综采放顶煤安全开采条件的认识.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷第期 年月 煤炭学报 综采放顶煤安全开采条件的认识 宋振骥陈立良 王春秋 刘先贵 山东矿业学院山东省煤管局山东矿业学院 摘要 以实用采场矿压理论的成 果为基础 , 较深入地分析了综放条件下采场结构力学模型 特征 , 讨论了放顶煤综采 高效安 全开采的条件问题明确指出 , 采场支承压力分布出现内应 力 场是综放 高效安全开采的客观基础采用正确的放煤程序保证支架在高位态和高阻 力状态下工 作 、 以及 采用正确的开采程序实现在稳定的内应力场掘进和维护巷道是综放工作 实现 高效安全 的关键 关键词放顶煤综采采场结构模型内应 力场资源回收率 进人年代 , 特别是近几年来 , 我国潞 安 、 充州等现代化矿务局综放工作发展迅速 , 效益显著放 顶煤开采将成 为我国煤矿厚煤层开采技术发展 的重要方 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 到来加强放顶煤有关开采技术的深人研究 , 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 和支护阻 力等参数设计提供理论基础已成为刻不容缓 的任务 放顶煤综采条件研究的采 场结构模型 提供回采工作面和巷 道矿山压力控制及进行开采条件分析的完整采场结构模型应包含需控制的岩层 结构及相应 的结构参数 、 结构边界及支承条件 、 支承反力的大小和分布等 内容 正 常开采条件下 , 煤壁在支承压力作用下超前破坏的采场结构模型如图所示 老顶来压 时 , 直接顶和下位岩梁断裂 , 破坏线伸人煤壁前方 , 上覆岩层作用在煤岩 层上的支承压 力明显地分为两部分处于内应力场 中的煤体已破坏 , 承受的压力大小与直接顶和老顶运动的作用力有 关显然 , 当老顶来 压 完成并进人稳定状态后 , 该部分煤体的支承反力只要平衡直接顶 的作用力即可 分布于外应力场煤体上 的支承压力 由上覆岩层 的总体作用力决定 , 其大小及分布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 采场结 构模型的类型 和相应的结构参数确定后 , 开采方法的选择 、 开采参数的确定也就有了科学 的 基础同样 , 知道了采场结构模型 , 相邻工作面的回采巷道位置 、 开采或准备的时间以及 正确的维护方 法 , 也就不难确定例如 , 采场 出现 内应力场结构时 , 要避免在高应力区图中的位置开掘巷道 对于 图所示不 出现 内应力场结构 的采场 , 控制设计要以防止老顶动压冲击为前提 , 相邻工作面顺槽应 是沿空送巷或把顺 槽布置在支承压力分布区域之外的位置 放顶煤开采条件下 的采场结构模型见图 , 与厚煤层分层开采条件下的结构模型相比有以下特点 由于采出煤层厚度底煤高度加顶煤高度增加 , 冒落岩石总厚度即直接顶厚度将比 分层开采大得多 收稿日期 一一 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期宋振骥等综采放顶煤安全 开采条件的认识 翩翩翩翩翩翩 户, , 嚎赢谕赢彝瓜瓜 五五五 刀刀刀刀刀 口口口犷 ” ” ’ 万万 ”溉 溉溉 图采场结构模型有 内应力场 推进方 向垂直推进方 向 直接顶 老顶第岩梁 老顶第岩 梁 。, 老顶第岩梁周期来压 步 距 , ‘ 老顶第岩梁周期来压步距 , 煤层厚度 , 。。 , 老 顶 第 , 岩梁厚度 , , 岩石碎胀 系数 老顶触砰处沉降值 , 么人 采场 最大顶板下沉量 , 控顶距 , 支承压力分布范围 , 、, , 、 一 内 、 外应 力场分布范围 , 下区段工作面顺槽 的不同掘巷位置 一 老顶周期来压时侧 向 跨度 , 巷道宽度 , 直接顶厚 度 , 二 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 均衡的 一个重要标志 由于一次采 出煤层 厚度增 加 , 出现 内应力场的 可 能性及 内应力场所伸展的 范围都比分层开采条件下大 得多研究表 明 , 内应力场 范围与一次采出的煤层厚度 近似成正比 针对放顶煤开采的采场 结构特点 , 其开采设计决策 应考虑下述原则 支架阻抗力的下 限 应按能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 