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复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究3200S1俯采综放面顶煤预裂项目实施方案西安科技大学窑街煤电集团天祝煤业有限责任公司二0一六年三月复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究2目录1.项目背景...............................................................................................12.试验目的、原理...................................................................................12.1研究目的........................................................................................12.2技术原理........................................................................................22.3试验条件........................................................................................23.超前预裂技术与工艺...........................................................................33.1超前预裂技术方案........................................................................33.1.1试验区水压预裂工艺..........................................................53.1.2试验区辅助爆破工艺..........................................................63.1.3一阶段水压预裂工艺..........................................................73.1.4一阶段辅助爆破工艺..........................................................83.1.5一阶段三角区水压预裂工艺..............................................93.1.6一阶段三角区辅助爆破工艺............................................113.1.7二阶段水压预裂工艺........................................................133.1.8二阶段辅助爆破工艺........................................................143.1.9总体超前预裂工艺.............................................................163.1.10超前预裂钻孔布置参数...................................................193.2超前预裂技术参数.....................................................................203.2.1高压脉冲预裂技术参数....................................................203.2.2水力压裂技术参数............................................................203.2.3辅助爆破工艺参数............................................................20复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究34.实施过程.............................................................................................214.1水源及实施流程.........................................................................214.2注液及加载系统.........................................................................224.3设备结构及辅助设备..................................................................224.3.1设备结构............................................................................224.3.2辅助设备............................................................................235.劳动实施组织.....................................................................................245.1劳动组织.....................................................................................245.2实施组织.....................................................................................256.效果控制、监测及反馈.....................................................................266.1效果控制.....................................................................................266.2效果监测与反馈.........................................................................267.预期效果.............................................................................................29复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究11.项目背景针对窑街煤电集团公司天祝煤业3200S1工作面在综放开采的条件：（1）瓦斯高、煤层硬度系数大于3；（2）煤层为复合结构，其中中煤与上煤之间夹有“八寸石”（油二层）约1m，复合煤层平均厚度约13.5米；（3）煤层起伏，倾角变化12~26°；（4）工作面煤层埋藏浅（距离地表距离约90~150m），地应力低，顶煤自然冒放性较差；（5）采高2.8米、放顶煤高度10.7米；（6）顶煤硬度大，采动破坏块度大，影响顶煤及时跨落，制约工作面顶煤采出率的提高。为此，结合3200S1工作面开采所面临的顶煤破碎困难，采出率仅40%的难题，在第一阶段《前期方案》实施取得成效的基础上，总结研究天祝煤业复合硬厚煤层俯斜综放开采第二阶段方案。建议采用超前水力压裂方法为主体，改善长壁工作面硬厚煤层破碎性的系统工艺与设计；进一步结合复合硬厚煤层俯斜综放开采过程中的煤岩运动特点，实施与工作面矿压破碎煤体规律相协调的煤层破碎弱化技术，开展综放开采与顶煤跨冒放出时空配套的综合弱化工程。研究解决复合硬厚煤层俯斜综放开采煤层破碎及可放性专用新技术与新工艺，实现硬厚煤层俯斜安全高效开采的创新技术模式，科学地解决天祝煤矿复杂难采煤层综放开采中顶煤破碎及可放性差问题，为建立窑街煤电集团顶煤清洁高效开采技术创新体系提供支撑。2.试验目的、原理2.1研究目的结合3200S1工作面开采所面临的难题，分析研究天祝煤业复合硬厚煤层俯斜综放开采，提高长壁工作面硬厚煤层破碎性及可放性的系统工艺与技术问题；与工作面矿压破碎煤体相协调，开展综放开采与顶煤跨冒放出时空配套的综合弱化工程，解决天祝煤业综放开采中顶煤采出率的问题，为构建窑街煤电集团公司煤层清洁高效开采技术体系提供支撑。复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究22.2技术原理采用工作面脉冲水力压裂破碎技术为主体，深孔爆破为辅的综合超前顶煤弱化技术，确定综放工作面注水煤岩软化关键层，以水力压裂为主，深孔爆破预裂为辅的综合顶煤弱化工艺方式，协调综放工作面的超前支承压力的破煤作用，从时空控制综放开采顶煤的块度和裂隙演化规律，实现工作面顶煤的及时垮落，随采随冒的目的。将爆破和水力压裂两种方式结合起来，超前于工作面在煤岩体中实施预裂，在预裂软化煤岩体的基础上，再实施深孔爆破。该工艺实施的整个过程是注水致裂与软化效果和爆破致裂作用的叠加，是长期和短期效应的叠加，也是孔隙水压和爆破应力波及爆生气体压力的叠加，这样可进一步增加裂纹的数量及密度，加大了爆破的致裂效果。改善顶煤的破碎性，提高顶煤的采出率。2.3试验条件3200S1工作面是为了回收原三号井工业广场保护煤柱资源而布置的第一块工作面，沿煤层倾斜方向布置在2435水平和2240水平之间。埋深90-150m，工作面走向长度150m，倾斜长度712m，倾角12°～26°，开采面积112956m2。该工作面煤层硬度系数f＝1～3，煤层坚硬，裂隙不发育，加之上、中层煤之间“八寸石”（油二层）的存在，以及工作面煤层埋藏浅，地应力低，顶煤自然冒放性较差，在工作面已经开采的32m范围内，顶煤自然垮落高度只有2～3米，平均回收率仅为23%。工作面井回风巷道均沿中层煤底板布置，采用锚网索支护。工作面将上层煤和中层煤合并开采，煤层平均厚度13.5m，可采煤量114万吨。工作面采用综采放顶煤工艺，采放比1：3.8（采高2.8m、放顶煤高度10.7m）。可见，天祝煤业3200S1工作面煤层为硬厚复合煤层，结构完整，硬度较大，因而易成大块度破断跨落，不易破碎，降低了顶煤的采收率，同时，开采区埋深较浅，矿压不明显，增加顶煤冒放的难度。同时，煤层坚硬，厚度大，抗压、抗拉强度高，剪切强度大，显示顶煤不易破坏，断裂铰接面不易滑落的破断特点。复合硬厚煤层俯采顶煤破碎及可放性研究33.超前预裂技术与工艺超前预裂技术，是近几年国内外逐渐发展起来的一种新的采煤破碎技术，属于煤层大规模破碎结构改造的整体性方法。由于煤层赋存条件和开采条件的差异，目前，国内外解决煤层开采的预裂方法有以下三种：炸药超前预裂爆破技术、气体预裂破碎技术、煤岩体注水软化技术。根据3200S1工作面硬厚煤层埋藏浅的煤层赋存特点、煤岩特征，放煤工艺、顶板致灾规律等开采技术因素，总结工作面采取超前深孔预裂爆破及注水方案未达到预期效果的经验，结合顶煤破碎、煤体块度控制的要求及工期紧等现场实际情况，相应的超前预裂方法可以选择：①首先采用高压脉冲预裂法，对煤层进行预裂裂隙改造。②高水压致裂裂化法，对煤体进行裂隙网络改造。③对实施区与两巷保护煤柱区间采用深孔爆破预裂，解决水压预裂残留区顶煤弱化问题。3.1超前预裂技术方案根据3200S1工作面地质条件和开采条件，将煤层沿走向分为两个阶段进行超前预裂控制顶煤的块度，提高顶煤回采率。拟采用在3200S1工作面沿进、回风巷双侧布置以水力压裂为主，爆破为辅的综合预裂方案。一阶段实施超前预裂范围为两点（X84