放頂煤開(kāi)采技術(shù)

張 毅

山西省晉中市陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 035400

我國(guó)厚煤層儲(chǔ)量占到我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的44%左右。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究、試驗(yàn)厚煤層放頂煤開(kāi)采技術(shù)。目前，厚煤層放頂煤開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)成熟，在我國(guó)得到了迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。我國(guó)放頂煤開(kāi)采技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。

1 放頂煤采煤概述

1.1 放頂煤采煤法基本類型

放頂煤采煤法就是在厚煤層中，沿煤層（或分段）底部布置一個(gè)采高2m～3m的長(zhǎng)壁工作面，用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，利用礦山壓力的作用或輔以人工松動(dòng)方法使支架上方的頂煤破碎成散體后由支架后方（或上方）放出，并予以回收的一種采煤方法。 放頂煤采煤法基本類型包括：1）一次采全厚放頂煤開(kāi)采：一般適用于厚度6m～12m的煤層。其優(yōu)點(diǎn)為掘進(jìn)量小，設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)集中；缺點(diǎn)為煤質(zhì)軟時(shí)，兩巷維護(hù)困難；2）預(yù)采頂分層網(wǎng)下放頂煤開(kāi)采：其優(yōu)點(diǎn)為由于頂層鋪設(shè)金屬網(wǎng)，可以減少放煤的含矸量；缺點(diǎn)為開(kāi)采頂分層后一般礦山壓力減弱，不利于頂煤的破碎，常有大塊煤需要人工預(yù)裂。一般適用于12m以上、直接頂堅(jiān)硬、瓦斯大的煤層；3）傾斜分層放頂煤開(kāi)采：當(dāng)煤層超過(guò)15m～20m以上時(shí)，可將煤層自頂板至底板分成8m～12m的分段，然后自上而下依次進(jìn)行放頂煤開(kāi)采。一般適用于15m以上的緩斜煤層[1]。

1.2 頂煤放出規(guī)律

1）橢球體放礦理論

橢球體放礦理論認(rèn)為：礦石在采場(chǎng)破碎后，原來(lái)所占的空間形狀為一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體，是按近似橢球體形狀向下自然流動(dòng)下來(lái)的，放煤橢球體表面上的顆粒將大體同時(shí)到達(dá)放煤口。

2）松動(dòng)橢球體

松動(dòng)橢球體理論認(rèn)為：放煤時(shí)，放出橢球體周圍的煤巖也將向放煤口移動(dòng)，充填放煤留下的空間，此空間體與放出橢球體相似，稱松動(dòng)橢球體。 松動(dòng)橢球體參數(shù)：松動(dòng)橢球體高度為H，H=（2.2～2.6）h。

3）放出橢球體參數(shù)

h-放頂煤高度，短軸為2b1，設(shè)長(zhǎng)軸2a=h。 生產(chǎn)實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)表明：

2b1=（0.25～0.3）h

b1=（0.25～0.3）h/2

（4）放煤口間距 放煤口間距1大小影響放煤效果；當(dāng)1＞2b1（a）時(shí)，脊背煤損失大；1越大，損失越大；當(dāng)1＜2b1時(shí)，脊煤損失小，煤矸石混雜；支架選取后，1是確定的，要求合理放煤工藝，減少煤損，不增加混矸。

2 放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及頂煤破碎機(jī)理

2.1 巖層活動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)

放頂煤開(kāi)采時(shí)，由于煤層一次采出厚度的增大，直接頂?shù)目迓涓叨瘸杀对黾樱蛇_(dá)煤層采出厚度的2.0～2.5倍，其中1.0～1.2倍范圍內(nèi)的直接頂為不規(guī)則垮落帶，而在上位直接頂中則形成某各臨時(shí)性“小結(jié)構(gòu)”，其活動(dòng)可對(duì)采場(chǎng)造成明顯影響。綜放采場(chǎng)上方仍可形成穩(wěn)定的“砌體梁”式基本頂結(jié)構(gòu)，上位直接頂中可形式“半拱”式小結(jié)構(gòu)，并與其上的“砌體梁”結(jié)構(gòu)相結(jié)合，共同構(gòu)成綜放開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)的基本形式。由于松軟頂煤的參與，綜放支架阻力通常不大于分開(kāi)采的支架阻力。綜放基本頂初次來(lái)壓與分層開(kāi)采相比步距增大，一般可達(dá)50m以上；周期來(lái)壓步距相對(duì)減少，約為其初次來(lái)壓步距的三分之一。

2.2 頂煤破碎機(jī)理

綜放開(kāi)采時(shí)，實(shí)現(xiàn)頂煤的有效破碎和順利放出是放頂煤工作的核心問(wèn)題，而頂煤的有效破碎又是頂煤順利放出的前提，同時(shí)也是支架選型不確定放頂煤工藝的依據(jù)[2]。煤的普氏系數(shù)越小，有利于頂煤的放出；相反，f值越大，放煤效果越不理想。一般認(rèn)為，煤的普氏系數(shù)f〈3的煤層更適合放頂煤開(kāi)采。頂煤的破碎是支承壓力。頂板運(yùn)動(dòng)及支架反復(fù)支撐共同作用的結(jié)果。支架對(duì)頂煤反復(fù)支撐的次數(shù)N與頂梁的長(zhǎng)度L及采煤機(jī)截深B有關(guān)，可表示為：N=。根據(jù)頂煤的變形和破壞發(fā)展規(guī)律，沿工作面推進(jìn)方向前將煤劃分為四個(gè)破壞區(qū)，依次為：完整區(qū)、破壞發(fā)展區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、垮落破碎區(qū)。

