关于综采放顶煤安全开采间题的认识(一)

1、关于综采放顶煤安全开采间题的认识(一)? 实践证明，对于一般岩层覆盖的采场，老顶总厚度大约为采高的4-6倍，老顶所包含的“传递岩梁”数目，一般不超过3个。组成老顶各“传递岩梁”的岩梁厚度为同时运动岩层的厚度之和。上下两岩层同时运动的条件可由下式表示:? 在生产现场，可以根据实测所得采场支架阻抗力或顶板下沉量随工作面推进距离关系曲线直接推断老顶岩梁数目及运动步距值。? 老顶来压时，直接顶和下位岩梁断裂，破坏线深入煤壁前方，上覆岩层作用在煤(或岩)层上的“支承压力”(或相对应的支承反力)明显的分为两个部分，是该采场条件下结构模型的重要特征.其中，处于“内应力场”(图3中S1部分)中的煤体已经破坏，

2、其承受的压力大小由直接顶和老顶运动的作用力决定。显然，当老顶来压完成进入稳定状态后，该部分煤体的支承反力只要平衡直接顶的作用力即可。分布于“外应力场”(图3中S2部分)煤体上的支承压力由上覆岩层的总体作用力所决定，其大小分布范围受直接顶和老顶的影响较小。? 当开采深度较小，或者煤层强度较高，支承压力不足以超前破坏煤壁的情况下，采场的结构模型如图4所示，即直接顶及老顶的断裂破坏将在煤壁处发生，“内应力场”的范围(S1)将趋于零。? 目前，作为实用矿山压力理论的核心矿山压力分布、矿山压力显现与上覆岩层(直接顶及老顶)运动间关系的理论研究已经取得重要成果，通过矿山压力显现推断上覆岩层运动和支承压力分

3、布，实现对顶板活动和矿山压力分布预测预报的“井下岩层动态观测研究方法”，已有了广泛的实践基础。在生产现场针对具体煤层和开采条件建立采场结构模型的工作已经进入到实用阶段.? 采场结构模型的类型和相应的结构参数确定之后，开采方法的选择、开采参数确定等设计决策，也就有了科学的基础。例如:知道直接顶的厚度m2及老顶下位岩梁的厚度mE1和来压步距CE1就能够按下列要求选择综采支架，排除推垮工作面和压死支架等重大事故:支架的允许缩量:rhA式中:Sr支架支护面积=支架宽度 (B)控顶距(Lk),m2;? hA下位岩梁裂断来压触矸时的最大采场顶板下沉量，m;? hrmin上位岩梁裂断前计算或实测到的最小采场

4、顶板下沉量;? ?x悬顶系数? 同样，知道了采场结构力学模型，为相邻工作面准备的回采巷道位置、开采或准备的时间以及正确的维护方法，也不难确定。其中，属于有内应力场的结构模型(如图3所示)，如果不出现底鼓等情况，则正确的设计决策分别为:? 沿空留巷(图3中1的位置):此时支架阻抗力最小需平衡直接顶的作用力，支架的可缩量应适应下位岩梁触研并压实的沉缩全过程。其最小值hmin可由下式近似推出:式中:S1内应力场范围，m;? B巷道宽度，m;? d老顶下位岩板侧向裂断宽度，一般接近推进方向来压步距(C1)? 煤柱护巷(即图3中4的位置):此时巷道应在接近原始应力区的部位开掘，支护方式和支护阻力应按相应

5、区域的巷道压力设计。? 在内应力场(即图3中2的位置)掘巷:此条件下掘巷的时间必须在老顶运动基本稳定之后，支护方式应考虑内应力场煤体已经破坏的现实，支护阻抗力应不低于平衡直接顶作用力的要求，可缩量应能适应工作面推进至老顶来压时的内应力场可能出现的最大巷道顶板下沉量。? 显然出现内应力场结构的条件下，要绝对避免在高应力区(即图3中3的位置)开掘和维护回采巷道。在该处布置巷道，围岩将承受超过原始应力(rH)的几倍，不仅巷道维护困难，而且经常在掘进时引发冲击地压和瓦斯煤层突出等重大事故。? 对于图4所示不出现内应力场结构类型的采场，回采工作面控制设计以防止老顶动压冲击为前题，无需考虑煤壁片塌和直接顶

