简易支架放顶煤开采安全性与约束条件分析.pdf

★ 科技创新 ★ 简 易 支 架 放 顶 煤 开 采 安 坌 性 与 约 束 条 件 分 析 李俊斌 淮 南矿 业 集 团公 司生产 技 术部 ， 安徽 省 淮 南 市 ， 2 3 2 0 0 1 摘要提 出了简易支架放项煤安 全 高效开采的约束条件 ， 从 其采煤 方法的 实质 及选择 、 项板类别及其控制 、 工作 面开采、 控项距 的选择 与确 定、 放 煤 方式 以及 放煤 口控 制与 管理等 方 面阐述 了这 种采煤方 法的安 全性 。 关键词 简 易支架放项煤约束条件安全性分析 简易支 架 放顶 煤 开采 是 在 综 放 推 广应 用 过 程 中 ， 我 国一些矿 区或矿 井 为 了减 少 矿井 或工作 面 初 次设备投资 ， 提 高单 产而 开 发出 的一种 综采 形式 非 综采化支护 的新 型 采煤 方法 。该 方法一 经 面世 ， 就 显示 出与综放 相似 的低成本 、 低消耗 、 低投人和经济 效益较好 的优点 ， 特别 是对 不稳 定厚 及 中厚煤 层 以 及边 角块段等 ， 有 其 独特 的开 采优 势 。但 同时也显 示 出与综 放开采相似 的生产和安全 问题 。 1 偏差 与误 区 1 ．1 采煤 方法的选择 在采煤 方法 的选 择 中只注重 对煤 层厚 度 、 倾 角 等 的分析 ， 不清楚煤 层 厚度 仅仅 是作 为某 一块 段能 否进行放顶煤 开采 的一个 前 提条 件 ， 忽 略 了工作 面 生产技术 条件和 围岩岩性组 合等条件 。 1 ．2顶 板 组 合 结 构 注重对煤层 冒放性 、 煤层厚度 、 煤层倾 角等的分 析 研究 ， 而 对开采煤层 的围岩性 质 ， 尤其是 对顶板组 合结构 的分析重 视 不够 ， 认 识 上不 到位 。注重 对顶 板组合结构的分析 ， 而对工作 面控顶区内的煤顶管 理控制难度估计 不足 ， 管理跟不上 ， 措施不得 力。 1 ． 3顶 板 控 制 主要是 凭 以往 已回采 的经验和对其顶板垮 落规 律的了解来指导生产 ， 没有考虑到放顶煤回采工作 面因其有一定 厚度 的顶 煤 ， 已使 开采 技 术条 件 发生 了变化 ， 对 因变化 所带 来 的管 理工作 上 的差 异认 识 不足 ， 仍按 老套路进行顶 板控制 。 1 ． 4工 作 面 支护 简 易支架 放顶 煤开 采安全 性与 约柬 条件 分析 1 对工作面支 护强 度 和密 度不依 据 生产技 术 条件进行科学合 理 的计 算 ， 按 照 常规 和思维 惯性 来 选择工作 面支护形式和支护参数 。 2 认为工作 面支护控 顶距 固定 ， 不能像普通工 作 面那样随开采条件 的变化增加 梁柱 以加强工作 面 支护 ， 担 心支护强度不足 。另外 ， 对 因放顶煤可能会 造成 工作 面顶板或 顶煤 的抽 冒 ， 带 动支架 失稳 而 引 发 冒顶事故 心中无数 ， 防范措 施不力 。 1 ． 5工作 面开采 1 过于注重采放 比， 人为控制工作面采高而留 有一定 厚度 的顶煤 ， 其 目的是为 了放顶煤 ， 没有考虑 到采放 比不仅要兼顾 到提高顶煤放出率， 还要满足 通风 、 行人 以及维护设备 的要求 。同时 ， 不论采用何 种采煤方法 ， 其 目的都是 为 了最大 限度 地满 足提 高 单产和提高煤炭资源采出率。 