陳學(xué)平

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西　太原　030024；2.大同煤礦集團(tuán) 朔州朔煤小峪煤礦, 山西　朔州　038300)

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綜放工作面頂煤冒落影響因素分析

陳學(xué)平1,2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.大同煤礦集團(tuán) 朔州朔煤小峪煤礦, 山西朔州038300)

摘要放頂煤開采是我國(guó)應(yīng)用非常廣泛的一種開采方法，主要原理是利用礦壓壓碎煤體造成冒落，最后從支架的放煤口放出，所以, 頂煤的破碎冒落情況是關(guān)鍵所在。本文分別從地質(zhì)賦存條件以及開采技術(shù)條件這兩個(gè)方面，對(duì)影響放頂煤回收效果的主要因素進(jìn)行了分析。地質(zhì)賦存方面，主要從開采深度、煤層強(qiáng)度、頂煤裂隙發(fā)育、夾石層以及頂板巖層5個(gè)部分進(jìn)行分析；開采技術(shù)方面，主要從采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小以及機(jī)采高度4個(gè)部分進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞綜放工作面；頂煤；冒落；因素

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中都占有重要位置。在這樣的情況下，如何依靠科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)礦井高效安全生產(chǎn)，提高煤炭生產(chǎn)能力具有非常重要的實(shí)際意義。

放頂煤開采技術(shù)是在20世紀(jì)初期開始出現(xiàn)的，主要是歐洲國(guó)家用于開采復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤炭，之后，很多西方的產(chǎn)煤大國(guó)都開始采用這一方法。由于受到很多因素的影響，目前國(guó)外采用放頂煤開采的國(guó)家只剩少數(shù)幾個(gè)，然而這一方法在我國(guó)得到了大量的應(yīng)用，也取得了良好的實(shí)際效果。

放頂煤技術(shù)是開采厚及特厚煤層的一種方法。在厚煤層下布置工作面，隨著工作面不斷推移，由于受到前方支承力影響，工作面上部的煤會(huì)被壓裂破碎，并在支架后端冒落，以此采出煤體。放頂煤開采法是在普通長(zhǎng)臂采煤法的基礎(chǔ)上增加了支架后部的一個(gè)頂煤回收系統(tǒng)，由兩個(gè)采煤點(diǎn)組成了一個(gè)工作面。其優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn)：1) 開采強(qiáng)度有所提高。開采作業(yè)時(shí)，受厚度影響比較小，可以做到一次采全高。2) 在長(zhǎng)臂采煤法中增加了一個(gè)出煤點(diǎn)，共用刮板輸送機(jī)，減少了工作面的初次投資，節(jié)省了材料費(fèi)用。3) 放頂煤開采技術(shù)對(duì)礦壓進(jìn)行了主動(dòng)利用，以此完成落煤環(huán)節(jié)，節(jié)約了電能，提高了經(jīng)濟(jì)效益。4) 巷道布置簡(jiǎn)單，節(jié)省了掘進(jìn)工作量，減少了搬家次數(shù)。5) 兩個(gè)出煤點(diǎn)同時(shí)出煤，提高了工作面的產(chǎn)能。

由于主動(dòng)利用了礦壓來(lái)壓碎煤體，因此，研究煤體破碎冒落的影響因素是非常重要的，可以為煤炭企業(yè)的生產(chǎn)提供實(shí)際指導(dǎo)。

1主要因素分析

1.1地質(zhì)賦存

1) 開采深度。

井下開采作業(yè)時(shí)，巷道圍巖壓力和頂板的支撐壓力受到煤層開采深度的直接影響。煤體內(nèi)部的應(yīng)力隨著深度變深而逐漸變大，其破壞力也就越大。頂煤變形范圍示意圖見圖1.

