第五章综采放顶煤回采工作面矿压控制山科

综采放顶煤采场矿压控制* 2综 采放 顶 煤采 场矿压 控制目 录5.1概述 5.1.1 按工作面布置方式分类5.1.2 按支护方式分类5.2 综放采场顶板结构及 “ 支架 围岩 ” 关系 5.2.1 放顶煤采场需控岩层范围5.2.2 放顶煤采场的顶板结构5.2.3 放顶煤采场的 “ 支架 围岩 ” 关系5.3 综采放顶煤支架类型及选型5.3.1 综采放顶煤支架类型及选型5.3.2 综采放顶煤支架选型5.4 综采放顶煤工作面顶板事故5.4.1 三软煤层条件顶板事故5.4.2 中硬以上煤层条件顶板事故5.4.3 急倾斜煤层条件顶板事故Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 3综 采放 顶 煤采 场矿压 控制放顶煤采煤工艺的实质是，在开采煤层的底部（或沿底板，或在煤层中某一高度范围的底部）布置一个回采工作面，用正常的机械化方法进行回采，工作面上方的顶煤，利用矿山压力作用或辅以人工松动方法使其破碎成散体后由支架后方（或上方）放出，并由刮板输送机运出工作面，这种采煤工艺称为放顶煤采煤工艺。1957年苏联开始试验综合机械化放顶煤采煤方法，特别是在 1964年法国首先试验成功以后，一些主要产煤国家相继引进了这一采煤技术。我国于 1982年开始引进综采放顶煤技术，并于 1984年在沈阳蒲河矿开始工业性试验， 30年来，这一技术在我国得到了迅速发展，目前工作面年产已超过6Mt，总体技术水平达到世界领先水平，并已向国外输出综放开采的成套技术。因综放开采具有单产高、综合效率高、成本低、巷道掘进量小、减少了搬家倒面次数等优点，是开采 5-20m厚煤层最好的工艺方法之一。 Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face5.1 概 述 * 4综 采放 顶 煤采 场矿压 控制图 5-1 综采放顶煤工作面设备布置1 采煤机； 2 前输送机； 3 放顶煤液压支架； 4 后输送机； 5 平巷胶带输送机； 6 配电设备； 7 安全绞车； 8 泵站；9 放煤窗口； 10 转载破碎机Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 5综 采放 顶 煤采 场矿压 控制综合机械化放顶煤采煤工艺的主要生产过程是：在工作面中，采煤机割煤后，液压支架及时支护，并移到新的位置，推移工作面前部输送机至煤帮位置。此后，操作后部输送机专用千斤顶，将后部输送机相应前移。待采过 1 3刀后，按规定的放煤工艺和放煤方式要求顺序打开支架后方的放煤窗口，放出已松碎成散体的顶煤，待放出的煤炭中的矸石含量超过一定限度后，及时关闭放煤窗口。将工作面全长的顶煤全部放出后，再进行端头支护和其它辅助工序。完成上述全部工序即为一个采煤工艺循环过程。Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 6综 采放 顶 煤采 场矿压 控制5.1.1 按工作面布置方式（位置）分类（ 1）整层放顶煤采煤法直接沿底板布置放顶煤工作面，当采煤工作面推进一定的距离后，就将上部顶煤放出，这样一次采出煤层的全部厚度。这种方法一般适用于厚度 612m的缓斜厚煤层。是我国目前采用的主要放顶煤采煤方法。 图 5-2 整层放顶煤采煤法Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face根据煤层及围岩的赋存条件（ 厚度和物理力学性质 等），正常回采工作面可有不同的布置位置，放顶煤采煤法可分为四种不同的类型。* 7综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 2）预采顶分层放顶煤采煤法首先沿煤层顶板在煤层中布置一个普通长壁采煤工作面（即顶分层开采），然后再沿底板布置放顶煤工作面进行回采，将底分层上部的顶煤放出。这种方法适用于厚度大于 12m、直接顶坚硬或煤层瓦斯含量高，需预先排放瓦斯的缓斜煤层。 这种采煤法主要解决三个方面的问题：一是 直接顶坚硬或厚度较薄 ，不能随采随冒，需要人工措施处理顶板；二是防止在底部放顶煤时发生混矸，在 预采顶分层时铺设隔离网，形成网下放煤 ；三是当煤层中瓦斯含量较大或有突出危险时， 预采顶分层可起到预先释放瓦斯，或进行瓦斯抽放工作 。 图 5-3 预采顶分层放顶煤采煤法Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 8综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 3）预采中间分层放顶煤采煤法先在煤层中间布置一个普通长壁采煤工作面进行开采。