2 对工作面 上下安 全 出 口严 禁 放顶煤 理解 不 透 ， 认识上有偏差 ， 现场执行不力 。 3 认为伪俯角度越大越好 ， 这样可以人为降低 工作 面的角度 ， 或 者是 单纯 地认 为伪 俯斜 开采 是 为 了抑制顶煤 或顶 板抽 冒 ， 没 有考 虑 到伪俯 斜开 采 的 实质是 借助于工作 面煤 壁 的部分 支撑 力 ， 以提高 整 个支 护系统 的支护 强 度和 工作 面支架 的稳定性 ， 使 工作 面煤壁 、 顶 煤或 顶板 以及 面 内支护 系统 三者 之 间有机地联 系起来 ， 相辅相成 、 相互依 托 、 互为补充 。 同时有效地 抑制因放顶煤而造成 向工作 面控 顶区 内 的顶煤 或顶 板 的抽 冒。 1 ． 6放 煤 方 式 采用分段 间隔多轮 次放煤 ， 见煤就 放 ， 或简 单地 35 维普资讯 认为放煤点是可 以随机 选择 的 ， 没 有考 虑 到这种 方 式对工作 面 的顶 板及 顶 煤将 产 生 多 次 重 复扰 动 影 响 ， 对工作面支护 系统及顶板控 制极为不利 。 2认识与评价 2 ． 1 简易支架放顶煤 采煤法的 实质 与选择 简易 支架 放顶煤 是综采形式非综 采化支护 的新 型采煤方法 ， 是建立在传统炮采工艺的基础上 ， 利用 了炮采工艺 的主要设 备 单 体液 压支 柱 、 金属 铰 接顶 梁 、 工作面输送机 或搪瓷溜槽等 ， 只是将金属铰 接顶梁更换 成 型 钢梁 或带 有行 走机 构 的长钢 梁 。 工作 面运输 巷 、 回风巷和切眼均沿煤层 底板布置 ， 采 煤方 法 由厚及 中厚煤层走 向长壁式分层开采 变为一 次采 全高 。 淮南 矿 区 自 1 9 9 8年推 广应 用简 易 支架 放顶 煤 开采技术以来 ， 至 2 0 0 2 年末仅发生了2起 冒顶伤亡 2人 的顶板事故 。2起 顶板 事故均 是 因为 回采块 段 的顶板坚硬 ， 易形成 悬顶 ， 难 以 冒落 ， 顶 板组 合结 构 不适宜而违规采 用 了放顶煤采煤 而导致 的 。血 的教 训充分地说 明了在选择 放 顶煤 时 ， 除 了要 看煤层 赋 存条件如煤厚 、 煤层倾 角如何 外 ， 更要分析其顶板组 合结构是 否符 合规定要求 ， 对于 中硬 、 坚硬等易于大 面积悬顶 不 冒的顶板 ， 选择采煤方法 时要慎之又慎 。 根据淮南煤 矿近年来 的经验 教训 以及开采技 术的发 展 ， 对于不适合采用 简易支架放顶煤 采煤法 ， 同时又 不宜选用分层 开采 的块段 ， 一般 采用 大 采高 卧底煤 一 次采全 高的方法 。 2 ． 2对 顶 板控 制 的 认 识 1 顶 板类别 。放顶煤工作 面 回采 ， 由于其必有 一 定厚度 的顶煤 ， 通 常厚度 大于 1 ． 0 m 以上 ， 从顶板 控制的角度 出发 ， 这 层顶 煤 可视 为伪 顶并认 为 是伪 顶较厚 ； 其 二 是煤层 硬 度 f 1 ， 一般 低 于其 上覆 岩 石的硬度 ， 回采时易离层 ； 加之开采煤层 大多含有夹 矸 并存有薄层 弱面 ， 因此 ， 放顶煤工作 面顶煤 和顶板 的组合具 备 了复合 顶板 的“ 软 、 弱 、 薄 ” 3大特 点 ， 其 顶板类别应该 为复合顶 板 。 2 顶板控制 。