由圖1可知，工作面煤壁前方的支撐壓力會(huì)對(duì)頂煤的變形、破碎、垮落產(chǎn)生直接影響。煤層深度越大，對(duì)煤體產(chǎn)生的作用力也越大，直接影響到煤體的破碎。

2) 煤層強(qiáng)度。

煤層強(qiáng)度是體現(xiàn)煤層本身受破壞的難易程度的參數(shù)。但是，煤層強(qiáng)度不是一個(gè)參數(shù)，而是由裂隙發(fā)育程度、煤體硬度、厚度等多個(gè)因素組成的一個(gè)綜合參數(shù)。煤層強(qiáng)度越大，頂煤破碎所需的壓力也就越大，開采難度也就越大。

Ⅰ—完整區(qū)?、颉茐陌l(fā)展區(qū)

3) 頂煤裂隙發(fā)育。

隨著漫長(zhǎng)的地質(zhì)發(fā)展，煤層的形成經(jīng)歷了很多的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使得煤層中存在很多的裂隙。在之后的采動(dòng)影響下，既會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，也會(huì)使原生裂隙發(fā)育。頂煤的變形和破壞冒落其實(shí)就是裂隙的發(fā)展與貫通，這也是控制頂煤破碎冒落程度的一個(gè)主要因素，頂煤破碎冒落程度是由裂隙的密度和方向所決定的。裂隙發(fā)育明顯的煤層中，煤體比較容易破碎，頂煤比較容易放出。

4) 夾石層。

厚煤層中通常都含有不同厚度、不同層數(shù)的夾石層。如果夾石層距離在采高范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)于放頂煤開采是沒有影響的。如果夾石層距離超過采高，那么其厚度和強(qiáng)度的變化會(huì)直接影響頂煤的破碎程度和冒落效果。

除了厚度以外，夾石層在頂煤中的層位也會(huì)影響頂煤的冒落效果。通常，下部夾石層對(duì)頂煤冒放效果沒有影響；如果中部夾石層是偽頂，會(huì)受到支架的反復(fù)作用，容易冒落，可以通過放煤口放出，如果不是偽頂，則對(duì)頂煤冒放性影響最大，可能造成頂煤懸而不冒，嚴(yán)重影響頂煤出煤率；上部夾石層上的頂煤厚度一般比較小，如果夾石層薄就一并冒落放出，如果夾石層厚則難以冒落。

5) 頂板巖層的影響。

煤層頂板是由直接頂和老頂組成的。其中，直接頂只影響頂煤冒落效果，不影響其破碎效果；而老頂則相反，主要影響其破碎效果。堅(jiān)硬的老頂，來(lái)壓步距比較大，壓力就比較大，破壞能力也就比較強(qiáng)。

1.2開采技術(shù)

前面分析了影響頂煤破碎以及冒落效果的地質(zhì)條件因素。如果頂煤破碎充分，那么采用放頂煤技術(shù)的煤炭回收情況就和開采技術(shù)、工藝參數(shù)有著密切的聯(lián)系。如果開采技術(shù)和參數(shù)選擇合適，頂煤放落就比較容易，回收率就比較高。反之，則影響煤炭回收率。主要的技術(shù)因素可以總結(jié)為下面幾點(diǎn)：

1) 采放比。

一般認(rèn)為，在特厚煤層放頂煤開采時(shí)，采高愈大，對(duì)于頂煤的破碎冒落就越有利，煤體整體的回收率也越高。但是，由于受到液壓支架等設(shè)備的影響，采高不能無(wú)限制地增大。所以，在一定條件下，如何使采高與液壓支架合理配置是一個(gè)重要的問題。

通常，軟煤層中頂煤冒放性相對(duì)較好但采高太大不容易控制，此時(shí)需要縮小采放比，體現(xiàn)放頂煤的優(yōu)勢(shì)；而中硬煤層中，就需要增大采高，提升采放比，以此來(lái)提高頂煤放落的空間，從而提高冒落效果。

2) 放煤步距。

在放頂煤開采技術(shù)中，放煤步距與頂煤的落放距離有直接關(guān)系。合理的放煤步距必須能夠與頂煤厚度、支架類型、頂煤垮落角度等多個(gè)因素關(guān)聯(lián)。采放比確定之后，最合理的放煤步距是能夠使頂煤與采空區(qū)側(cè)的巖石一起到達(dá)放煤口。步距過大、合理、過小3種情況下的放煤示意圖見圖2.

