厚煤層綜采放頂煤采煤技術研究

李文彥，楊立海，尹 彬

(1.霍州煤電集團什林煤業有限責任公司，山西 霍州 031499;2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

放頂煤采煤法，就是在厚煤層中，沿底分層進行采煤，支架移出后，由于礦山壓力的作用使上部頂煤和頂板冒落，通過液壓支架上的“天窗”將松散頂煤回收。該方法始于20世紀40年代，我國從20世紀80年代初開始研制厚煤層放頂煤的綜采設備，由于這種采煤法具有掘進率低、適應性強、易于實現高產等特點，該技術在我國得到了迅速發展，現如今我國是世界上采用放頂煤采煤法最多的國家之一，在放頂煤綜采設備的制造、回采工藝、提高煤的回收率和降低含矸率、以及防止自燃發火措施等方面都積累了較豐富的經驗［1］。

1 頂煤放出規律

根據放礦理論，礦石從采場內是按近似橢圓球體形狀留出來的，即原來所占的空間為一個旋轉橢球體，如圖1所示。在放礦過程中形成的橢球體稱為放出橢球體1，停止擴展而最終形成的橢球體稱為松動橢球體3，放礦后形成放出漏斗2和移動漏斗4。如果放頂煤高度為h，則放出橢球體1長軸為2a，近似于h，短軸為2b1。高度為h的水平煤巖分界面將下降為一漏斗面2，由于下降時煤巖的滾動，漏斗面實際上是由一定厚度的混矸層組成，最大直徑近似于4b1。生產實踐表明，放出橢球體短軸與長軸的關系式如下:

圖1 放礦橢球體概念示意圖

從放礦理論上講，放出橢球體表面上的顆粒將大體上同時到達放煤口［2］。放煤的同時，放出橢球體周圍的煤巖也將向放煤口移動，充填放煤留下的空間，且與放出橢球體相似，為一松動橢球體，其高度H為:

由于工作面支架上的放頂煤口互相臨近，放煤時放煤口間距l直接影響放煤效果。當l＞2b1時，當第二個放煤口放煤時，不會因已放過第一放煤口而發生混矸現象，但放煤口之間有脊背煤損，l越大，脊背煤損越大;當l＜2b1時，如放煤高度仍為h，必將有一部分矸石混入放出的煤中，但脊背煤損明顯降低。因此，在一定放煤高度條件下，合理確定放煤口間距是十分重要的。

值得注意的是頂板冒落的性能，當直接頂較穩定不隨放頂煤而運動時，放出體的頂部將出現缺球現象。但若直接頂在頂煤放空后冒落時，將給支架帶來沖擊載荷，因而直接頂的穩定性是重要的。

2 放頂煤采煤工藝及綜采設備

1)采煤工藝簡述。采煤機割煤分段進行，一般每15 m為一段，先割上刀，然后移架放頂煤，再割下刀繼續放頂煤，移前部輸送機，一直把頂煤放完。再進行第二階段的割煤和放頂煤工作，直到采完全部工作面為止［3］。頂煤較硬，可以上下刀一齊割煤，然后再移架放頂煤，推移輸送機并繼續放頂煤，直到放完為止，再采下段煤。放頂煤過程一般分兩個階段，第一階段是通過移架使頂煤垮落、破碎，不破碎的可以打眼放炮，但費工費時。一般要求頂煤強度不大，普氏系數不大于1，這樣才能保證移架后，頂煤垮落自動破碎。第二階段是放煤，即把已破碎頂煤最大限度的回收出來。

2)液壓支架。從放頂煤方式看主要有兩種:一種是底開門插板式，如FY280－14/28型;掩護梁開窗式，如FYS300－19/28型。從放頂煤效果看底開門插板式較好，因為它降低了放煤高度，底煤回收率比開天窗式的高，同時后面掩護梁可上下擺動能增加放頂煤效果，也可壓碎大塊煤，使放煤窗口不易被堵。

從工作面輸送看，有單輸送機和雙輸送機兩種。單輸送機液壓支架雖然節省了一臺輸送機，同時放煤速度快，但主要缺點是，放煤時煤塊四濺，煤塵大，工作面被阻斷，很不安全;由于頂煤窗口高，頂煤回收率低;結構復雜，造價高。這種支架在緩傾斜厚煤層中使用缺點較大，然而在厚煤層傾斜工作面俯斜推進時，由于用兩臺刮板輸送機比較困難，這種支架還是有一定價值的［4］。

3)采煤機和刮板輸送機。在緩傾斜長壁工作面，放頂煤用的刮板輸送機和采煤機與普通綜采工作面所用相似。底層煤采高一般在2.5～2.8 m，而且采比較松軟的煤層(f=1.5)常用的MLS3－170型和MLS3P－170型采煤機及其配套的SGW－250Ⅱ型和SGD－630/180PB型刮板式送機都能適用。

在急傾斜厚煤層中用水平分層放頂煤采煤法時，因工作面長度短，用7 m長機身的采煤機，需要斜切進刀，這是很困難的。采用MS950－400型短壁采煤機及配套的2×18/400型刮板輸送機。這種采煤機只有3 m，功率小、重量輕、結構緊湊，能自開缺口，操作維修也較方便。

