復合硬厚煤層頂煤破碎技術在我公司的應用

楊德存

（窯街煤電集團駐天礦安監(jiān)處，甘肅 窯街 730000）

1 3200S1工作面概況

3200S1工作面是為了回收原三號井工業(yè)廣場保護煤柱資源而布置的第一塊工作面，沿煤層傾斜方向布置在2435水平和2240水平之間。埋深90～150m，工作面采用傾斜長壁一次采全高開采，工作面長150m，傾斜長度 712m，傾角 12°～26°，開采面積 112956m2。

該工作面煤層為復合結(jié)構，硬度系數(shù)f＝2～4，煤層堅硬，裂隙不發(fā)育，加之上、中層煤之間“八寸石”（油二層，約1m）的存在，以及工作面煤層埋藏淺，地應力低，頂煤自然冒放性較差，在工作面已經(jīng)開采的32m范圍內(nèi)，頂煤自然垮落高度只有2～3m，平均回收率僅為23%。

工作面進回風巷道均沿中層煤底板布置，采用錨網(wǎng)索支護。工作面將上層煤和中層煤合并開采，煤層平均厚度13.5m，可采煤量114萬t。工作面采用綜采放頂煤工藝，采放比1∶3.8（采高2.8m、放頂煤高度10.7m）。

2 技術原理

采用工作面脈沖水力壓裂破碎技術為主體，深孔爆破為輔的超前頂煤弱化技術，確定綜放工作面注水煤巖軟化關鍵層，以水力壓裂和深孔爆破預裂相結(jié)合的頂煤弱化工藝方式，協(xié)調(diào)綜放工作面的超前支承壓力的破煤作用，從時空控制綜放開采頂煤的塊度和裂隙演化規(guī)律，實現(xiàn)工作面頂煤的及時垮落，隨采隨冒的目的。

將爆破和水力壓裂兩種方式結(jié)合起來，超前于工作面在煤巖體中實施預裂，在預裂軟化煤巖體的基礎上，再實施淺部爆破。該工藝實施的整個過程是注水致裂與軟化效果和爆破致裂作用的疊加，是長期和短期效應的疊加，也是孔隙水壓和爆破應力波及爆生氣體壓力的疊加，這樣可進一步增加裂紋的數(shù)量及密度，加大了爆破的致裂效果。改善頂煤的破碎性，提高頂煤的采出率。

3 超前預裂工藝

根據(jù)天祝煤業(yè)3200S1工作面煤層賦存條件、構造特征，煤巖物理力學性質(zhì)、綜放工藝和開采技術條件等因素。綜合分析，3200S1煤層超前預裂實施方案采取第一步高壓脈沖預裂法，第二步高水壓致裂法，第三步深孔爆破預裂與綜放工藝協(xié)調(diào)時相配套的綜合預裂技術工藝方案。如圖1～3所示。

圖1 前預裂鉆孔布置平面圖

圖2 超前預裂爆破孔布置Ⅰ-Ⅰ剖面圖

圖3 超前預裂壓裂孔布置Ⅰ-Ⅰ剖面立面圖

工藝參數(shù)：鉆孔列表說明見表1-4。

表1 回風巷超前爆破孔參數(shù)表

表2 回風巷超前壓裂孔參數(shù)表

表3 進風巷超前爆破孔參數(shù)表

表4 一階段進風巷超前壓裂孔參數(shù)表

4 預裂爆破、壓裂鉆孔布置參數(shù)

在超前工作面15m的進回風巷分別布置工作點，從進回風巷直接往煤層打預裂爆破、壓裂鉆孔，沿平行工作面方向布置一組鉆孔 （包含一排爆破孔，一排壓裂孔，間距為2.5m）。根據(jù)工程需要與施工條件，爆破孔底排孔與巷道底間距為2.2m，中間孔與巷道底間距為2.5m，頂排孔與巷道底間距為2.8m，爆破孔間距為5m；一排壓裂孔與巷道底間距為2.5m，兩排壓裂孔與巷道底間距分別為2.2m、2.5m。在進回風巷兩邊各預留5m的保護線，沿煤層走向布孔。

鉆孔布置參數(shù)如下：

1)工作面布孔方式：進回風巷雙巷布置；

2）工作面布孔間距：每組鉆孔間距為5.0m；

3）預裂孔長度：預裂爆破鉆孔最長50m，壓裂鉆孔最長130m，鉆孔底部均位于巷道頂部2m之上，煤層頂板1m之下；

4）鉆孔直徑：75mm；

5）鉆孔方位角：進風、回風巷方位角均垂直巷道壁；

6）鉆孔角度：2～53°。

5 超前預裂技術參數(shù)

5.1 高壓脈沖預裂技術參數(shù)

1）預裂方式：根據(jù)工作面煤層賦存條件，通過高壓預裂沖擊波破巖工藝方式，在超前工作面15米，實施預裂；

2）預裂壓力：預裂出口壓力設計壓力為270MPa，可以自行控制；

3）預裂半徑：2.5m；

4）預裂時間：高壓預裂預裂器運行速度2m/min，預裂時間30min；

5）巷道保護煤柱：5m。

5.2 水力壓裂技術參數(shù)

1）預裂方式：根據(jù)工作面煤層賦存條件，通過高壓預裂軟化工藝方式，在超前工作面15m處實施高壓預裂;

