大采高综放开采几个理论问题的研究.pdf

第 3 3卷第 5期 2 0 0 8年 5月 煤 炭 学 报 J 0U RNAL OF C HI N A CO AL S OC I E T Y V0 1 ． 3 3 N 0 ． 5 M a v 2 00 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 5 0 4 8 1 0 4 大采高综放开采几个理论问题的研究 闫 少宏， 尹 希文 煤炭科学研 究总院 开采设计研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 提 出大采高综放 开采的概念 ，对大采 高综放 开采主要基础理论问题如 大采高综放开采 3 - 作面参数的确定、煤壁片帮 冒顶机理与 防治、提 高3 - 作 面煤炭采 出率、大断面高煤帮巷道 支 护、围岩活动规律与特种综放支架研发进行 了探讨，以期推动这一技术的发展． 关键词大采 高综放开采 ；片帮冒顶 ；特种综放支架；采 出率 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 A Di s c us s i n g a bo ut t he ma i n t h e o r e t i c a l p r o b l e m s o f l o n g wa l l wi t h t o p c o a l c a v i n g YAN S h a o h o n g，YI N Xi we n C o a l Mi n i n g a n d De s i g n B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t he n e w c o n c e p t o f l o n g wa l l wi t h t o p c o a l c a v i n g wi t h g r e a t mi n i n g h e i g h t ，s e v e r a l t h e o r e t i c a l p r o b l e ms ，s uc h a s pa r a me t e r s o f wo r k i n g f a c e，me c h a n i s m a n d c u r e o f r i b s pa l l i n g，i n c r e a s e o f r e c o v e r y r a t e，b o l t i n g s u p po r t i n c o a l r o a d wa y wi t h l a r g e c r o s s s e c t i o n，mo v e me n t l a w o f s u r r o un d i n g r o c k，a n d r e s e a r c h o n t h e s p e c i a l c a v i n g s u p po rt，we r e d i s c u s s e d i n o r d e r t o i mp r o v e t h e d e v e l o p me n t o f t hi s t e c h n o l o g y． Ke y wor ds l o n g wa l l wi t h t o p c o a l c a v i n g wi t h g r e a t mi n i n g he i g h t ； rib s p a l l i n g； s pe c i a l c a v i n g s u p p o rt； r e c o v c ry r a t e 1 大采高综放开采 随着对综放开采工艺认识的深入和综采装备的快速发展 ，综放工作 面开采参数 、装备能力 13 渐提高 ， 表 1是 目前国内几个典型特厚煤层综放工作面开采参数与设备配套情况．