°～4.6°，地面标高+1022～+1139 m，埋藏深度110.0～188.2 m，松散层厚度9.9～67.3 m，平均厚度38.6 m，基岩厚度97.3～120.9 m，平均厚度109.1 m，煤层厚度约为9.12～11.67 m，平均厚度为10.40 m，总体南厚北薄。13102 综放工作面顶底板情况如图1。

图1 13102 综放工作面顶底板情况

13102 工作面长度240 m，推采长度1580 m，设计采高4.2 m，放煤高度6.2 m，采放比为1:1.48，设计可采煤量为451.2 万t，采用走向长壁后退式一次采全层大采高综合机械化放顶煤回采工艺进行开采，全部垮落法管理顶板。13102 综放工作面布置如图2。

图2 13102 综放工作面布置

2 初次放顶水力压裂设计

2.1 施工思路

磁窑沟矿13102 工作面推采后采用全部垮落法管理顶板[3]，工作面基本顶以细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩为主，顶板岩层厚度大且整体性强，节理裂隙发育不高，有稳定的自承能力，加之巷道掘进过程中配套支护强度大，初采阶段，13102 工作面推采后采空区悬露顶板无法随工作面推进发生断裂垮落。随采空区悬露顶板面积和高度的不断增大，一次垮落后会造成强烈的初次来压影响，危及现场作业人员人身安全，对支护设备造成破坏，给工作面的顶板和通风管理带来隐患。

综放面初采时，为解决工作面推采后采空区顶板大范围悬露问题，多数矿井会对采空区悬空顶板实施有计划的强制放顶[4]。爆破是最常规的手段，但爆破强制放顶钻孔、装药工程量大，施工危险程度极高，往往一次性引爆的炸药量大，会产生较强震动，对工作面支架造成冲击，对人员安全构成威胁，大量有害有毒气体还会在爆炸瞬间形成，污染井下环境，干扰正规循环回采工序，严重影响综放工作面正常推采进度。同时，实施爆破强制放顶效果受布孔形式、钻孔深度、装药量大小等因素影响，需要现场不断尝试寻找最佳爆破参数才能取得良好效果，这给工作面顶板管控带来难度与隐患。

水力压裂弱化顶板属于主动对顶板进行管控，坚硬顶板可被有效弱化且其完整性被破坏，顶板的强度和整体性被削弱后能够不断分层最后垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小采空区悬空顶板大范围垮落对工作面回采危害的目的，对有效管控矿井综放工作面悬空顶板具有重大意义。

2.2 水力压裂顶板原理

通过在13102 切眼段钻孔，使水流在高压驱动下挤入煤层原有的裂隙内，扩宽伸展原有裂隙，让次生裂隙不断产生。在煤岩层不断被压裂、软化的过程中，顶板的整体性和强度被削弱后能够分层冒落，有效缩短初次、周期来压步距，消除大面积垮落顶板对工作面作业人员及设备的危害。

2.3 水力压裂顶板特点

1）13102 综放工作面采用大采高综合机械化放顶煤工艺回采[5]，推进速度快，水力压裂顶板工艺简单、施工速度快，可利用综采检修时间进行施工作业。

2）水力压裂顶板在削弱顶板强度和整体性的同时，在工作面推进过程中不会对顶板稳定性造成影响，工作面顶板处于可控状态。

3）水力压裂顶板与炸药爆破顶板相比，属于主动超前管控顶板，安全高效，工程量小，现场作业人员劳动强度降低，作业速度大大提高。

4）水力压裂顶板技术对顶板进行致裂过程中，持续性地产生裂隙及扩大裂隙，对顶板的有效垮落起到关键作用。

2.4 设备配置

1）压裂钻孔采用2300LPS 型煤矿钻机，功率45 kW，钻头Φ60 mm，配套Φ50 mm×1500 mm地质钻杆，严格按照13102 切眼段水力预裂设计施工钻孔。