6、破碎等事故。满足此要求的支护阻抗能力，应保证在直接顶和下位岩梁来压时完全平衡其作用力，即不出现安全阀开启、顶板沉降的情况。在该条件下考虑巷道矿压控制设计决策的基本原则是沿空送道或把巷道布置在支承压力分布区域(一般不超过810m)之外的任何位置。掘进时间不受岩层运动限制。如果采用沿空留巷方案，则支护阻抗力应平衡垮落直接顶的作用力，压缩量则必须适应老顶稳定过程中的全部巷道沉降量。? 放顶煤综采条件下的采场结构模型如图5所示，与同一煤层分层开采条件下的结构模型相比有以下特点:? 由于采出煤层的厚度(采高hd加放出顶煤厚度hr)增加，冒落岩层总厚度即直接顶厚度(m2)将比分层开采大的多，具体值仍可按顶

7、分层开采条件下的顶分层冒高即式(3)(8)的推断方法确定。? 顶煤的实际回收情况对采场结构组成状态及相关参数的影响很大。有关结构运动对采场矿压显现的影响要比分层开采复杂得多。因此，采场矿压显现的规律性是顶煤回收率是否均衡可靠的一个重要标志。在放顶煤开采条件下，垮落的直接顶厚度(m2)与采空区残留的浮煤高度(hf)间的关系可用式(13)表出:? 由于一次采出煤层厚度增加，出现内应力场的可能性及应力场所伸展的范围都比分层开采条件下大得多。研究证明，内应力场范围与一次采出的煤层厚度(hr+ hd)近似成正比。? 针对放顶煤开采的采场结构模型特点，其开采设计决策应考虑下述原则:? a支架阻抗力的下限应

8、能按平衡顶煤和直接顶同时运动的作用力;上限不超过对老顶下位岩梁(mE1)采取限定变形工作方案设计，即:? 合力作用点距煤壁的距离，m? 对于放顶煤支架，合理的工作状态应保证合力作用点处于控顶区的中央，即Li =0. 5Lk。? b鉴于内应力场范围的扩大，更有条件考虑在内应力场中掘进布置回采巷道，以解决采场巷道矿压控制方案问题.3提高放顶煤综采回收率及实现条件? 鉴于能保证均匀分层开采的煤层条件并不多，加之分层开采巷道煤柱损失不可避免，因此简单的得出缭放采区回收率将低于分层综采的结论是不正确的。相反，对于厚度有变化，特别是构造复杂的厚煤层，只要顶煤? 顶煤在移架过程中.依靠反复支撑继续剪切破坏顶

9、煤是一个非常重要的过程。但是，只有当顶煤的前述两个破坏过程已经实现的条件下，才能起到作用。支架阻抗力愈高，初撑力愈大(接近工作阻力)，其作用的发挥效果愈好。? 综上所述可知，顶煤能否超前煤壁破坏是判别煤层可放性的基础。只有煤壁前方出现压力显现随老顶活动而明显变化的“内应力场”，才有可能在不采取爆破等辅助性破煤措施的情况下，实现较高回收率的目标。实践证明，当顶煤超前破坏不能实现(即无“内应力场”)，特别是当顶板比较坚硬，不能随顶煤放出而及时冒落的情况下，采用先开采顶分层，网下放顶煤的方案是十分有效的。采用该方案，可以通过在支架前上方打眼爆破松动后，依靠已经历过一次运动的顶板压力破碎顶煤，实现高回

10、收率放煤的目的。3. 2放煤工艺及支架工况的确定? 在顶煤能气破碎放出，顶板条件适宜的前提下，相适应的正确的合理的放煤工艺及与之相适应的支架选型和工作状况的确定，是保证较高回收率的关键。? 综采放煤工艺包括放煤程序、放煤步距、放煤时间及放煤量的控制等。合理的放煤工艺的实现，与支架型式选择、支架初撑力和工作阻力的确定，以及支架在采场的实际工作状态紧密的联系在一起。合理的放煤工艺应保证放煤过程中顶煤运动的连续性和规律性，保证直接顶板有规律的暴露(失去顶煤支承)和及时的冒落，见图6(a)，保证支架及时有规律的承压，并按要求的工作状况控制顶板的运动和顶煤的活动。根据理论研究和实践经验的分析，可以归纳出