以上矿井开采实践表明适当加 大综放工作面的回采高度 ，可使采放相对平衡 ；提高煤炭产量及采出率 ；加大工作面通风断面及矿压破煤 作用 ；提高综放开采上 限值 ，为特厚煤层综放开采提供技术支持 ，而这 类煤层在我 国中西部地 区，如山 西、陕西、内蒙 、宁夏、甘肃 、新疆等许多矿区广泛赋存． 借鉴我国大采高综采 、综放开采技术与装备研发成果 ，煤炭科学研究总院北京开采设计研究分院近几 年提出大采高综放开采方法 ，可定义割煤高度 3 ． 5～ 5 ． 0 m的综放开采为大采高综放开采．3 ． 5～ 5 ． 0 m的 采高是在借鉴我国目前综放开采的最大采高为3 ． 5 m、大采高综采的最大采高为 5 ． 5 m的成功实践 ，并考 虑综放开采端面顶煤稳定性控制和设备稳定性 、可靠性而提出的． 采煤高度加大后，综放开采将引起一些技术问题需要解决 ，主要包括大采高综放开采工作面参数的 确定、工作面煤壁片帮冒顶机理与防治、提高工作面煤炭采出率、大断面高煤帮巷道支护、围岩活动规律 研究与特种综放支架研发 ，本文将 阐述对上述技术 问题研究的一些观点． 收稿 日期 2 0 0 7 1 1 一 O 5 责任编 辑 柴海涛 作者简介 闫少宏 1 9 6 6 一 ，男 ，陕西武功人 ，研究员 ，博士生导师．T e l 0 1 0 8 4 2 6 1 5 8 6，Em a i l y s h 2 8 6 3 v i p ． s i n a ． c o n 维普资讯 4 8 2 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 2 大采高综放开采几个基础理论问题 2 ． 1 大采高工作面开采参数 的确定 大 采高综 放工 作 面开采 参 数 主要 包括 采放 比、工作 面 长度、工作面巷道尺寸． 采 放 比的确定 主 要是 确定 采高 的上 限值 ，即采煤 机最 大 割煤 高度．确定 此 值 除要考 虑 采煤机 的采 高外 ，主要研 究 在 给定煤 层条件 下煤 壁易 发生 片 帮 冒顶 的极限高度．图 1 ，2是 对 某 矿不 同采 高 时 煤 体应 力 、 支承压 力、煤 壁水 平位 移 的计 算结 果 ，可 以看 出，当采 高达 到某一 临界值 时 ，煤壁应 力 由 剪应 力 向拉应 力过渡 ，支 承应 力和煤壁水平位移增 幅减缓， 这一 临界 高度 易于发 生 片帮 冒 顶 ，应 为大采 高 综放 开采 的最 大采高． 分析 图 2可 以得 知 ，随采 高增大，煤壁破坏程度也趋于 图 1 不同采高时超前支承压力与煤壁水平位移 Fi g ．1 Fr o n t a b ut me nt a nd d i s pl a c e me nt o f wa l l wi t h d i f f e r e nt mi n i n g he i g h t 采高 4 ．0m 采高 4 ． 5 m 水平 、垂直剪应 力 水平 、垂直剪应力、 垂直拉应力 垂直剪应力 垂直剪应力、拉应力 水平拉应力， 垂直剪 应力 、拉应力 水平、垂直拉应力 垂直拉应力 水平 剪应力 水 平、垂直剪应 力 水平剪应力， 垂直 剪应力、拉应力 水平 、垂直剪应力 、 拉应力 垂育剪应力 垂直剪应力、拉应力 水平拉应力， 垂直剪 应力、拉府力 水平 、垂直拉应力 垂直拉应 力 图2 不同采高时顶煤和煤壁破坏状态 F i g ． 2 T h e p l a s t i c s t a t e o f t o p c o a l a n d w a l l w i t h d i f f e r e n t mi n i n g h e i g h t 严重．采高小于4 ． 0／13 时，煤壁不存在拉伸破坏，而超过 4 ． 0 IT I 时，煤壁出现拉伸破坏，且随着采高继续 增大，拉伸破坏范围越大，表明煤壁片帮将愈发严重．因此， 4 ． 0 m为该矿综放开采临界机采高度． 合理工作面长度的确定应在研究工作面设备系统开机率的基础上，根据工作面设计产量、工作面采高 进行确定．其关键是研究工作面设备系统的开机率，可采用理论与统计相结合的研究方法． 工作面巷道尺寸的确定应考虑运输、端头支护与通风要求． 维普资讯 第 5期 闫少宏等大采高综放开采几个理论问题的研究 2 ． 