关于综采放顶煤安全开采间题的认识.pdf

第塞 第 期 堪 名人专稿 关于综采放顶煤安全开采间题的认识 中 国科学院院士 宋振棋 山东 省 煤管 局 总工程师 陈 立良 山东矿业学院矿压研究所 王春秋刘先贵 〔摘要〕综采放项煤是我国煤矿厚煤 层开采技术的 一 项重 大突破 , 可 以实现 高产高效的目标 , 已被人们所共识 。 本文在 总结综采放项煤 实践成果的基础上 , 结合 我国实用矿山压力理论的有关研究成 果 , 对 综采放项煤工 作面的采场结构力学模型 的建立 、 煤炭回收率 、 灾 害防治子问题进行了探 讨 , 明确指出深化放顶煤开采的顶板 活动和矿山压力的研究 , 为放顶煤开采的应用条件选择 、 合理巷道布置 和开采程序设 计以及 巷道和工作面支架选 型等提供理论和实践基础 , 是当前发展的关键 。 〔关键词〕放项煤 综采 采场 结构模 型 内应力场 资源回收率 进入七十年代 , 特 别是最近两年来 , 我国 潞 安 、 充 州等现代化矿 务 局放 顶煤 综 采 工作 面发 展迅速 , 效 益 突 出 。 放 顶煤开采将成 为我 国煤矿厚煤 层开 采 技 术 发 展 的重 要 甚至是 全 局性方 向的认识 , 已经逐 渐 被人们接受 , 厚煤层 放 顶煤 开 采 技术发 展的高潮已经 到 来 , 为 了防止一轰而 上 , 克 服盲目性 , 尽 可能 减少偏 颇 和 失误 , 加 强放顶煤有关开 采 技术 特别是放顶煤岩层 活动和矿山压 力规律 的 深入研究 , 为放顶煤开采合理条件选择 、 合理 巷道布 置 和 开 采程序设 计 、 巷道 支护和 维 护 方式选择 、 工作面回采 工艺装备特别是支架 选型和 阻抗 力等参数设计等提供理论基础已 成 为刻不容缓 的任务 。 放顶煤综采的实践成果及发展关键 潞 安 矿务局 王 庄 矿年应 用综放技 术 , 目前采用双 运输机 、 收尾梁支架低位放顶 煤的工艺平均月产超过万 , 平均日产超 收稿日期 一一 过 , 曾达到月产万 、 日产 的 高产水 平 , 回采工效达到工 , 工作 面效 率高达工 , 实现了高产稳产的目标 。 充 州矿务 局 自年 由山东矿业学院 矿压研究所根据煤层赋存条件提 出可放性论 证报告后 , 局矿组成了综放领导小组 和工作 组 , 在全 国调研的基础上从年月开始 实践 。 目前 , 兴隆庄 、鲍店、 南屯 、 东滩都有综 放工作面生产 , 并均达到 了高产高效之 目的 。 年全局综放工作面平均月产超过万 , 最高月产达 , 平均日产都在 以上 , 直接吨煤成本 下降元 , 其 下降幅度 超 过 , 回采工效提 高一倍以上有关高 产高效综放 面的技术经济 指标如表所示 。 充州局综放实践在实现 了高产高效目标 的同 时 , 还在扩大综放 条件和解决 相应技术难题 方面取得 了下列突破性进展 ① 已采顶分层 网下综放取得成功 。 堪年 表我国主要综放面技术经济指标 局矿 煤厚硬度倾角 面长割煤 高度 立、 回采截 万 平均月产 万 一 平均日产最 高月产 万 工效时间 备注 一 工 潞安局 漳 村矿 。 潞安局 王 庄 矿 几 充州局 兴 隆庄 充 州局 鲍店矿 整层 放 顶煤 充 州局 鲍店矿 。 、 〕 几 〕 艺 。 。 毛 。。网下 放 顶煤 在网下综放 工作面岩层 活动和 支承压 力 分布特征及规律 、 支架围岩关系以及解决硬 煤破碎等研究方面取得 了重要的进 展 。 鲍店矿网下 综 放 工 作 面 达到 了稳 产的目标月产超过 了万回收率超过了 , 成 本比分层综采下降回采工 效 达工 顶板运 动状况如图所示 。 网下综 放成功 提高了工作面回收率 , 为不出现内应 力场 煤 壁不能超前破 坏的煤层厚度 超过 以上 的特 厚煤层以及直接顶 不 能随移 架及时 冒落的煤层进行综放 并实现高产 、 高 效 、 高回收率的目标开辟 了广 阔的前景 。 ‘ , , 一口口尸尸 三三 二二歹 弃 子三宾笼笼「不段三只二全止三三三 二二二币全刁刁 开采顶 分层网下放顶煤 图鲍店矿网下放顶煤综采顶板 结 构状 态 ② “ 孤岛 ”煤 综放 实现 了安全 、 高产 、 高 效的既定目标 。 