一 “十竺瓮 鱼 支架工作阻力 丁一丁 , 式 中 , 一场脚十 人两为顶煤 的 密度为直接顶 的密度凡为老顶 第岩 梁 的 密度 , 为 支 架 支 护面 积为考虑直接顶悬顶作用的力矩 系数 , 当最大悬顶距 , 已知时 , 人 个 一一哥 赫 日日日 翎到 , 其 中 , , ‘ 为支架合力作用 “ ‘ 点距煤壁 的距离 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 俪俪俪俪俪俪 盯盯盯盯盯 图采场结构模型无 内应力场 推进方向垂直推进方向 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 堪炭学报年第卷 图放顶煤工作面顶板结构模型 一 有内应 力场无 内应 力场 提高放顶煤综 采回收 率及实现的条件 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 , 简单地得 出综放 采区回收率将低于分层综采的结 论 是 不正确 的相 反 , 对于煤厚有变化 , 特别是构造复杂 的厚煤层 , 只 要顶煤放出条件具备 、 开采设计决策正确 , 争取综放 回收率高于分层开采也是完全可能的 在综放实现安全开采的前提下 , 保证采场较高回 收率的条件是顶煤能破碎到 由放煤口自由放出 的程度 , 即煤层可放性好直接顶板特别是下 位岩层能随顶煤的放出而及时冒落 , 并及时充 填已 放出的顶煤空间 , 即直接顶各岩层冒落性好 、 垮落步 距小采场支架选型 及工况合理放顶煤工 艺正确 , 顶煤放出率高前条是条件和前提 , 后 条是实施的关键 顶煤破碎 过程及实现条件 具备可放性条件的煤层 , 顶煤的破坏一般将经历在煤壁前方受支承压力作用超前破坏 , 进人支架上 方后 , 在顶板压力作用下挤压破坏和在移架过程 中反复 支撑破坏等个发展过程 煤壁前方出现压力显现 随老顶来压而明显变化 的内应力场 , 是顶煤已超前破坏 的标 志如果忽略煤 层 各分层 间以及煤层 与顶板 间的粘结力 , 不考虑顶煤和底煤边界条件的差别 , 则可以用下式 近似表达放顶煤开采条件下内应力场 的范围和存在条件 , 即 宁 。 一 , 式 中 , 一飞二 鑫 万乳为开采煤层埋藏深度 , 为最大应力集 中系数 在一般煤层开采条件下 , 变化于 一 之 间 。 为煤层最 弱分层 的单 向抗压强度 , 宁为考虑煤层结构影响的系数 在生产现场 , 可采用 “ 动态法 ” 在超前巷道中观测老顶来压前后支承压力显 现方法来判断 内应力场 的存在和范 围大小 对于 不具备顶煤 超前破坏的采场 , 可采用预注水软化煤层 、 超前爆破等措施 , 人为地制造出内应力 场在生产现 场 , 支架前后柱始终处于高承载状态 , 移架时反复 支撑剪切破坏顶煤是一个重要 的过程 总之 , 顶煤能否超前破坏是判 断煤层可放性 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 放煤工艺及支架 工 况的确 定 综 采放煤工艺参数包括放煤程序 、 放煤步距 、 放煤时 间及放煤量 的控制等合理放煤工艺 的实现 , 与 支架型式选择 、 初撑力与工作阻力 确定及支架在采场的实际工作状 态紧密相关合理 的放煤工艺应保证 放煤 过程 中顶板运 动的连续性和规律性 , 保证直接顶板有规律的暴露和及 时冒落 、 保证支架及时有 规律 的承载 , 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 归纳 出符合上述要 求 的工艺原则为 保 持要求的安全割煤和移架放煤步距 , 防止 出现支架蹬 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 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期 宋振骥等综 采放顶煤安全 开采条件 的认 识 采用依次连续跟进顺 序放煤 , 以保证尽可能地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若单 口放煤不能满足运输机运出能力的要 求 , 可采用分段 同时工作方 案 , 应避免随意 间隔开口分点放煤 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 