平均煤厚12.5米、普氏硬度系數達3.6的特厚堅硬煤層時常“發威”——不是頂煤難垮落，就是垮落塊度過大，直接導致頂煤采出率不高、采場頂板難以控制……日前，這些困擾官板烏素煤礦多年的放頂煤開采難題終被攻克。

“采區預留的安全煤柱由原來設計的33米減至11米。”該礦董事長周曉路欣喜于創新為企業帶來的變化，僅2個工作面就多回收60萬噸煤炭資源，增加收入4億元。

確定沿空掘巷位置及煤柱寬度

官板烏素煤礦是冀中能源張礦集團投資收購地方民營企業、實施股份重組后成立的國有控股企業。經過10余年的持續生產，礦井煤炭賦存量日漸萎縮，難以支撐企業后續發展。

怎么辦?一方面，他們眼界向外，積極申請資源擴界;另一方面，刀刃向內，瞄準現有開采地區深挖內潛，調整和優化生產組織方式。

令他們頭疼的是，6號特厚堅硬煤層帶來的綜放作業面頂煤難垮落、垮落塊度大、頂煤采出率低、采場頂板難以控制等問題。

周曉路說，官板烏素煤礦井田面積不足3.5平方公里，生產地區布置于井田深部6號煤層。井田地質條件多變，煤層傾角擾曲部位超過15度，煤層開采厚度大，且覆巖運移破斷范圍廣、不同層位的頂板破碎特征及礦壓作用機制差異較大，造成大空間覆巖應力分布及采場礦壓顯現復雜。

“采用以往回采工藝、人員組織、預留大區段安全煤柱的方法，對于平均厚度為12.5米的特厚煤層來說，煤炭采出率、礦井綜合效益都不太理想。”周曉路說。

從2019年開始，該礦與科研院校合作，針對611綜放工作面6號煤層綜合機械化放頂煤開采，展開了項目攻關。

從特厚煤層綜放工作面實體煤側覆巖運動規律入手，該礦總工程師朱貴禎掌握了特厚煤層綜放工作面支承壓力演化規律、工作面穩定后采空區側向支承壓力分布等第一手資料，模擬出工作面采空區穩定后的數值，確定了沿空掘巷位置及煤柱留設量。

“為最大限度地減小煤柱損失，我們沿破碎區將掘巷位置布置在圍巖完整程度較好、遠離側向支承應力集中的塑性區。”朱貴禎說，從煤柱內應力場分布規律、采空區防火、煤炭資源回收率等方面考慮，煤柱合理寬度應維持在11米左右，“雖然33米大煤柱的承載力更強，但11米窄煤柱仍具有相當承載力，能保持巷道圍巖穩定。”

據測算，與之前2個工作面區段間留設的33米煤柱相比，優化后707米長的工作面煤柱回采率提升至88%。

運用大直徑鉆孔頂煤預裂技術

指揮移架、推溜，熟練操作采煤機往復作業……在井下工作了20余年，綜采區班長張春林習慣了各種地質條件下的煤層開采工作。但對于12.5米的特厚堅硬煤層，放頂煤不易垮落、頂板難管理經常令他力不從心。

張春林表示，綜放工作面放頂煤開采可使采煤機可采高度和頂部的煤炭同時采出。“頂煤主要在礦壓作用下發生變形后破壞性垮落。因此，放頂煤回采關鍵是頂煤的破碎、垮落和放煤工藝。”張春林說。

煤層強度直接影響頂煤冒放性。綜采區技術員張明家對此了如指掌：“軟煤最容易冒落，可放性好;中硬煤次之;硬煤的冒放性最差。”

據了解，官板烏素煤礦6號煤層煤體屬硬煤層，煤層強度對頂煤冒放性影響明顯。現場支架后部常有懸頂的頂煤，且冒落塊度較大。

“611特厚煤層綜放回采工作面機采高度3.5米，放頂煤最大厚度10米、平均厚度9米，采放比為1∶2.6，頂煤厚度較大。中部頂煤很難得到充分松動，導致頂煤難以冒落。”張明家說。這不僅造成了資源浪費，還會引發采空區遺煤自然發火。