南屯矿 “ 孤岛 ”工作面综放平均 日产超过 的 实践证明 , 完全 可以采 用 跳 采程序 安 排采掘关 系 、 实 现 在 稳 定的 内应力场 中送 道解决回采工 作 面接续和巷道稳定问题 , 达 到进一步提高 采区 回收率 的目的 。 南 屯矿 “ 孤 岛 ”煤 放顶煤工作面的结构状态 如图所示 。 总之 经过数十个局矿综 放 面开 采实践 可得到下列一些共识 ①采用综 采 放 顶煤 技 术 开 采厚 煤层 是当前国内设 备条件 下实现高 产高效 的一个 重要发 展方 向 ②采用综放开采技术 , 减少了生产环 入一 剖面 、 『 一 , 图孤 岛放顶煤工作面的结构状 态 节及辅助设 备和较大幅度降低巷道掘进和维 护工作量 减少了工作面个数 实现了煤矿井 下的集中生产和安全 生产 ③在弄清综放面 顶板活动规律和矿压 第 期 宋振骥 等关于综采放顶煤安全开采间题的认识 显 现 规律的基础上 , 通过 采用 正 确 的开采程 序和回采工 艺 、 优化开 采设计等措施 , 是可以 保证达到符合要求的回收率这 一目标的 ④现 有 的 安全技术措施对 于 防治瓦 斯 、 降低煤尘以及抑制发火是有效的 , 安全能 够保证 ⑤相对分层综采而言 , 综 放工作面对 于煤层的厚度和倾角变化以及通过断层等构 造有 更大的适应能力 , 因此比分层综 采更容 易实现稳产的 目的 。 在一定程度上可以说 , 放 顶煤 为厚度 、 倾角变化 复杂的煤层开 采机械 化创造了前景 。 当前推广综放工作必须回答的两个关键 问题一个是保证安全开采的条件问题一个 是实现高产高效并保证较高回收率 的 条件问 题 。 研究和 实践证明 , 综 放工作 面 安全高产 以及保证较高回收率 是 有 条件 的包 括相 应 的煤层 和 顶底 板 条件 、 相应 的开 采 程 度和巷 道布置 , 相应巷道和回采工作面支 护 包括支 护 方式 、 支架形式和阻抗 力等以及放煤工艺 等 。 目前我 国有 的综放工作面 , 在没有 搞清采 场 支 承 压 力分 布 的情况下 , 错 误 的 采用 了煤 柱 护 巷 方 案 , 造 成 了产量 低 、 推 进速度缓慢 、 巷道 维 护极端 困难的恶性循环 。 有 的工作面 因为顶煤放 不 下来 , 被 迫 采用 危 险 的 架 后爆 破措施等情况 。 这都是 因 为对综放 条件缺乏 认识 , 盲目从事 的结 果 。 要正确回答 保证 高效益 综 放 条件问题 , 离 开 了具体煤层条件 下 , 煤及岩层运 动 和矿 山压力分 布显现 规律 的研 究 , 以及 通过 正确 的开 采决策进 行控制可能性 的研 究 , 用 “ 煤层 硬 ” 、“ 顶板坚硬 ”这些相互孤 立的要 素进行概 括是不行的 。 同样 , 实现安 全开 采 即不 出现 冲击地压 、 瓦斯煤层突出等重大 事故 的条件 , 也 不能简单 的从 “ 采高 大 , 因此 压 力大 、 危险 大 ”等想象 出发 。 只有在对放顶煤开 采煤层及 顶板活动规律和矿山压 力分 布 显 现 特征及 通过正确的开采设计决策进行控制的可能性 进行客观分析之后 , 才能作 出正确的结论 。 放顶煤综采条件研究的采场结构模 型 如前所述 , 什么条件适合 “ 综放 ”, 并保证 安全和达到高产高效的目标 , 不能用煤层硬 度 、开采深度 及顶板等条件简单的回答 。 必须 、抓 住在该开采条件下 , 岩层运动和矿 山压 力 显现特 点及控制 的可能性这个实质和关键 因此 , 建立符合客观实际的综放采场结构力 学模型 , 是正确进行 “ 综放 ”条 件研究的基础 。 提供回采工作面和巷道矿山压力控制等 开采设计决策及进行开采条件分析的完整采 场结构模型所包含的内容如下 ①需控制的岩层结构组成及相应的结 构参数包括结构厚度及跨度等 ②结构边 界及相应的支承条件 ③支承反 力的大小和分 布 。 正常开 采情况下 , 煤壁 的支承 压力作用 下超前破坏的采场结构模型如 图所示 。 