放顶 煤工作 面的顶板控 制 ， 主要 是对复 合顶 板 的管 理 ， 即清 、 严 、 防 、 伪 、 矮 、 稳 、 宽 、 远 、 监 、 灌 1 0项 管理措 施 。其 中伪 俯斜 开采 在复合 顶板管理 中是 尤为重要 的。 3 伪俯斜开采 的技 术 关键 在 于对伪 俯 角度 大 小 的控制 。相对 于 每一 个具体 的工作 面 ， 其需 要控 制的伪俯角度大 小是 不一 样 的 ， 要在 实践 中不 断地 3 6 摸索 总结。通常 ， 宏观上判别其控制是否合 理 ， 主要 有 2条 其一是煤 壁不片帮 ， 第 二是顶煤放得净 。 2 ． 3对 工作 面 开 采 的 认 识 1 回采 原 则 。一 般 来 说 ， 对 于 局 部 煤 厚 在 2 ． 5 m以下的工 作 面采 用放 顶煤 开 采 时 ， 以采为 主 、 不放 顶煤 ； 煤 厚在 2 ． 5 ～3 ． 5 m 之间 的中厚煤层 ， 以 采 为主 、 以放为辅 ； 煤 厚在 3 ． 5 m 以上 的厚煤层 ， 以 放 为主 、 采放 并举 。 2 工作 面上下安全 出 口。工作 面上 、 下安全 出 口是 回采工作面 的咽 喉要 道 ， 通 常情况 下是 严禁进 行 放顶煤工作 的 。但 在实 际工作 中 ， 现 场人 员往 往 对此执行 不严。一个 回采工作 面假如其 上顺槽 上方 是实碴 ， 单纯地从 回采 的角度 出发 ， 是可 以进行 放顶 煤 的 ， 而从有利 于工作 面上隅角瓦斯管理来看 ， 则不 放顶煤 为佳 ， 利用 工作 面上 隅角 顶煤能 充 分 冒落并 充填其空 间 ， 解决 了因高瓦 斯工 作 面上隅 角 冒落不 充分而 造 成瓦 斯 积 聚这 一 难 题 。工 作 面 下 安全 出 口， 倘若在严格控 制好 放煤 量并 能有 效地 抑制住 因 放顶煤 而造 成 向工 作 面控 顶 区 内的抽 冒 的大前 提 下 ， 是 可以进行 放顶煤工作 的。 2 ． 4控 顶 距 的 选 择 依 据 与 确 定 由于放顶 煤工作 面有 一定厚度 的顶 煤和 顶板 ， 加之 放顶煤开采 工艺 本身 要求 反复移 梁 支柱 ， 反 复 支撑破坏 了工作 面 的顶板 或顶煤 ， 可 以将 其 被破 坏 的顶板或顶煤结 构理解为破碎顶板 。对 于普通 铰接 顶梁单体液 压支柱工作面 ， 在 破碎顶板条件下开采 ， 其控顶距按 3～4排 管 理 ， 也 可采 用 4～5排控 顶 。 经分析 比较 ， 认 为不宜采用 4 ～5排 而选用 3 ～4排 ， 原 因是 4 ～5排 支护控 顶 ， 虽 然作业 空 间大 ， 但需 要 反复摘 柱 、 支 柱 ， 工作 量 大 ， 不利 于操作 ； 3～4排 支 护控 顶操 作较为方便 ， 支 回相对简单 ， 因此普 通绞接 顶梁单 体液压支柱工作 面多选 择 3 ～4排管理 。 简 易支架放 顶煤 工作 面 支 护形式 ， 实质 就 是 3 ～ 4排 控顶 管理 的普 通 工作 面 ， 只是 将普通 工作 面 金属 铰接顶梁更换为 2 ． 4 m 或带 有行 走机构 的长钢 梁支护 。既然常规 普通 工作 面 回采破 碎顶 板时 ， 采 用 3 ～4排控 顶有利于安全生产 ， 简易支架放顶煤工 作面也应 当是 这样 。