3 放頂煤采煤的巷道布置

1)緩傾斜特厚煤層巷道布置。在底板開掘巖石集中巷，一方面可以集中運輸，另一方面可作為灌漿巷。如果煤層自燃發火不嚴重，煤質較硬，可把區段平巷布置在靠底板的煤層內。

2)急傾斜水平分層放頂煤巷道布置。在急傾斜水平分層采煤中采用放頂煤，首先將原煤層分成若干分段，根據放頂煤經驗，分段高度為6～15 m，除在每分段底部煤層中布置分層回風巷和封層運輸巷外，如果煤自燃發火嚴重，在每段煤層底板巖石中布置分層灌漿巷，以便回采后及時通過鉆孔向采空區灌漿。為了運送綜采設備，在底板巖石中開掘一條偽傾斜軌道上山，通往各分段巷道。

急傾斜特厚煤層放頂煤采煤，各分段高度h，以頂煤能全部垮落為依據。這樣:

式中:h1—煤層高度，m，一般為2.8;

ks—煤的一次松散系數，其值為1.15 ～1.3。

十七大報告中，對第二次飛躍的理論成果做了新的表述，從理論與實踐相對應的視點，將作為對中國特色社會主義道路實踐經驗總結的理論，統稱為“中國特色社會主義理論體系”。指出：“中國特色社會主義理論體系，就是包括鄧小平理論、‘三個代表’重要思想以及科學發展觀等重大戰略思想在內的科學理論體系。”[11]P11這是對當代中國共產黨人馬克思主義中國化理論成果的最新概括。中國特色社會主義理論體系，是中國化馬克思主義創新理論的科學體系。

對于緩傾斜特厚煤層，厚度h自然生成，這時可用上式反過來求底分層采高h1，則:

當厚煤層h大于12～15 m時，h1最大取3 m，h1太高，煤層容易片幫，煤堅硬時h1可取大點。H大于20 m時，就要采用分層開采。

對自燃發火煤層，放頂煤采煤法的采區走向長度L，主要根據自燃發火期決定，就是通過采取措施后，在煤層仍能自燃發火的期限內把整個區段采完。對急傾斜特厚煤層，采區走向長度L為:

式中:A月—工作面月產量，t;

T火—煤的自燃發火期，月;

α—煤層傾角，(o);

m—煤層厚度，m;

h—分段高度，m;

c—分段回采率，一般為0.8。

對緩傾斜煤層，采區走向長度為:

式中:l—工作面長度，m。

4 放頂煤開采的安全措施

放頂煤采煤法雖然有明顯的經濟效益，但由于放頂煤是利用礦山壓力破煤造成了大量的破碎煤體存在，因此，可以說放頂煤開采的主要安全問題是煤層的自燃發火。我國特厚煤層一般都具有自燃發火的危險，所以在推廣放頂煤開采時亦應著重研究自燃發火災害的防治措施。根據以往的經驗，防止地下自燃發火要從地面、井下以及工作面等方面開展工作，并要以預防為主［5］。

1)地面防滅火措施。一是用黃土、矸石等回填塌陷區，斷絕地下采空區與地面地空氣聯系，使采空區不漏風，達到滅火的目的;二是打鉆孔向采空區進行黃泥灌漿或灌入CO2氣體，達到滅火和防止自燃發火的目的。

2)回采中的防滅火措施。一是向采空區灌漿，主要是灌黃泥漿;二是向支架后面采空區噴灑阻化劑，目前使用較多的是MgCl2及CaCl2，取得了較好的效果;三是在工作面前方巷道中，向煤層打眼，用泵向煤層注水或注阻化劑溶液;四是均壓滅火，調整風流負壓，防止向采空區漏風。

3)采后滅火措施。主要是采后密閉采空區，并向采空區灌黃泥漿或阻化劑溶液。

4)預報措施。安裝束管監測系統，收集CO含量、溫度和其他有關參數，以便在地面集中監測并預報井下自燃發火情況;同時派專人定期巡回檢查各可能發火點，遇見發火情況立即處理。

5)直接滅火措施。預先制定避災路線并在井下儲備足夠的滅火器材和水源，井下出現火災時，要及時撤出人員，并立即組織滅火和搶救傷員。

5 結論

放頂煤技術易于實現高產的優點，使得該技術在厚煤層開采中被大量采用。文中基于放礦理論及大量生產實踐，得出如下結論:

1)在一定放煤高度條件下，合理確定放煤口間距是十分重要的。

2)直接頂的穩定性對頂煤放出率及安全影響較大。

3)綜采設備的配套選擇及巷道的布置，應依據煤層厚度及煤層傾角等因素選擇。

4)放頂煤技術自身的特點決定了防止煤層自燃發火是放頂煤采煤法安全工作的重點。

［1］徐永圻.煤礦開采學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2009:124－125.

［2］于海涌，吳 健.放頂煤開采理論與實踐［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1992:43－45.

［3］張 坤.急傾斜厚煤層綜放工作面頂煤放出的可控性研究［D］.西安:西安科技大學，2010.

［4］蘇林軍，朱 峰.放頂煤液壓支架的創新與發展［J］.煤炭科學技術，2011，39(4):85－88.

［5］付永水.綜采放頂煤開采在易燃煤層中防止煤層自燃的實踐［J］.煤礦安全，2004，35(8):8－10.