2 大采高综放开采工作面煤壁片帮机理与防治 大采高综放工作面将更易于发生煤壁片帮冒 顶 ，尤其对于松散破碎 的煤层 ，可采取合理支 架结构并配合有效 回采工艺进行防治． 用 F L A C 。 。 数值模拟软件对某矿煤体应力进 行计算后 ，为了定量研究煤壁 片帮机理 ，将煤 壁视为上端为简支 、下端为 固支 的杆进行 近似 变形量化计算 ，如图 3所示 ，得 出煤壁的最大 变形点在上端 0 ． 3 5 h处 ，说 明大采高工作面煤 图3 压杆的受力模型 F i g ． 3 T h e mo d e l o f s u p p r e s s e d s h a f t i 壁发生片帮 冒顶的机理是在采动应力作用下 ，煤壁先发生较小的挠曲变形 ，达到极值时，将在煤壁上部 0 ． 3 5 h处产生破裂 ，之后煤壁全部片落 ；而对于竖向裂隙发育或在压应力作用下有 明显竖向裂 隙的煤壁 ， 一 旦 有外 力 挠 动，将 发 生煤帮的整体片落．图 4 为某 矿 大采高 工作 面煤 壁片帮冒顶的实测结果． M FP 一 Mo x ／ h， 其中， 为 截 面形 心 的弯距 ，N m；F 为煤 壁所 受 垂 直 方 向 压 力 ， 图4 某矿大采高工作面煤壁片帮冒顶 N； 为煤 壁 挠 度 ，m； F i g ． 4 T h e d e s c r i p t i o n o f r i b s p a l l i n g i n f u l l y m e c h a n i z e d m i n i n g f a c e w i t h g r e a t m i n i n g h e i g h t 为煤壁 固定端力矩 ，N n l ；h为采高 ，n 1 ．再 由 M 一 E ” ， 得微分方程 ” F Mo x ／ h ， 该方程 ， |，、 解为 C 】 C O S K xC 2 s i n K xMo ／ F h ．由边界条件 当 0时 ， 0 0 ；当 h时 ， 0 ， U ， ． 得到 I 孚 1 ． 0 2 s i n f 4 ．4 4 9 善1 l ， 当s i n 4 ． 4 9 x ／ h 1 时， 取最大值， 求得 0 ． 3 5 h ． ， P L凡 ＼h ／ 该式表明，当边界条件为一端铰支、另一端固支时，煤壁侧向变形曲线为类似正弦半波，其侧向位移 最大值点距煤壁顶端 0 ． 3 5 h 处．文献 [ 1 ]分析了影响综放开采煤壁片帮冒顶的4个可控因素，即端面 距、垂直作用力 、水平作用力和支架合力作用点距煤壁距离 ，提出改善端面片帮冒顶的途径 ，应从这 4个 因素人手设法提高无立柱空问顶煤的稳定性 ① 设计合理的支架结构；② 工艺上要求采煤机过后即时移 架、擦顶移架，使无立柱空问及时全封闭．支架护帮机构的高度应不小于采高的0 ． 3 5 ． 2 ． 3 提高工作面煤炭采出率 综放工作面煤炭损失由3部分组成，即初末采损失、两面端头不放煤损失以及工艺损失．原煤炭工业 部放顶煤专家组 对我 国 3 1个长壁放 顶煤工作 面采 出率统计 表明 J ，工艺损失 占工作面煤 炭总损失 的 6 4 ％，初末采占总损失的 1 1 ． 2 ％，两端头占总损失的 1 5 ％．提高采出率应从以下 3 个方面着手① 减少 两端头煤炭损失，应设计端头放顶煤支架；② 减少初末采损失，应尽可能使支架过了开切眼后，顶煤及 时垮落并尽早放煤．可采取工作面装备完成后 ，对顶煤体提前拉槽爆破．末采线尽可能缩短；③ 减少工 艺损失，除优化放煤参数与工艺外，大采高综放支架更应具有特种放煤机构以适应厚顶煤体的冒放特征． 图5 为顶煤体的冒放过程．可以看出，顶煤体的放出是由支架放煤 口 逐渐向外发展的，放煤半径逐渐 扩大 ，2个放煤拱脚依次 向支架掩护梁上方、采空区方向扩展 ，这是在井下现场实际观察到的放煤过程 ， 也是我们研发具有特种放煤机构综放支架的基础． 