然后，再沿底板布置放顶煤采煤工作面。中间分层工作面的位置应使底部放顶煤工作面上方有 0.5m以上的护顶煤。对厚度大于 10m，硬度较大，难以直接放落的煤层或需预疏干的煤层，可采用这种采煤法使顶煤预先垮落松碎，然后再放顶煤回收。 但是，若煤层不稳定、底板起伏较大 ，则无法保证下部的分层厚度，给放顶煤工作面的开采造成困难。此外，因顶煤预先垮落松碎，还将增加自然发火的危险性和放煤时的煤尘量。图 5-4 预采中间分层放顶煤采煤法Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 9综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 4）水平分段放顶煤采煤法对于厚度超过 20m，甚至上百米的极厚煤层，可以把煤层厚度按10m 20m分成若干个分段，使用放顶煤采煤法依次自上而下分段回采。这种方法叫做极厚煤层分段放顶煤采煤法。在 急倾斜特厚煤层 中，水平分段放顶煤采煤法类似于水平分层采煤法，其差别是按高度划分为分段，在分段底部采用水平分层采煤法的落煤方式（机采或炮采），分段上部的煤炭由采场后方放出运走。这样，各段依次自上而下使用放顶煤采煤工艺进行回采。 图 5-5极厚煤层分段放顶煤采煤法Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 10综 采放 顶 煤采 场矿压 控制5.1.2 按支护方式（支架类型）的放顶煤技术分类（ 1）综采放顶煤（综放）采用综采放顶煤液压支架进行放顶煤开采的称之为综采放顶煤，简称 “综放 ”。综采放顶煤液压支架Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving FaceRoof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 11综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 2）轻型综采放顶煤（轻放）轻型综采放顶煤与综采放顶煤类似，是在综采放顶煤的基础上，将综采放顶煤支架改造，使支架结构简单、骨架变小，使支架重量大幅度降低，成为轻型结构，自动放煤，简称为 “轻放 ”。轻型放顶煤液压支架Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 12综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 3）悬移支架放顶煤（简放）悬移支架是一种无底座由顶梁与双作用（支、移）液压支柱等组成，是可提腿迈步前移的支架，支架靠两个相邻的顶梁交错向前移动来前移。由于支架一般没有放煤机构，主要靠 人工方式放煤 ，简称为 “简放 ”。悬移支架* 13综 采放 顶 煤采 场矿压 控制5.2 综放采场顶板结构及 “支架 围岩 ”关系 5.2.1 需控岩层范围放顶煤采场的需控岩层，主要指 直接顶和顶煤 ，一般而言，由于顶煤的存在， 基本顶 的运动效应将被顶煤 “ 弱化 ” ，变为 次要的控制对象 （仅对回采工作面内部的顶板控制而言）。因此，我们重点讨论直接顶厚度与顶煤放出率、采高、煤岩破碎后碎胀状况的关系。搞清放顶煤工作面的顶板结构形式及支架围岩关系，是科学进行回采工作面支护设计和提高放顶煤开采综合效益的前提。Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving FaceRoof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 14综 采放 顶 煤采 场矿压 控制工作面 煤层厚度直接顶垮落高度 不规则垮落高度 规则垮落高度高度 H H/M 高度 H1 H1/M 高度 H2 H2/M三河尖矿 7131 9.00 20.32 2.31 10.49 1.17 10.33 1.13扎局 11#井综放面 12.00 32.00 2.67 11.90 1.00 20.10 1.67三河尖矿 7121 6.50 13.34 2.05 6.53 1.01 6.77 1.04旗山矿 3119 4.50 10.50 2.33 4.50 1.00 6.00 1.33大屯徐庄矿综放面 5.50 15.13 2.76 5.95 1.08 9.23 1.68王庄矿 4369 7.02 14.20 2.02 7.60 1.08 