3 放頂煤適用條件

煤層厚度以5m～12m為最好，過(guò)大破壞不充分，過(guò)小易超前冒頂；煤質(zhì)中硬，f＜2最好，煤質(zhì)松軟，層理節(jié)理發(fā)育，f=3.1～3.9，層理節(jié)理發(fā)育亦可；煤層傾角不宜太大，太大影響支架的穩(wěn)定性，緩傾斜煤層中一般煤層傾角小于15°，25°～30°煤層中也試驗(yàn)成功；頂煤中的夾矸總厚度不宜大于頂煤厚度的10%～15%，過(guò)厚過(guò)硬的夾矸影響頂煤放落，單層夾矸厚大于0.5m或f＞3要采取措施；頂板巖性最理想的條件是基本頂I、II級(jí)，直接頂有一定厚度，采空區(qū)不懸頂，冒落后松散體基本充滿采空區(qū)；斷層切割塊段，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層厚度變化大，階段煤柱等無(wú)法應(yīng)用分層長(zhǎng)壁采煤法時(shí)，可放頂煤。

4 放頂煤采煤工藝

4.1 放頂煤綜采主要工藝過(guò)程

放頂煤綜采主要工藝過(guò)程為：采煤機(jī)割煤（破煤和裝煤）→（移架）維護(hù)端面穩(wěn)定用前探梁及時(shí)支護(hù)，后移架→推移前部輸送機(jī)（推移時(shí)保證輸送機(jī)彎曲長(zhǎng)度大于15m）→移后輸送機(jī)（把后輸送機(jī)移到規(guī)定位置）→放頂煤（打開(kāi)放煤口放頂煤）。

目前主要采取從工作面向頂煤打眼放炮的方法。若由工作面無(wú)法破碎頂煤或在高瓦斯礦井中，則應(yīng)考慮布置工藝巷進(jìn)行專門的爆破作業(yè)。另外，一些礦井采用高壓注水軟化頂煤，也取得良好的效果。

4.2 初采和末采放煤工藝

1）初采

多數(shù)工作面從開(kāi)切眼處放煤，推出開(kāi)切眼后即做到了及時(shí)放煤。根據(jù)采煤工作面頂板的結(jié)構(gòu)和頂煤的性質(zhì)，為減小初次放頂煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技術(shù)和切頂巷技術(shù)。目前在大多數(shù)綜放工作面，推出開(kāi)切眼后及時(shí)放煤，根據(jù)采煤工作面頂板的結(jié)構(gòu)和頂煤的性質(zhì)，為減小初次放頂煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技術(shù)和切頂巷技術(shù)。

2）末采

一般可提前10m左右停止放頂煤并鋪?lái)斁W(wǎng)，但應(yīng)注意解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是選擇合理的停采線位置，使撤架空間處于穩(wěn)定的頂板條件之下；二是有效地防止后方矸石竄入工作面，即矸石應(yīng)能夠壓住金屬網(wǎng)。如不鋪網(wǎng)，應(yīng)在綜放設(shè)備允許的坡度范圍內(nèi)加大爬坡度，減少放煤量，在到停采線時(shí)，使支架基本貼近頂板，將易燃的碎煤變?yōu)榈装迳系膶?shí)體煤。

4.3 放煤步距

放煤步距：是指沿工作面推進(jìn)方向前后兩次放煤的間距。放煤過(guò)程中不能保證既不混矸又不丟煤，只是控制采出率和混矸率在一定范圍內(nèi)。 放煤步距L=n×移架步距B，經(jīng)驗(yàn) ：L=（0.15～0.21）h。

4.4 放煤方式

放煤可分為連續(xù)放煤和不連續(xù)放煤兩種，其中低位放頂煤支架為連續(xù)放煤，中、高位放頂煤支架為不連續(xù)放煤。放煤方式按放煤輪次不同，可分為單輪放煤和多輪放煤。單輪放煤：打開(kāi)放煤口，一次將能放出的頂煤全部放完；多輪放煤：每架支架的放煤口需打開(kāi)若干次才能將頂煤放完的稱。放煤方式按放煤順序不同，可分為順序放煤和間隔放煤。順序放煤是指按支架排列順序（1、2、3、…）依次打開(kāi)放煤口的方式；間隔放煤是指按支架排列順序每隔1架或幾架（如1、3、5、…或1、4、7、…）依次打開(kāi)放煤口。無(wú)論是順序放煤還是間隔放煤都可以采用單輪或多輪放煤。

4.5 端頭放煤

隨著工作面輸送機(jī)和支架的不斷改進(jìn)，使端頭設(shè)備布置也不斷更新。目前解決端頭放煤的途徑主要有以下3種：加大巷道斷面尺寸，機(jī)頭機(jī)尾置于巷道中，取消過(guò)渡支架；使用短機(jī)頭和短機(jī)尾工作面輸送機(jī)或側(cè)卸式工作面輸送機(jī)；采用帶有高位放煤口的端頭支架，實(shí)現(xiàn)端頭及兩巷放頂煤。

[1]魯建成.綜采放頂煤采煤法[J].煤炭技術(shù)，2008(10)：61-63.

[2]張居仁，魏國(guó)山，陳海江.淺談綜采放頂煤工作面回采工藝及提高回采率的措施[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊)，2010(7)：206-207.