可 以看 出，当上拱脚移到支架小插板之上时 ，小插板即使向上摆动也难以打破放煤过程中所形成的拱 式平衡结构，使得此平衡拱之上的顶煤体难以垮落而放出，显然丢煤很多，特别是顶煤厚、块度较大时， 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 图5 顶煤破碎与顶煤块度较大时的垮落情况 F i g ． 5 T h e f a l l i n g o f c r a c k e d t o p c o n a n d c l o t t y t o p c o n 因此这类煤层的综放支架必须具有 可 随时打破放落顶煤体所形成平衡 拱 的拱脚的能力．可从 2方面考虑 支架放煤 的破拱机 构 ① 将掩 护 梁设计成可摆 动结 构 ；② 增加 从 掩护梁天窗中伸出的扰动机构． 2 ． 4 大断面高煤帮巷道锚网支护 锚 网支护对于综放开采实现高 产高效的意义是显而易见 的．大采 高综放开采 ，两巷道的断面将达到 2 0～ 2 5 m ，煤帮高度将达到约 5 ． 0 m，显然支护难度 明显增加．文献 [ 3 ，4 ]中介绍了类似巷道采用高强度 、高刚度 、高延伸率 、低密度实现一次支护的实例 ，是很好 的技术 途径 ，但笔者认为有 2个 问题在锚 网支护设计时应予考虑 ① 在进行支护强度设计时，除考虑巷道在掘 进与 回采期 间内不垮落外 ，还应考虑随工作面推进后 ，两巷道尾巷不能滞后垮落距离过长 ，以免形成过长 的进风通道 ，或有垮落但不充分而形成垮落空洞造成瓦斯聚集．现场有的矿井采取堵土袋墙 以防向采空区 漏风 ；有的采取化学材料充填以防瓦斯聚集．② 工作面内帮锚杆应具有可切割性 ，以便采煤机容易作业． 2 ． 5大采高综放支架的研发与围岩活动规律 大采高综放支架是这一采煤方法的关键设备之一 ，研发时应重点考虑以下几个 问题 ① 支架应具有 特种放煤机构 ，上面已作详述．② 支架应具有特种 的护帮机构．③ 支架应具有好 的稳定性 ，特别是具有 抗侧 向偏载的能力．④ 支架 的支护强度应予提高．几个采高为 3 ． 0～3 ． 5 m的准大采高工作 面的实测表 明 ，加大采高后 ，围岩活动范围在工作面横 向、纵 向明显扩大 ，矿压显现明显加剧 ，支架工作阻力明显加 大 ，因此大采高工作面支架工作阻力应加大． 对于大采高综放开采围岩活动规律的研究应着眼以下问题 ① 应抓住采高、顶煤厚度、煤体强度、 采深、工作面推进度对围岩活动规律的影响．② 应进行大采高综放开采围岩三维空问结构的形成与破坏 规律的研究，充分考虑工作面长度对于围岩活动规律的影响．③ 支架工作阻力的确定除要计算其大小外， 还要研究围岩合力作用点的范围，以确定支架立柱的排列尺寸．④ 顶煤体运移规律 的研究要 观测水平和 垂直位移 ，并研究这些位移随工作面推进的变化规律 ，为顶煤体 冒放性 、支架工作阻力 的研究提供基础． 3 结 语 将割煤高度在3 ． 5 - 5 ． 0 m的综放开采称为大采高综放开采．对大采高综放开采的基础理论问题，如 大采高综放开采工作面参数确定、工作面煤壁片帮冒顶机理与防治、提高工作面煤炭采出率、大断面高煤 帮巷道支护、大采高综放支架的研发、围岩活动规律研究提出了笔者的观点． 参考文献 [ 1 ] 闫少宏，富强．综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用 [ M] ．北京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 3 ． [ 2 ] 煤炭工业部综放专家组．综采放顶煤开采 回收率调研报告 [ R] ．1 9 9 6 ． [ 3 ] 康红普．复杂地质条件下的矿山巷道支护理论与技术 [ A] ．中国岩石力学与工程世纪成就 [ c ] ．南京河海大学出 版社 ，2 0 0 4 ．7 5 6～ 7 7 2 ． [ 4 ] 林健． 高强度高刚度强力锚固支护体系在深部高应力软岩巷道的应用研究 [ J ] ．煤矿开采，2 0 0 6 6 5 0 ～ 6 2 ． [ 5 ] 李明忠，曾明胜．大采高放顶煤液压支架设计研究 [ A ] ．地下开采现代技术理论与实践新进展 [ c ] ．北京煤炭工 业出版社，2 0 0 7 ．3 4 8～ 3 5 4 ． 维普资讯