“頂煤高效回收，取決于頂煤破碎機理和散體頂煤流動規律2個關鍵因素。”朱貴禎深諳降低頂煤強度的各類手段，卻止步于深孔爆破、超前注水軟化等傳統方法給工作面帶來的危險和隱患。

直到大直徑鉆孔頂煤預裂技術的出現，他們從根本上找到了既弱化特厚堅硬頂煤，又安全高效的方法。“向頂煤中施工大直徑鉆孔，對堅硬頂煤實施預裂。”朱貴禎說。此工藝簡單，受煤層條件影響小，有利于工作面連續生產，可節約大量生產和技術成本。

在接下來的實驗中，張明家發現，隨著大直徑鉆孔在煤體中的開挖，煤體的應力場平衡狀態被打破，在重新分布的應力作用下發生彈塑性變形，并從孔壁向煤體深部發展，由孔壁向煤體深處依次形成了破裂區、塑性區和彈性區3個區域。

“增大鉆孔直徑，塑性區便會擴大。”實驗中，張明家逐步擴大了鉆孔直徑。在減少鉆孔巷道圍巖變形量、綜合考慮技術因素和經濟因素的情況下，他最終將鉆孔直徑尺寸確定為150毫米。

優化工作面回采工藝設計

在實施大直徑鉆孔工藝后，特厚堅硬頂煤逐步弱化，破碎為具有冒放性的流動散體煤。“散體煤的高效回收，仍然受制于放煤方式、放煤步距等因素。”朱貴禎接下來的任務，是結合放煤工藝，采取合理有效的放煤步距，提高頂煤放出量、減少放煤損失。

在611工作面3.5米采高條件下，朱貴禎和技術人員分別實驗了不同放煤步距、放煤方式對頂煤放出規律的影響。他們進而得出結論：煤矸混雜區形成時間和空間形態、頂板冒落形式和塊度、支架選型和放煤步距等是造成放煤損失的主要因素。

在確定放煤步距方面，他們分別實驗了0.6米、1.2米、1.8米和連續單輪多輪、間隔單輪多輪放煤工藝，分別模擬煤矸流場動態變化的過程，分析頂煤損失特征、采出率和含矸率。

朱貴禎發現，當放煤步距為0.6米時，頂煤放出量呈“少—多—少”循環形式，放煤口放出的矸石以“采空區矸石—頂部矸石—采空區矸石”循環形式出現，頂煤回收率達76.13%，含矸率6.76%;當放煤步距為1.2米時，采空區內矸石和頂板矸石同時冒落至放煤口。相比0.6米放煤步距，頂煤損失較小，總體回收率達到79.88%，含矸率5.75%;而放煤步距增大至1.8米時，采空區附近矸石留置于采空區內，頂煤損失加大，頂煤回收率僅為74.57%，含矸率6.74%。

“放煤步距為1.2米時，頂煤回收率較高，含矸率最低。”朱貴禎說。

在優化放煤工藝方面，張明家先后對特厚煤層頂煤在“兩放一采”工藝條件下的單輪順序、雙輪順序和三輪順序工藝的頂煤損失規律進行了實驗。

“單輪順序放煤原煤回收率為74%至78%，雙輪間隔原煤回收率79%至82%。”張明家說。三輪間隔放煤的頂煤損失最少，回收率能達到82%至84%。

“隨著放煤輪次的增加，頂煤回收率依次增高，同時也伴隨著工藝復雜程度的提升。工作面放煤方式的選擇，還要考慮兩者間的平衡。”周曉路說。間隔多輪放煤是611工作面較為合適的高效放煤方式，“采用‘兩放一采’、三輪放煤工藝，頂煤回收率達到82.27%，較以往提升近45%。”