6.60 0.94鹤壁六矿 2503-2 5.20 10.79 2.08 6.26 1.20 4.53 0.88扎局灵北矿综放面 12.00 22.00 1.83 12.00 1.00 10.00 0.83阳泉一矿 8603 6.38 13.20 2.04 7.80 1.22 6.64 1.04兴隆庄矿 5306 7.88 17.56 2.24 11.40 1.46 6.27 0.80平均 2.23 1.12 1.11表 5-1 我国部分综放面直接顶垮落高度的模拟和实测结果（ 1）直接顶厚度Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 15综 采放 顶 煤采 场矿压 控制通过大量实践及模拟试验结果分析，可以对放顶煤采场的直接顶得出以下两点认识：（ 1）直接顶的厚度在不同的开采阶段有变化，老顶初次来压前直接顶厚度较小，正常推进阶段 直接顶厚度增大到一个基本稳定值，约为 2倍采出厚度 ；（ 2）稳定的直接顶厚度可按运动特性分为上位直接顶及下位直接顶 两部分。下位直接顶（ 1.0 1.2倍左右采出厚度）由于断裂后回转空间大，垮落形态为 不规则垮落带 ，而上位直接顶岩层断裂后回转空间小，垮落形态一般为 规则垮落带 。现场观测和模拟试验结果还表明， 只有当采空区被煤和矸石充填满后，直接顶的不规则垮落才停止 。* 16综 采放 顶 煤采 场矿压 控制在放顶煤回采工作面，煤从开始垮落到放完是一个动态过程，此过程中 直接顶的厚度也是变化的 ， 亦即基本顶的厚度与位态也是变化的。 直接顶厚度： 图 5-6 直接顶厚度计算图（ 5-1）Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving FaceRoof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 17综 采放 顶 煤采 场矿压 控制根据有关研究， SA=（ 0.15 0.25） h ，在放顶煤回采工作面，h =h+ T（ 为顶煤放出率）；在一般顶板的回采工作面， SA =0.2h。由式（ 5-1）可估算放顶煤回采工作面的直接顶厚度。例如，郑州矿务局顶煤的碎胀系数为 1.2， SA =0.2h，则直接顶厚度为由式（ 5-2）可知， KA在一定的顶板条件下是常数，直接顶厚度由采高、顶煤厚度和放出率控制。例如，芦沟矿某工作面采高2.0m， KA =1.3，直接顶厚度为显然，在顶煤厚度一定时，直接顶厚度与顶煤放出率成正比。=5.3+3.3T（ -0.2）（ 5-2）（ 5-3）* 18综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 2）基本顶作用由于放顶煤开采的特殊性，基本顶活动的矿压显现是通过直接顶及顶煤介质传递到工作面煤壁及支架上，多数采场的 基本顶运动 在工作面的 矿压显现 并 不是十分明显。5.2.2 放顶煤采场的顶板结构（ 1） “煤 煤 ”结构在顶煤较厚、煤层结构复杂的情况下，很可能出现 支架上方未冒顶煤 与 采空区已冒顶煤 之间的拱式平衡结构，且这个结构人为不易破坏 。简称其为 “煤 -煤 ”结构。 图 5-7 “煤 煤 ”结构示意图Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 19综 采放 顶 煤采 场矿压 控制出现 “煤 -煤 ”结构的条件： 顶煤中存在较厚、较硬的夹矸， 大块夹矸 形成 “煤 煤 ”结构的 基底岩层 ； 上部顶煤坚硬，呈大块状垮落，或煤中含有粘土成分，呈团块状垮落。在这种结构下，由于下位顶煤已在采空区内放出，采空区内形成空洞，空洞上方是 “ 煤 煤 ” 结构，尽管在采空区能内用矿灯照见这种结构，但又很难破坏它，因此，在这类采场，除特殊情况外，最好不采用放顶煤开采。若采用放顶煤开采，应在开采前采用松动爆破或者采用注水软化的方法对顶煤进行预处理。例如，郑州矿业集团王庄煤矿 47001工作面一度出现这种结构，工作面支架上方压力很小（只承受下位顶煤的作用力），放出煤量很少，在老塘侧能看到团块状顶煤挤压成的半拱结构，但又不易破坏它，只能“ 望煤兴叹 ” 。Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving FaceRoof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 20综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 2） “岩 矸 ”结构为了说明这种结构的形成及变化过程，假定 在上一放煤循环中垮落的顶煤已全部放出，且空穴被矸石全部充满，此时采空区内煤岩的状态 ,如图所示， 下位直接顶岩层呈不规则垮落，上位直接顶岩层呈大块状较规则地垮落。