平均煤厚12.5米、普氏硬度系数达3.6的特厚坚硬煤层时常“发威”——不是顶煤难垮落，就是垮落块度过大，直接导致顶煤采出率不高、采场顶板难以控制……日前，这些困扰官板乌素煤矿多年的放顶煤开采难题终被攻克。
“采区预留的安全煤柱由原来设计的33米减至11米。”该矿董事长周晓路欣喜于创新为企业带来的变化，仅2个工作面就多回收60万吨煤炭资源，增加收入4亿元。
确定沿空掘巷位置及煤柱宽度
官板乌素煤矿是冀中能源张矿集团投资收购地方民营企业、实施股份重组后成立的国有控股企业。经过10余年的持续生产，矿井煤炭赋存量日渐萎缩，难以支撑企业后续发展。
怎么办？一方面，他们眼界向外，积极申请资源扩界；另一方面，刀刃向内，瞄准现有开采地区深挖内潜，调整和优化生产组织方式。
令他们头疼的是，6号特厚坚硬煤层带来的综放作业面顶煤难垮落、垮落块度大、顶煤采出率低、采场顶板难以控制等问题。
周晓路说，官板乌素煤矿井田面积不足3.5平方公里，生产地区布置于井田深部6号煤层。井田地质条件多变，煤层倾角扰曲部位超过15度，煤层开采厚度大，且覆岩运移破断范围广、不同层位的顶板破碎特征及矿压作用机制差异较大，造成大空间覆岩应力分布及采场矿压显现复杂。
“采用以往回采工艺、人员组织、预留大区段安全煤柱的方法，对于平均厚度为12.5米的特厚煤层来说，煤炭采出率、矿井综合效益都不太理想。”周晓路说。
从2019年开始，该矿与科研院校合作，针对611综放工作面6号煤层综合机械化放顶煤开采，展开了项目攻关。
从特厚煤层综放工作面实体煤侧覆岩运动规律入手，该矿总工程师朱贵祯掌握了特厚煤层综放工作面支承压力演化规律、工作面稳定后采空区侧向支承压力分布等第一手资料，模拟出工作面采空区稳定后的数值，确定了沿空掘巷位置及煤柱留设量。
“为最大限度地减小煤柱损失，我们沿破碎区将掘巷位置布置在围岩完整程度较好、远离侧向支承应力集中的塑性区。”朱贵祯说，从煤柱内应力场分布规律、采空区防火、煤炭资源回收率等方面考虑，煤柱合理宽度应维持在11米左右，“虽然33米大煤柱的承载力更强，但11米窄煤柱仍具有相当承载力，能保持巷道围岩稳定。”
据测算，与之前2个工作面区段间留设的33米煤柱相比，优化后707米长的工作面煤柱回采率提升至88%。
运用大直径钻孔顶煤预裂技术
指挥移架、推溜，熟练操作采煤机往复作业……在井下工作了20余年，综采区班长张春林习惯了各种地质条件下的煤层开采工作。但对于12.5米的特厚坚硬煤层，放顶煤不易垮落、顶板难管理经常令他力不从心。
张春林表示，综放工作面放顶煤开采可使采煤机可采高度和顶部的煤炭同时采出。“顶煤主要在矿压作用下发生变形后破坏性垮落。因此，放顶煤回采关键是顶煤的破碎、垮落和放煤工艺。”张春林说。
煤层强度直接影响顶煤冒放性。综采区技术员张明家对此了如指掌：“软煤最容易冒落，可放性好；中硬煤次之；硬煤的冒放性最差。”
据了解，官板乌素煤矿6号煤层煤体属硬煤层，煤层强度对顶煤冒放性影响明显。现场支架后部常有悬顶的顶煤，且冒落块度较大。
“611特厚煤层综放回采工作面机采高度3.5米，放顶煤最大厚度10米、平均厚度9米，采放比为1∶2.6，顶煤厚度较大。中部顶煤很难得到充分松动，导致顶煤难以冒落。”张明家说。这不仅造成了资源浪费，还会引发采空区遗煤自然发火。
“顶煤高效回收，取决于顶煤破碎机理和散体顶煤流动规律2个关键因素。”朱贵祯深谙降低顶煤强度的各类手段，却止步于深孔爆破、超前注水软化等传统方法给工作面带来的危险和隐患。
直到大直径钻孔顶煤预裂技术的出现，他们从根本上找到了既弱化特厚坚硬顶煤，又安全高效的方法。“向顶煤中施工大直径钻孔，对坚硬顶煤实施预裂。”朱贵祯说。此工艺简单，受煤层条件影响小，有利于工作面连续生产，可节约大量生产和技术成本。
在接下来的实验中，张明家发现，随着大直径钻孔在煤体中的开挖，煤体的应力场平衡状态被打破，在重新分布的应力作用下发生弹塑性变形，并从孔壁向煤体深部发展，由孔壁向煤体深处依次形成了破裂区、塑性区和弹性区3个区域。
“增大钻孔直径，塑性区便会扩大。”实验中，张明家逐步扩大了钻孔直径。在减少钻孔巷道围岩变形量、综合考虑技术因素和经济因素的情况下，他最终将钻孔直径尺寸确定为150毫米。
优化工作面回采工艺设计
在实施大直径钻孔工艺后，特厚坚硬顶煤逐步弱化，破碎为具有冒放性的流动散体煤。“散体煤的高效回收，仍然受制于放煤方式、放煤步距等因素。”朱贵祯接下来的任务，是结合放煤工艺，采取合理有效的放煤步距，提高顶煤放出量、减少放煤损失。
在611工作面3.5米采高条件下，朱贵祯和技术人员分别实验了不同放煤步距、放煤方式对顶煤放出规律的影响。他们进而得出结论：煤矸混杂区形成时间和空间形态、顶板冒落形式和块度、支架选型和放煤步距等是造成放煤损失的主要因素。
在确定放煤步距方面，他们分别实验了0.6米、1.2米、1.8米和连续单轮多轮、间隔单轮多轮放煤工艺，分别模拟煤矸流场动态变化的过程，分析顶煤损失特征、采出率和含矸率。
朱贵祯发现，当放煤步距为0.6米时，顶煤放出量呈“少—多—少”循环形式，放煤口放出的矸石以“采空区矸石—顶部矸石—采空区矸石”循环形式出现，顶煤回收率达76.13%，含矸率6.76%；当放煤步距为1.2米时，采空区内矸石和顶板矸石同时冒落至放煤口。相比0.6米放煤步距，顶煤损失较小，总体回收率达到79.88%，含矸率5.75%；而放煤步距增大至1.8米时，采空区附近矸石留置于采空区内，顶煤损失加大，顶煤回收率仅为74.57%，含矸率6.74%。
“放煤步距为1.2米时，顶煤回收率较高，含矸率最低。”朱贵祯说。
在优化放煤工艺方面，张明家先后对特厚煤层顶煤在“两放一采”工艺条件下的单轮顺序、双轮顺序和三轮顺序工艺的顶煤损失规律进行了实验。
“单轮顺序放煤原煤回收率为74%至78%，双轮间隔原煤回收率79%至82%。”张明家说。三轮间隔放煤的顶煤损失最少，回收率能达到82%至84%。
“随着放煤轮次的增加，顶煤回收率依次增高，同时也伴随着工艺复杂程度的提升。工作面放煤方式的选择，还要考虑两者间的平衡。”周晓路说。间隔多轮放煤是611工作面较为合适的高效放煤方式，“采用‘两放一采’、三轮放煤工艺，顶煤回收率达到82.27%，较以往提升近45%。 （中国煤炭报）