据 此 我们可 以说 ， 简 易支 架放 顶煤工 作面现行 的支 护形式 、 支护 强度 以及控 顶距 是符 合有关 安全技术 管理规定 的。 2 ． 5放 煤 方 式 对 顶板 控 制 的 影 响 分段 间隔多轮次放煤对工作 面顶 板及顶煤 将产 生多次重 复扰动 ， 其扰 动影响的范 围、 程度与开采煤 中 国煤 炭第 2 9卷第 1 1期 2 0 0 3年 1 1月 维普资讯 层 的厚度 、 倾角 以及 煤层 的冒放性 等 有关 。据现 场 观测 ， 工作 面某处放顶煤时 ， 放煤对工作 面的顶板 以 及顶煤 的影 响范 围一 般 为放 煤点 往 上 5 ～ 1 0 m， 向 下 1 ～3 m。但 为 了提 高工作 面 煤 炭资 源采 出率 而 加密布置放煤点 进行 放顶 煤 时 ， 其工 艺本 身 势必会 对工作 面顶板 以及 顶煤形 成 反复 扰 动与破 坏 ， 恶 化 了工作 面的顶板及顶煤条件 。因此在作业 规程 和措 施中对 放煤点 的间距做 出具 体 规定 ， 并 做 好现 场试 验和矿 压观测工作 ， 以取 得不 同开 采技 术 条件下 的 合理放煤点 间距值 。 2 ． 6放煤 口控制 与管理 1 采取分段 间隔多轮次 的放煤方式 ， 低位剪 网 放 煤 ， 放煤 口位 于底 板上方 0 ． 3 ～0 ． 5 m 之 间 ， 规 格 0 ． 30 ． 3 m， 放煤 前要认真整理 好支架规格 。 2 工作 面只准有 2 ～4个 放煤 口同时放 煤 ， 其 间隔保持在 1 5 m 以上 。同一 放煤 口上 、 下开 口间距 为 1 ． 0 ～1 ． 5 m。同一 作业 段严禁 采放 同时作业 ， 采 放 间距必须保持 在 5 0 m 以上 。 3 放顶煤时要控 制放煤量和放煤 时间 ， 实现均 匀放煤 和顶 板的均衡下落 。放煤过程 中必须 有专 人 监护 。煤放净后 ， 必须及时补 网 ， 堵好放煤 口。 4 对 于煤 层 倾 角大 于 2 0 。 的简 易 支架 放 顶 煤 工作面 ， 采用 由上往下 的顺序放 煤 ， 若 采取 由下往上 的放煤顺 序 ， 则后 一 个放 煤 空穴会 被前 一 个放 煤空 穴 中的矸石填塞 而充满 放煤 口， 煤炭不 易放 出 。 5 将 放 煤 口布置 成 三 角 形 式 ， 可 以减 少 死 角 煤 ， 增 加顶煤放 出量 。 3 约束条件 3 ． 1 约束条件 与 煤矿安 全规程 中有 关条款 内容 简易支架放顶煤工作 面安全高效 开采的约束条 件 是 一般适用 于煤层倾角在 4 5 。 以下 ， 煤厚在 3 ． O m 以上的煤层 ； 工作 面 的顶板 类别 要求 是 I级 1类或 I级 2类或 Ⅱ级 2类 ， 其 直接顶可 随采 随 冒， 厚度 不 得低于 1 ． 5 m；必须是 非突 出煤层 或 突出煤层 无突 出危 险块段 。 2 0 0 1 年新版 煤矿安全 规程 中第 6 8条第 2款 规定 以下简称“ 第 2款 ” ， 放顶 煤工 作 面必 须符合 以下 条件 1 无煤 岩 与瓦斯 二 氧化碳 突出危险 性 ； 2 顶煤和煤层顶板能 随放煤 即行垮落 或在采取 预裂爆 破等措 施后 能 及时垮 落 ， 且 顶板 垮 落充 填采 空 区的高度大于采放 煤高度 。 3 ． 