结构模型中需要控 制的岩层 范 围 , 一般 由采空区已垮落的岩 层组成的 “ 直接顶 ” 图 中所示和运动 明显 影 响采 场矿 压显 现 的 “ 传递岩梁 ”所组成 的 “ 老顶 ” 图中所 示等两部分组成 。 直接顶的厚度可 由下式求出 一 , 一 天丁二万 式 中为采高 工作 面一次采 出的煤层 厚度 , , 及 , 分 别 为岩梁触研 点的沉降 值和该处己冒岩层的碎胀系数 。 当老顶 下位 岩梁 周期来压步距和来 压完成时控 顶距 、 处的顶板下沉量 △ , 已 知时 , 可以按 下式近似算出 , 值代入式 , 推断 , 二 值 。 , △人 人 蛛 年 一一 ‘ 几一 ” 一 。 、 一一 一一二,,,闷竺, , 一一 二 长 洲龙 龙 剖山 推进方向 垂直推进方向 图采场结构模型有内应力场 对于未开始推进的工作面 , 当已知上覆 各岩层分层厚度依煤层 柱状或 石 门 剖面 图 , 可按 岩层失稳冒落的条件 , 由下向上逐 层推出既采高条件下的垮落岩层即直 接顶 总厚度 二 值 式 中 采高 , 、 分别为第层 和第 二 层的第一次断裂步距 , 必 、 一 分别为相应岩层的内摩擦角和 岩层断裂角 , 度 , 老顶触研 处 垮落岩层膨胀 系 数 , 一般为一 分 式中 ‘ 垮落各岩层的厚度 , 垮落岩层的数目 , 自煤层向上 依 次按层记数 其中第层 厚度和层厚 度 二一 ,将满足下列 条件 在厚煤层分层开采时 , 开采下部第 层时直接总厚度可 由下式推算 。 一 , , , 一尺 , 二 一 月笼 一一 一一 十 一以一二 一一二尸 八 月 一 、月 一 喂旦 过兴上些 暨架黔卫 ,一 名 ‘ 尺 , 一 一 习 ‘ 天 , 一 卜 移失 或 ⋯⋯ 式 中 第分层采高 , , 开采第分层 时 , 老顶岩梁触 研处的无阻碍最终沉降值 , , 开采第分层时 , 老顶岩梁触 研处已冒岩层碎胀系数 。 第分层工作面所在位置处假 顶岩石碎胀系数 一 开采第 一 层时的冒高值 第 期 宋振骇 等关于综采放顶煤安全开采间题的认识 如各分层采高相 同 一 , 则当假顶完 全压实 , 即 ‘ 、时 , 、二 二,, 冒高值与开 采顶分层时相同 但当假顶未 压缩 , 即 ‘ 机 时 , 一 , , 第 ” 分层的冒高是第一分层 冒高值的倍 。 可见开采下分层时 , 假顶的压 实情况对冒高值大小有重大影响 。 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一倍 , 老顶所包含 的 “ 传递岩梁 ”数 目 , 一般不超过个 。 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 乙子 式中 一 、‘ 分别为 下部 岩层支托层 和 上部岩层随动层的厚 度 , 、‘ 分别为下 、 上 两岩层 的弹性 模量 , ’ 比例 系 数 , 视 具体情况 一般 取一 老顶各 “ 岩 梁 ”的初次 来 压 步 距和 周 期来压步距可分别 由下式示 出 二〔 。 〕 。‘ 花弃二二票立二 元 一 。 勺 一 ‘ 了 七 ‘ 一下 , ‘ 乙 , 乙〔 。, 〕 令于 又又 弓 二二共二二二 勺 一 ‘一 ” ‘ 式中 〔‘〕老顶岩石抗拉强度 , 老顶岩石容重 , ‘、‘一 分别为本次和 上 一次 周期 来压步距 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 ” 图中部分中的煤体已经破坏 , 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 ” 图中部 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 , 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 二 及 老顶 下位 岩 梁 的厚 度 ‘ 和来压 步 距 , 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 支架的支护强度 尸 十 式中 一 二人 △ △ 二 。。 