急倾斜厚煤层水平分段注水弱化顶煤综放开采技术

作者:胡国建;常博; 刊名:煤炭科学技术 上传者:吴阳波

【摘要】为了解决急倾斜特厚煤层水平分段综放开采时顶煤破坏不充分,造成煤炭资源回采率低,同时易形成采空区大面积悬顶、残留煤易燃等安全问题,综放工作面顶煤难以放出的回采过程,提出顶煤超前注水弱化技术。通过分析煤体水力致裂弱化机理,设计了顶煤超前注水弱化方案及技术参数,在乌东煤矿北采区B3+6煤层568水平进行顶煤超前注水弱化技术的现场应用,对类似条件下的急倾斜特厚煤层水平分段综放开采具有很好的借鉴意义。

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Technology of water injection for weakening top coal with horizontal section insteeply thick coal seam fully mechanized top-coal caving faceHu Guojian,Chang Bo(Shenhua Xinjiang Energy Company Limited,Urumqi 830027,China)0引言水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层主要开采方式,近年来随着采放比逐步提高,采用此类开采方法的矿井产量明显得到了提高。然而,对于此采放比下的安全高效开采技术及放煤方法,国内外尚无成熟的经验可以借鉴,仍需深入研究[1-3]。在综放开采过程中,一般依靠顶煤自重、矿山压力与支架反复支撑就可以使顶煤及时破碎充分垮落,但对于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,顶煤坚硬且厚度大,不易破碎垮落,从而造成煤炭资源回收率低;同时,顶煤未能够及时垮落,形成较大空间空洞,严重威胁综放工作面的回采过程[4-6]。因此,必须加强提高顶煤冒放性的理论与技术研究。目前,关于顶煤弱化已做了大量的研究[7-15]。但关于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中,地质构造复杂、采放比大、煤层坚硬等问题,采用超前注水弱化顶煤技术应用鲜有报道。笔者通过煤体水力致裂软化机理分析,在乌东煤矿南采区B3+6煤层568水平进行顶煤超前注水弱化顶煤试验,分析顶煤超前注水弱化顶煤在急倾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的应用效果。1工程概况乌鲁木齐东部的乌东煤矿是采用水平分段综放开采的典型矿井之一,其南采区主要开采B3+6煤层,割煤高度为3.5 m,放煤高度为18.5 m,采放比为1∶5.3。该采区所采煤层厚度为44~50 m,平均厚度48.8 m,煤层平均倾角88°,煤质较坚硬,普氏系数为2.5。煤层直接顶为粉砂岩与炭质泥岩,老顶为粉砂岩层,煤层直接底也为粉砂岩。2煤体水力致裂弱化机理分析注水弱化是软化煤体极为重要的手段之一,由于注入时的高动压影响,带有极大动能的水会对其周围的煤体产生水楔作用,促使煤体内的原生裂隙或结构面扩展、破裂,从而使煤岩体的整体性遭到破坏,导致强度降低。注水对煤层软化的影响因素有:煤层的孔隙、裂隙发育状况、煤层的埋深、煤岩体的物理力学性质以及构成煤岩体的化学成分等。注水对煤岩体弱化的作用主要为以下3点:(1)高压水对煤体内部施加了动载,从力学方面降低了煤体强度;(2)浸泡于水中的煤体由于氧化还原反应等化学作用,其强度会降低;(3)高压注水会造成煤岩体内部产生裂缝并逐渐扩展,从细微观上讲,煤岩体内部结构会发生一定程度的改变,使得其力学性能降低。根据莫尔-库仑准则,可以常用来表示煤体破坏,其式为τ=σtanφ+C(1)式中:τ为剪应力;σ为正应力;φ煤体内摩擦角;C煤体黏聚力。当煤体孔隙及裂隙上作用有水压力时,其有效应力为σ'=σ-ap,则此时煤体强度公式表示为τ=σtanφ+(C-aptanφ)(2)式中:a为等效孔隙压力系数,由煤体内部结构面及孔隙发育状况所定,其大小范围为0≤a≤1;p为作用于裂隙上的水压力,MPa。式(2)可以写成τ=σtanφ+Cw(3)式中,Cw为水影响后煤的黏聚力,Cw=C-aptanφ。同时,可知煤体在受水影响下的抗压强度Rw为Rw=Rc-2apsinφ1-sinφ(4)式(4)即水压力作用下的莫尔—库仑强度准则。可以看出,有水压力作用使得煤体的黏聚力减少了aptanφ,抗压强度减少了apsinφ/(1-sinφ)。由图1可

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