圖2　不同放煤步距對(duì)放頂煤開采的影響示意圖

其中，圖2a)放煤步距過大，頂煤落下先到達(dá)出煤口，采空區(qū)矸石無(wú)法放下。圖2b)是合理步距，頂煤與采空區(qū)矸石同時(shí)到達(dá)放煤口。圖2c)放煤步距過小，采空區(qū)后方的矸石先到達(dá)出煤口。

根據(jù)大量的理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出了放煤步距的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

L= (0.15～0.21)h

(1)

式中：

L—放頂煤步距,m；

h—放煤口與煤層頂板的垂直距離,m.

3) 放煤口的位置與大小。

綜放工作面液壓支架放煤口的位置和大小，對(duì)頂煤的放出形態(tài)和放出速度有著重要的影響。一般根據(jù)放煤口位置，把放頂煤液壓支架分為3類：高位放頂煤支架、中位放頂煤支架和低位放頂煤支架。

放煤口的大小是由長(zhǎng)和寬決定的。由于支架單獨(dú)放煤時(shí)放煤口尺寸有限，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過兩架或者多架同時(shí)放煤和升架提高放煤尺寸。

4) 機(jī)采高度。

大采高綜放工作面由于割煤高度變大導(dǎo)致頂煤厚度有所下降，所以，工作面礦壓會(huì)發(fā)生一定的變化。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，頂煤塑性破壞系數(shù)與采高之間存在一定的關(guān)系：

γ=1.872 8e0.249 4Mc

(2)

式中：

γ—頂煤塑性破壞系數(shù)；

MC—機(jī)采高度，m.

從式(2)中可以看出，γ是隨MC增加而不斷變大的。所以，在一定情況下，通過增大MC能夠有效增強(qiáng)放煤效果。但是，機(jī)采高度過大，可能導(dǎo)致頂板冒落，帶來(lái)安全隱患或者造成安全事故。

2總結(jié)

1) 介紹了放頂煤開采的優(yōu)勢(shì)，并從地質(zhì)賦存條件和開采技術(shù)條件對(duì)影響放頂煤冒放效果的因素進(jìn)行了分析。

2) 對(duì)地質(zhì)賦存方面影響因素的分析表明：開采深度越大、裂隙發(fā)育越明顯，煤體越容易破碎；煤層強(qiáng)度越大，開采難度越大。另外，夾石層位置以及頂板巖層對(duì)煤體破碎也有一定影響。

3) 對(duì)機(jī)采高度這一因素的分析表明：隨著機(jī)采高度的增加，應(yīng)力增高區(qū)域會(huì)變大，會(huì)加強(qiáng)頂煤的破碎作用。另外，從采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小等方面進(jìn)行了分析，為確定合理的放煤工藝參數(shù)提供一定的依據(jù)。

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·問題探討·

(E-mail)chenxuepingsx@163.com

Analysis of the Influencing Factors of Top Coal

Caving in Fully Mechanized Working Face

CHEN Xueping

AbstractIt is a widely used mining method of top coal caving in our country, the main principle is using mine pressure crush coal, lead to coal caving, finally releases the coal from drawing opening of the support, so the key is broken caving situation of top coal. The major factors of influencing top coal caving recovery effect are analyzed from geological occurrence conditions and mining conditions. Geological occurrence conditions is mainly analyzed from mining depth, seam strength, top coal fracture development, dirt band and roof strata. Mining technology is mainly analyzed from mining and caving ratio, drawing interval, drawing opening position and size and machine mining height.

Key wordsFully mechanized caving face; Top coal; Caving; Factors

中圖分類號(hào)：TD823.4+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)05-0047-03

作者簡(jiǎn)介：陳學(xué)平(1985—)，男，山西大同人，2009年畢業(yè)于大同大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦管理工作

收稿日期：2014-03-25