丁 ,,二, 犬 支架的工作阻力 尸 蛛年 刁刁 ⋯ 赢 隐巍蕊蕊 ’’ 』』』 产 」 二二二二二二二二二二二二二二二 麦麦麦鲡翩翩翩 烂续呈一 一一二 一 日日日 二二二乞 乞乞乞 。 叮叮二 一一一一 俪俪俪俪俪俪俪俪俪俪俪俪 萝萝叮二二辛 川川川 一推进方向 图 支架的允许缩量衍△瓜 一垂直推进方 向 采场结构模型无内应力场 式中 支架支护 面积支架宽度 控顶距 。 , , △ , 下 位 岩梁裂 断来压触研 时 的最大采场 顶板 下 沉 量 , △肠血 上 位岩梁裂 断前计算 或 实测 到的最 小 采场 顶板下沉量 人 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 留巷图中的位置此时支架 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 △瓜 。可 由下式 近似推出 , , , △ ‘ 。 一 二止十二 〔一 二 , 一〕 ’ 皿 “ 甘 ”性 、‘一月 占产户、占曰产 式中 内应力场范围 , 巷道宽度 , 老顶下位岩板侧 向裂 断宽度 , 一 般接近推进方向来压步距 煤柱护巷即 图中的位置此 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 力应按相应区域 的巷道 压力 设 计 。 在内应 力场 即图中的位置 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中的位置 开掘 和维 护回采巷道 。 在该处布置巷道 , 围岩将承 受超过原始应力万的几倍 , 不仅巷道维护 第 期 宋振骥等关于综采放顶煤安全开采间题的认识 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 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 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 ①由于采出煤层的厚度采高 ‘ 加放 出顶煤厚度增 加 , 冒落 岩层 总厚度即直 接顶厚度 二 将比分层 开采大的多 , 具体值 仍 可按顶分层开采条件下的顶分层 冒高即式 一的推断方法确定 。 ②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 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 二 与采 空区残留的浮煤 高度,间的关系可用式 表 出 ‘ 一 , , 月 一 ③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 出的煤层厚度场 ‘ 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 支架阻抗力的 下限应 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 ‘ 采取限定变形工作方案 设计 , 即 支护强度 支架工作阻力 一 , 式中 一二 二入人 二, 八 二 尤 尸 ’ 厂 ’ 二 ⋯ 一 几几 黔黔粼蛾蛾 ‘‘ ’ 叮 ’’ 、寿 顶煤厚度及容重 二、二 冒落岩层的总厚度及平均容 重 人 考虑直接顶悬顶作用力矩系数 , 当最 大悬顶距已知 时 , 可由 下式推算 一 翁耸 , “, 图放顶煤工作面顶板结构模型 动对采场矿压显现的影 响要比分层开采复杂 , 支 架控 顶距 , 么 支架 合力作用点距煤壁的距离 , 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 ‘ , 。 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 下期待续