2）封孔采用Φ48 mm 封隔器，高压树脂细管缓慢加压后，使封隔器胶筒膨胀，达到封孔要求。

3）压裂段加压采用HSA9032A-95/60Y 型高压注水泵，功率为90 kW，流量为5.7 m³/h，额定压力为60 MPa。

4）水压监测仪采用KG-337 采集仪，将流量、压力实时变化曲线通过计算机处理计算后得出相应的应力数据。

2.5 水力压裂顶板工艺

水力压裂工艺主要包括顶板钻孔、压裂孔封孔、高压水压裂、保压注水等工序。

2.5.1 顶板钻孔

13102 工作面水压致裂钻孔布置位置分别在进风顺槽、切眼及回风顺槽。13102 工作面水压致裂钻孔布置见表1，13102 工作面水压致裂钻孔布置平面图如图3。

表1 13102 工作面水压致裂钻孔布置

2.5.2 压裂孔封孔

封孔时施工人员通过将橡胶封孔器推至预裂缝处，开泵加压后，具有自平衡结构的封孔器橡胶管发生膨胀，紧紧撑紧孔壁，封孔压力为12～16 MPa，试压时加压到2～5 MPa 检查密封情况，水流在高压作用下使煤岩预裂缝不断起裂并扩展，使顶板分层弱化。

2.5.3 高压水压裂

高压水压裂通过高压胶管、注水钢管、压裂钢管进行煤岩预裂。为使切眼段顶板处于可控状态，初期预裂参数较为保守，单孔预裂7～11 次，每段压裂3 m，孔底1 m 不压裂，自孔底开始每3 m 一段向孔口方向压裂。施工人员依据压力变化情况判断每段预裂时间，通常不低于16 min。25～30 MPa 为单个钻孔最大起裂压力范围，当钻孔压力低于10 MPa或巷道顶板出现涌水加大时，立即停止注水工作。

2.5.4 效果监测

通过在预裂孔的外围布置一些观测孔可以监测水力压裂效果。预裂过程中发现观测孔有水冒出时，施工人员可以初步判断本次压裂的大致范围，压裂后煤岩裂纹的方向可通过窥视仪观测；顶板水压裂高度决定煤岩压裂效果的好坏，水力压裂保压持续时间的长短直接影响软化效果，具体保压注入水量根据现场情况而定。13102 工作面水力压裂弱化顶板工艺流程示意如图4。

图4 13102 工作面水力压裂弱化顶板工艺流程示意

3 正常推采放煤工艺优化

3.1 放煤步距优化

放煤步距作为大采高综合机械化放顶煤采煤工艺[6]放煤效果的重要参数之一，在放顶煤尝试阶段需要重点考虑。13102 综放工作面进入正常回采阶段后，将放煤步距分组调整为0.4 m、0.6 m、0.8 m进行推采。当放煤步距为0.4 m 时，相等推进范围内增加了支架对顶板的升降次数，破碎效果明显，有利于顶煤放出，但采空区破碎顶板矸石容易混入放煤口。由于煤机单循环进刀浅，循环数增加，导致推采进度缓慢。当放煤步距为0.8 m 时，相等推进范围内减少了支架对顶板的升降次数，放出的煤大块比较多，经常出现后溜堵死、后溜头卸料口卡住大块煤矸等现象，采空区侧留有三角煤放不出来，造成大量丢煤[7]。根据13102 综放工作面的设备选型及顶板条件，当放煤步距为0.6 m 时，生产期间能有效地减小块度，并在相等推进范围内保证支架对顶板的升降次数，破碎效果明显，有利于顶煤放出，放煤效果最佳。