“岩 矸 ”结构是指 未垮落岩层 与 已垮落大块矸石 挤压而形成的半拱结构。这种结构形式是放顶煤采场最为常见的结构形式。图 5-8 “岩 矸 ”结构示意图Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 21综 采放 顶 煤采 场矿压 控制进入当前循环后，随移架，顶煤和直接顶垮落，充满采空区。随着放煤的进行，散矸面逐渐下降，上位大块矸石下落、再破碎，导致拱结构上移，图 5-9示出了当放出率为 时的顶板结构状态。图 5-8是图 5-9的极限状态，即图 5-8所示的是可能的最高拱结构位置。 图 5-9 岩 -矸结构放出率为 时的岩层状态由于拱结构位置变化，必然引起采场支架载荷的变化，在现场，当支架处于 “给定载荷 ”工作状态时，可以根据支架实测载荷的变化规律，反推拱结构的大致位置。* 22综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 3）岩梁结构当煤层上方存在 大厚度坚硬岩层 且 直接顶厚度较小 、顶煤较薄时，可能存在如图所示的岩梁结构，且岩梁的断裂长度为周期来压步距。该结构能否存在的近似判别条件 ：M：坚硬岩层厚度（一次同时运动的厚度，有时不是岩层的总厚度）；C： 残煤厚度 。可见， 反应回采率的参数 C对老顶和直接顶的相互转化起控制作用， 即顶煤放出率不同，采场支架的载荷也不同。 图 5-10 岩梁结构示意图Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 23综 采放 顶 煤采 场矿压 控制5.2.3 放顶煤采场的 “支架 围岩 ”关系（ 1） “煤 煤 ”结构下的支架围岩关系根据实测，该结构下不来压时，支架仅支住下位顶煤的作用力即可保证回采工作面安全。来压时，需同时支住上位顶煤的作用力。支护设计时，应考虑到最危险的状态，并有一定的安全系数。因此，对照图 5-7，支架应能同时承担下位和上位顶煤的作用力，并同时考虑基本顶的作用，此种结构下支架围岩关系式为：式中图 5-7 “煤 煤 ”结构示意图Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 24综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 2） “岩 矸 ”结构下的支架围岩关系与图 5-10对应的支架围岩关系为图 5-10 “岩 -矸 ”结构顶煤放出率为 时的岩层状态在现场实测中，如测得来压后的最小支架载荷 ，可根据上式，令 ，近似地反推下位直接顶的厚度 ，以此确定 “岩 矸 ”结构的位置。式中 下位直接顶厚度， m，该厚度随着顶煤放出率而变化。Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving FaceRoof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 25综 采放 顶 煤采 场矿压 控制（ 3）岩梁结构下的支架围岩关系岩梁结构放顶煤采场，与图 5-9对应的支架围岩关系为：图 5-9 岩梁结构示意图式中 直接顶厚度， m。 Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 26综 采放 顶 煤采 场矿压 控制上述三种结构下的 均为基本顶与直接顶间的接触应力。大量的现场实测表明，基本顶的运动对工作面矿压显现的差异较大，其动载系数一般在 1.05 1.8之间，由于岩梁结构运动时压力显现明显，因此选择基本顶来压时的动载系数时应比其他两种结构下的大，以避免基本顶来压时对支架产生明显的动压冲击。由于各矿煤层及顶底板情况差异较大，因此选择基本顶来压时合理的动载系数，应通过矿压实测结果来具体确定。Roof Control of Fully MechanizedTop Coal Caving Face* 27综 采放 顶 煤采 场矿压 控制综采放顶煤支架（简称综放支架）是在综采液压支架的基础上增设了放煤机构。综放支架按照放煤位置的不同一般分为 高位放顶煤支架、中位放顶煤支架和低位放顶煤支架 ；按输送机数目可分为 单输送机放顶煤支架和双输送机放顶煤支架 。按支架重量及其生产能力分为 普通放顶煤支架和轻型放顶煤支架。 5.3 综采放顶煤支架类型及选择 5