超过以上的厚煤层 , 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时老顶第次来压期 间高的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 放顶煤 综采安全开采的条件 在 “ 综放 ” 条件下 , 由于顶煤 的厚度大 , 冲击地压 、 瓦斯与煤层突 出等事故一 旦发生 , 其强度都可 能比分层开采大得多但必须指出 , 不考虑具体煤层 条件下岩层 运动和矿山压力分布特点 , 不考虑巷道 位置和开掘时间的差别 , 简单地得出 “ 开采厚度大 , 冲击地压和瓦斯煤层突出危 险大 ” 的结论是不 正确 的 冲击地压事故及 其防治研究和实践表 明 , 在单一重力应力场 条件下 , 当开采深度达到一定值 后 , 只要煤层冲击倾 向具备 , 都有发生冲击地压的危险 , 冲击地压发生 的地点和实现条件包括①在支 承压力 的高峰区域开掘巷道到目前为止 , 无论水采还是旱采 , 都还未见到在稳定 的 “ 内应力场 ” 中开 掘巷道发生冲击地压 的实例②当坚 硬的老顶岩梁断裂时发生动压冲击和应力高峰转移过 程中 , 在工作 面或相邻巷道产生冲击和突煤事故显然 , 若有 “ 内应力场 ” 作 为缓 冲 , 事故发生的可能性及 强度都会 小得多 因此 , 只要采用在 “ 内应力场 ” 开掘巷 道的部署避免发生冲击地压危 险的可能性要比同一煤层分 层开采有利得多 瓦斯煤层突出的发生和防治显然 , 在已经产生裂隙和破坏的内应 力场 , 不具备储存 大量的高 能瓦斯 的条件只有在封闭性好 、 处于弹性高压状态的 “ 外应力场 ” 中 , 才有储存大量高能瓦斯 的可能 因此 , 象避免冲击地压一样 , 只要实现在稳定的内应 力场 中开掘和维护巷道 , 就能避免煤与瓦斯 突出事 故的发生 顶板事故 的发生和防治 综采 支架是在顶煤的掩护下工作 , 因此 , 只要保证要求的支架工作阻 抗能力 , 使支架能在 “ 高阻力 ” 、 “ 高位态 ” 状态下工作 , 避免发生架上放空 、 架前漏顶等事故 , 则综放 条件下顶板事故发生的可能性及对生产 的影响要比分层开采小得多 结论 不能简单地用煤层强度高低 、 顶板 强度及开采深度大小等赋存条件作为 “ 综放 ” 使用条件 的判 据 , 应 当把建立具体煤层条件下 的实际采场结构模型作为 “ 综放 ” 条件研究的基础因此 , 深化现场岩 层和矿 山压力分布的研究 , 完成在生产现场建立采场实际结构模型的实践 , 是 当前 “ 综放 ” 发展的关键 采场前方支承压力分布出现 “ 内应力场 ” 结构是实现 “ 综放 ” 高效安全开采的客观基础对于 不 出现 “ 内应力场 ” 结构的采场 , 特 别是 顶板来压步距较大时 , 应采用先采顶分层网下综放的方案 采用能平衡顶煤及直接顶作用力所 必须的工作阻力的支架 , 保证该 支架在 “ 高阻力 ” 、 “ 高位 态 ” 下工作 , 以及采用正确 的开采程序 , 实现 在稳 定的 “ 内应力场 ” 中掘进和维护回采巷 道 , 是 实 现 “ 综放 ” 高效安全开采的关键 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 碟炭学报 年第卷 参考文献 宋振骥实用矿山压力控制徐州中国矿业大学 出版社 王安民 , 王庄矿高产高效综采队的实践与认识 煤 , 吴健 、 于海涌回采工作面放顶煤数学模型的建立 一 中国矿业大学学报 , 作者简介 宋振骥 , 男 , 岁 , 中国科学 院院士 , 教授 , 全国政协委员 , 国际岩石力学局成员年毕业子北京矿业学院 , 现 任山东 矿业 学 院矿山压力研究所名誉所长 , 博士生导师先后主持完成了国家 “ 六 五 ”、“ 七五 ” 攻关项目 、 国家自然科学 基金项目等余项 , 其成果先后获国家科技进步 、 煤炭工业部科技进步奖等项曾著有实用 矿山压力 控制等部 专著 , 在国内外刊物上发表论文多篇 山东省泰安市山东矿业 学院 , 邮政编码 陈立 良 , 男 , 岁 , 高级工程师年毕业 于淮南煤矿学校 , 年于淮南矿业学院本科函授毕业现任山东省 煤炭工业管理局总工程师 、 煤炭工业部技术咨询 委员会委员 、 山东省工 程咨询院委员山东省济南市山东省煤炭工业 管理 局 , 邮政编码 、 一 。。。 即 ,。 刀矛 刀 , ,一 , 一,,,