11、符合上述要求的工艺原则为:要保持要求的安全割煤和移架放煤间距，防止出现图6-(b)所示支架蹬空(上方顶煤放空)，诱发端部漏顶事故。尽可能将放煤步距、移架步距与直接顶，特别是足够厚度的下位岩层垮落步距统一起来。应当考虑研究移架步距与一次割煤步距不同步的放顶煤支架。采用依次连续跟进顺序放煤，以保证尽可能的扩大已经启动的放煤口宽度和已启动的顶煤顺向流动的连续性，保证直接顶板暴露和垮落的连续性和规律性。如果单口放煤不能满足运输机运出能力的要求，可以采用分段同时工作方案。应当避免采用随意间隔开口分点放煤的工作程序。? 放顶煤支架必须有足够的工作阻力和尽可能高的初撑力，保证控制顶煤和顶板运动的需要。支架的

12、工作阻力绝对不能小于平衡垮落的直接顶作用力的需要。目前，由于不少放顶煤工作面顶煤回收不尽、采空区不均匀堆积的浮煤对顶板结构组成和支承状况的影响，实测出的支架阻抗力要比分层综采低得多。必须指出，这个结果是靠老塘丢煤换来的，不能由此得出放顶煤综采工作面支架阻抗力可以比分层综采低的结论。由图6 - (a)可知，必须保证放顶煤支架在高承载(阻力高)和“高位态”(升架高度大.前后柱阻力和缩量相近)的状况下工作。防止出现图6- (b)所示支架上方蹬空和端部漏顶事故。实践证明。对于采用低位放煤的四立柱支撑掩护式支架，使前后柱处于基本相同的高阻力状态下工作，能保证在充分发挥顶板压力破煤作用的同时，可靠的避免支

13、架上方顶煤在移架前片塌的危险。保持“放煤漏斗”中轴线偏向采空区是防止端部漏顶的关键。目前，某些放顶煤综采工作面以想象有利于放煤需要.人为降低后立柱高度和阻抗力的做法是不正确的。? 在移架过程中保证支架前后柱能升到要求的高度并达到要求的初撑力.是保证支架按高承载和高位态状况下工作的关键。3. 3提高放顶煤开采采区回收率的措施? 提高综放采区回收率要从提高工作面顶煤放出率和减少护巷煤柱损失两个方面同时入手。对于厚度超过10m的厚煤层，特别是在直接顶板坚硬的条件下，应采用在开切眼处强放直接顶，先采顶分层网下放顶煤的方案。这样既发挥了网下综放回收率高的优势，又能避免整层放顶煤综采老顶第一次来压期间高的

14、顶煤损失。在减少护巷煤柱损失方面的关键措施是改变开拓准备布置，实现在稳定的内应力场中掘进和维护回采巷道。? 从前述“综放采场结构模型”的特点可知，同一煤层“综放”条件下，支承压力影响范围和其中的宽度，都要比分层开采条件下大得多。这一结果说明，如果采用在原始应力区开掘巷道的煤柱护巷布置，“综放”条件下的煤柱损失，将会比同一煤层分层开采大得多。相反，由于“内应力场”范围扩大.采取在稳定的内应力场中开掘和维护巷道，就有了更加可靠的条件。4放顶煤综采安全开才的条件? 在“综放”采场是否更容易发生岩层运动和矿山压力有关的冲击地压、瓦斯和煤层突出等重大事故?能否避免这些事故的发生? 可以想象，在“综放”条件下，由于顶煤的厚度大，无论是巷道还是工作面，这类事故一旦发生，其突出强度都有可能比分层开采大得多。但必须指出，不考虑具体开采条件下岩层运动和矿山压力分布的特点，不考虑巷道开掘的位置和开掘时间的区别，简单得出“开采深度大，