3.2 放煤方式优化

综放工作面常用的放煤方法[8]有顺序放煤和间隔放煤两种，顺序放煤又分为单轮顺序放煤和多轮顺序放煤。单轮顺序放煤操作简单，容易掌握，具有较快的放煤速度，适用于顶煤厚度小于8 m，也可使用双放煤口进行放煤，提高放煤能力。多轮顺序放煤时，原始的煤岩分界面能均匀地下降，主要缺点是每个放煤口必须打开多次才能将顶煤放完，每次均匀放出顶煤的1/2 或1/3，操作上难以把握。若每轮放煤不均匀，煤岩分界面下降就不均匀，这样会增加混矸。间隔放煤现场主要为单轮间隔放煤，间隔一架或多台支架，打开一个放煤口，每个放煤口一次放完，增大了放煤间隔，避免了邻架窜矸。

一段浓缩机实质上起到水力分级作用，应该尽可能多地将大于0.045 mm粒级沉淀下来，并保证底流中小于0.045 mm粒级产率小于40%，为沉降过滤式离心脱水机创造必要的工艺条件。该设备的入料、底流、溢流的粒度组成见表2，以此计算出各粒级在底流中的分配率，并绘制出分配曲线(见图2)，该厂的一段浓缩机工艺指标见表3。

13102 综放工作面放顶煤初期[9]，采取的放煤方式为“双轮间隔两口”方式放煤，一刀一放。回采期间发现单轮放煤时间长，煤机需停机等待放煤工全部放完煤后才能开始割下一刀煤，循环时间长，不利于提高工作面单产，对回采产量影响较大。后对放煤工艺进行了调整，采用了“单轮顺序两口”方式放煤，工作面回采效率提高，但是存在邻架窜矸，局部出现丢煤的现象。继续对放煤工艺进行调整，采用“单轮间隔”方式放煤，一刀一放，配备2个放煤工，第一个放煤工滞后移架2个支架放单号，第二个放煤工滞后第一个放煤工4 个支架放双号。为确保正规循环放煤作业及确保顶板可控，放煤时要求做到“见矸关窗”。带班班长或跟班队长为放煤工长，跟后检查、补放。选用单轮间隔方式放煤能够有效地减少邻架窜矸的现象，杜绝了大量矸石混入煤流之中误认为煤已放完的现象发生，同时也能够防止因将煤放干净导致大量矸石放出造成顶板破碎范围超前，出现顶板破碎、漏顶事故的发生。

3.3 放煤支架优化

13102 综放工作面长240 m，共计布置141 台支架，其中运输顺槽侧布置端头支架1 台、机头排头架3 台、机尾排头架4 台、机头机尾过渡架分别布置2 台、中部架129 台。13102 综放工作面顶煤损失分为初采损失、末采损失、上下端头损失和放煤损失。目前工作面机头机尾过渡支架具备了放顶煤功能，过渡架的放煤最大程度地减少了上下端头的放煤损失，而且能够有效地促进两端头的顶板垮落，较少悬顶面积超标的现象。根据该矿顶板岩性情况及顺槽支护情况，在同等条件下的综放工作面，确定对过渡范围进行放煤具有可行性。

4 特殊区域放煤现场管控

4.1 顶板压力小，顶煤难放时管控措施

当上覆盖岩层厚度变小，工作面压力显现不明显时，生产期间顶煤自然垮落不及时，会出现顶煤难放的情况。针对现场实际情况，采取措施[10]如下：

1）改变放煤方式，由单架放煤改为每2 架或3 架同时收后尾梁，并且反复收打尾梁，对顶板造成破坏，使顶煤垮落。

2）缩短放煤步距，将放煤步距由0.6 m 调整为0.4 m，生产期间将支架升到最紧，并通过反复升降支架破坏顶板完整性。

3）增大工作面采高，将工作面采高由4.0 m调高至4.2～4.4 m，通过增大采高调整顶板下沉量，促进顶板垮落。

4.2 工作面过地质构造管控措施

13102 工作面两顺槽共计揭露10 处断层构造，其中回风顺槽距切眼95 m 处揭露2.4 m 正断层，距切眼435 m 处揭露1.3 m 正断层，距切眼497 m 处揭露0.9 m 正断层，距切眼956 m 处揭露1.4 m 正断层，距切眼1009 m 处揭露2.9 m 正断层，距切眼1055 m 处揭露2.5 m 正断层，距切眼1090 m 处揭露1.7 m 正断层；进风顺槽距切眼908 m 处揭露2.0 m 正断层，距切眼1040 m 处揭露2.8 m 正断层。针对顺槽揭露的断层构造，采取措施如下：