2）預裂壓力：預裂壓力控制在8～10MPa;

3）預裂滲透半徑：2.5m;

4）單孔預裂時間：0.5～1h;

5）單孔壓裂時間：不少于預裂時間2/3;

6）單孔預裂量：水平長軸5m，垂直短軸1m;

7）煤巖活性水的比例根據(jù)現(xiàn)場煤層軟化系數(shù)實際而定;

8）預裂量：單孔 0.7m3，累計 1m3;

9）預裂流量：根據(jù)經(jīng)驗，動壓預裂時應為0.7～2.0m3／h;

10）預裂超前工作面開采位置的距離：15m;

11）封孔長度：20m。

5.3 爆破壓裂技術參數(shù)

1）預裂方式：實施完成高壓脈沖預裂和水力壓裂之后，在超前工作面15m處實施爆破預裂；

2）炸藥型號：煤礦許用安全炸藥，Φ50×500mm；

3）裝藥方式：用徑向空氣柱不耦合軸向連續(xù)正向裝藥方式；工作面巷道向上0～2.0m（法線距離）范圍確定為爆破裂隙區(qū)，此范圍鉆孔不允許裝藥爆破；工作面巷道向上2.0～9.7m（法線距離）范圍確定為爆破區(qū)，只允許在此范圍的鉆孔內(nèi)裝藥爆破；

4）裝藥密度：2.4kg/m；

5）封孔長度：不得小于設計封孔長度；

6）爆破方式：采用進風巷、回風巷間隔爆破方式；

7）引爆方式：采用電雷管引爆。

6 實施過程

6.1 水源及實施流程

利用煤礦井下防塵水管路進行供水，經(jīng)過濾水箱過濾后進入注液泵加壓，在泵出水端安裝高壓分路控制系統(tǒng)，分路控制系統(tǒng)壓力和流量變化。

實施流程如下：鉆孔→連接控制系統(tǒng)設備→連接割縫噴頭→開始低壓注液→高壓水定向切槽→連接封孔器→封孔

6.2 輔助設備

1）液壓鉆機。根據(jù)煤層的硬度，施工鉆孔長度、鉆孔角度和現(xiàn)場實際情況選擇ZDY－150型坑道鉆機，其鉆機具扭矩大，鉆孔方向能在0-360度范圍內(nèi)方便地調(diào)整，解體性好、體積小、重量輕，適合作業(yè)環(huán)境復雜的煤礦、巷下工作；

2）預裂設備。XK-RFS-Ⅱ-1型煤巖預裂，其特點為超高壓力、大流量。主要技術參數(shù)，見表5。

表5 預裂泵主要技術參數(shù)

3）水箱。水箱規(guī)格2m×1m×1m，由不銹鋼材料焊接而成。與預裂泵直接相連，內(nèi)有水質(zhì)過濾裝置，可保證水質(zhì)。

4）超高壓軟管。超高壓軟管規(guī)格16×6S-80(內(nèi)徑鋼絲層數(shù)-壓力)，每根長度可根據(jù)需求定做。

5）液壓卷管器。液壓卷管器對預裂深度、速度進行控制，起到給進后撤作用。

6）封孔器。采用FKS-80/15型號系列超高壓煤層注水封孔器，封孔器外徑88mm，封孔長度最大2.2m，承壓40MPa；或者采用煤炭科學研究總院重慶分院生產(chǎn)的KFB型礦用封孔泵，封孔長度8m，封孔距離20m。

7）管路附屬裝置。配套材料包括配套法蘭、閥門、連接膠管及螺栓、膠墊等。

7 勞動組織

由專職隊伍實施，打鉆工作實行三八作業(yè)制，每班4人。注液工作實行四六交叉作業(yè)，每班配備2名操作工。一名兼任工長，負責檢查管路和看泵；一名技術負責，負責觀察記錄，連續(xù)觀察壓力和流量變化，并作詳細記錄，每周匯總一次記錄結(jié)果。并配備專職瓦檢員，負責檢查鉆場及打鉆過程中瓦斯涌出情況，嚴禁瓦斯超限作業(yè)。

1）實際中確保預先軟化范圍能夠超前工作面開采線位置15m以上；

2）加強測量工作，提高測量精度，鉆孔前應由地測人員復測煤層變化情況，準確定位，認真鉆孔，確保鉆孔質(zhì)量。

8 取得的效果及存在問題

8.1 取得的效果

本公司通過實施脈沖水力壓裂破碎技術為主體，深孔爆破為輔的超前頂煤弱化技術，共打設爆破鉆孔598個，壓裂鉆孔123個，實施深孔松動爆破50次，消耗炸藥6000kg，工作面共推進500m，頂煤回收率從以前的23%提高到了85%，頂煤塊度全部降低到40cm×40cm×40cm以下，割煤及放頂煤時粉塵濃度大幅度降低，取得了良好的經(jīng)濟技術效益。

8.2 存在的問題

一是預裂泵工作壓力高，不容易封孔，易跑孔；二是預裂泵工作壓力高，人員工作危險性較大；三是鉆孔施工數(shù)量多，工作量大；四是深孔松動爆破不易控制裝藥量，有時造成回采時頂板破碎，支護難度加大。