2 对约束条件 的认 识 简 易支架 放顶 煤开采 安全性 与 约束条 件 分析 第 2款 以及约 束条 件 中都 明确 规定 有 突 出危 险性 的煤层 不得进 行放 顶煤 工作 ， 但 通 过采 取 消突 措施将 突 出转化 为非 突 出后 的煤层 ， 则 可 以进 行放 顶 煤开采 。第 2款 中的第 2条 ， 说 的是 顶煤 以及煤 层顶板 的冒放性 如何 ， 并 且 垮落 后顶 板要 能够 充满 采空 区 ， 而约束条 件 中则 对 直接 顶板 和基 本顶 板 的 分类分级 以及直接 顶板 的 冒落情 况 、 厚度 都作 了具 体 的规 定 ， 同第 2款表 达 的 内容 基本 相 同。开采 煤 层 的顶 板组合 结构 以及煤 层和 直接 顶板 的 冒放性 ， 其对能否进行放顶煤 开采至关 重要 。约 束条件 中第 3条 对煤 层倾 角亦 进 行 了规定 ， 一般来 说煤 层倾 角 越大， 工作面支护强度和工作面支架稳定性就会随 之下降 。其 他矿 务局 在 这个 问题 上规 定 ， 放顶 煤工 作 面煤层 倾角不得大于 2 5 。 。淮 南矿 区 自 1 9 9 8年 引 进该 采煤法后 ， 大胆 改革 ， 不断创 新 ， 已将 开 采煤层 的倾角扩大 到 4 5 。 ， 局 部可达到 7 5 。 。 3 ． 3解释 说 明 1 对 直接顶厚度规定 为 1 ． 5 m， 主要是考 虑到 放顶煤工作面基本采高 2 ． 0 m， 加之放顶煤使实际 采高达 3 ． 0 m 以上 ， 直接顶板 冒落碎涨 至少要 堆积 到单体液 压支柱 的肩窝 以上 ， 方 可保证 工 作 面 的安 全生产 。需要指 出的是 当直接顶厚 度 1 ． 5 --2 ． 5 m 时 ， 工作面 初 采期 间严 禁放 顶 煤 ； 当直接 顶 厚 度 在 2 ． 5 m 以上 ， 初 采 阶段可 视 现场情 况 酌情 进行 放 顶 煤工作 ， 以提 高煤炭资源采 出率 。 2 开采煤层倾角在 2 5 。 --4 5 。 范 围的块段 ， 采前 必须进行 可行性论证 。 3 简易支架放顶煤工作面长度不宜过长， 一般 控制在 1 0 0 m 以内。开采煤层倾 角在 3 5 。 ～4 5 。 的工 作面 ， 其面长控制 在 6 0 m 以下 。 4 淮南矿 区具备 放顶煤 开采 条件 的煤 层多 为 双突煤层 ， 而在 突 出煤 层 中是严 禁 放顶煤 回采 工 作 的。为此必须对开 采煤 层 采取 消突处 理 ， 使之 由突 出煤层转化 为非突出煤层 ， 然后再实施放顶煤 开采 。 参 考 文 献 1 宋振骐、 陈立 良、 王春秋等 ． 综采放顶煤安全开采条 件的认识 [ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 5 4 3 5 6 ～3 5 9 2 唐永志、 邵洪杰 、 时应 宏． 型组合钢梁 简易放顶煤 工艺在 4 4 1 1 7工作面的应用 [ J ] ． 煤矿开采增刊， 2 0 0 1 3 2 ～ 3 4 3 李俊斌、 张振、 熊晓英． 淮南矿 区大倾角煤层采煤方 法再探 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 0 3 5 - 3 1 --3 3 3 7 维普资讯