2）对两顺槽顶板及两帮的围岩变形情况进行定期观测，做好顶板离层仪和锚杆、锚索压力表数据分析工作。

3）做好马丽散储备工作，根据现场实际情况随时停机准备注马丽散（原则上在检修班注浆）。

4）日常回采期间对顶板破碎区域采取拉超前支架方式控制顶板，适当降低回采高度，采取快速推进方式通过构造区域。

5）做好支架日常维护检修工作，保证工作面支架初撑力达标，支架顶梁接顶严实，护帮板支护到位。

4.3 工作面上窜下移管控措施

13102 综放工作面机头机尾底板高差范围为16～20 m，在正常推采过程中工作面极易发生上窜下移，导致前溜端卸部压住端头架底座、卸料口堵死影响机头转载机推移或支架、前溜电机底座挤帮上墙、安全出口不畅情况发生。针对上述问题，采取措施如下：

1）调整工作面两端头进尺，使用调斜控制法控制前溜窜动方向，根据现场实际情况灵活调整头尾进尺，同时将前溜端卸部卡住端头架底座。

2）采用单向推溜、顶架子等方式进行上窜下移调整，防止发生倒架、挤咬架情况发生。

3）保证两端头10 架范围内底板过渡平缓，尤其是头尾过渡段扫底次数不得少于2 次，根据现场情况增加扫底次数，保证将过渡段底煤扫干净。

4）利用相邻支架侧护板顶前移支架[11]的方式调整支架形态，将支架调正。同时，为防止因拉架距离过长，造成拉后溜大链拉拽支架底座造成支架倾斜，拉架距离不宜过大。

5）生产期间必须观察好上窜下移迹象，每刀测量端卸部到转载机挡煤板的距离，确保在0.7～1.1 m 范围，每刀测量端卸部到副帮的距离，确保在2.7～3.6 m 之间，生产期间需同时满足二者条件。出现支架歪斜时必须及时利用邻架侧护板调整支架形态，防止因支架歪斜造成上窜下移幅度过大影响正常生产。

5 结论

1）综放工作面圈定后，在切眼段施工钻孔进行水力压裂弱化顶板。工作面推采开始后，顶板的强度和整体性被削弱后能够不断分层冒落。经对比，13101 工作面初次来压步距80 m，13102 工作面初次来压步距为56 m。水力压裂弱化顶板缩短了来压步距，消除了采空区大面积悬空顶板对人机的危害，对提升矿井顶板管理水平、提高工作面初采回收率具有重大意义，作为矿井初采顶板管控的一种有效手段值得沿用。

2）综放工作面在确定放煤支架及放煤步距后，放煤方式的选择是决定工作面回采率[12]高低的重要因素。简化放煤操作，方便放煤工实行，注重放煤方式理论设计和现场实践的紧密结合，将理论设计严格贯彻到实践中去，实践结果作为完善理论设计的必要途径。同时需保证割煤和放煤平行作业，减少相互影响，实践中防止出现压溜、断链、射链等事故。

3）综放工作面在推采过程中，随上覆盖岩层厚度的变化、特殊地质构造的出现、机头机尾底板高差的变化，会对采空区顶煤冒落、顺槽顶板管控、机头机尾安全出口的距离产生重要影响，做好提前预判与人员应对措施的实施，能够将不利顶煤回收因素的影响降低到可控程度，为综放工作面的正常回采提供安全保障。