我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨.pdf

第 3 3 卷 第1 期 煤炭科学技术 2 0 0 5 年 1 月 我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨 王 家 臣 中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 摘要系统总结 了综放开采技术在我国2 0余年来取得的主要成就，以及在相关问题上的结论和 认识，提 出了综放开采下一步应继续加强的理论和技术研究问题，最后提 出了结合放顶煤开采特 点，应该在煤与瓦斯共采、离层注浆和冲击矿压等方面进行深层次研究。 关键词综放开采；发展探讨；高产高效； 矿山压力；瓦斯运移 中图分类号T D 8 2 3 ． 4 9 文献标识码A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 5 0 1 0 0 1 4 0 4 Fu l l y me c ha n i z e d i o n g wa l l t o p c o a l c a v i n g t e c h n o l o g y i n Ch i n a a n d d i s c u s s i o n o n i s s u e s o f f u r t h e r d e v e l o p m e n t WAN G J i a e h e n C h i n a U n i v e r s i t y o fM i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e q i ，1 0 0 0 8 3 ， Cha Ab s t r a c t T h e p a p e r s y s t e ma t i c a l l y s u mma r i z e d t h e ma i n a c h i e v e me n t s o f the f u l l y me c h a n i z ed l o n g wall t o pc o a l c a v i n g t e c h n o l o g y i n p a s s e d 2 0 y e a r s i n C h i n a a n d the c o n c l u s i o n a n d u n d e r s t a n d i n g o n t h e r e l a t e d i s s u e s ．Th e p a pe r p r o v i d ed t h e i s s u e s o f the t h e o r e t i c al a n d t e c h n i c al res e a r c h e s t o b e s t r e n g t h e n e d i n t h e n e x t s t e p f o r the f u l l y me c h a n i z ed l o n g w all t o p c o a l c a v i n g t e c h n o l o gy．I n c o mb i n ed wi th the c h a r a c t e r i s t i c s o f the t o p c o a l c a v i n g，the p a pe r fi n a l l y p o i n t e d tha t the c o a l mi n i n g wi th g a s d r a i n a g e，g r o u t i n g i n s e p a r a t ed s t r a t a an d s t r a t a b u mp i n g s h o u l d be f u r t h e r r e s e a r c h e d ． Ke y wo r d s f u l l y me c h ani z e d l o n g w a l l t o p c o al c a v i n g mi n i n g；d i s c u s s i o n o n d e v e l o p me n t ；h i s h p r o d u c t i o n and h i g h e ffi c i e n c y；s t r a t a b u mp i n g ；g as mi g r a t i o n 1 综放开采技术在我国的应用和发展 自从 1 9 8 2年综放开采技术引入我国以来，至 今已有 2 0余年的时间。在此期间，综放开采技术 在我国获得了巨大发展 ，已经成为我国煤炭开采技 术近 2 0年来取得的标志性成就 ，也为煤炭企业渡 过 2 0世纪 9 0年代中后期困难阶段 ，走出低谷作出 了重要贡献。众所周知，综采放顶煤技术于 2 0世 纪 6 0年代始于欧洲，当时主要用于边角煤和煤柱 开采 ，最高 月产 只有 4 ． 9 6万 t 法 国的布 朗齐 矿 ，并未将这项具有巨大潜力的开采技术进一步 发展。到 1 9 9 2年 ，除中国外世界上最后一个综放 面在俄罗斯停采 ，至此 ，我国成为了世界上唯一应 用长壁放顶煤开采技术的国家。 我国在 1 9 8 4年运用国产综放支架装备 了第一 个缓斜综放工作面，但效果并不理想，后来转向了 急倾斜分段综放试验，取得了成功。1 9 8 7年以后， 综放技术开始在缓倾斜软煤以及中硬煤中进行试 验，到 1 9 9 0年已经达到了工作面月产 1 4万 t 的水 1 4 平。1 9 9 0年以来 ，是综放开采步入迅速发展阶段。 主要成就表现在以下 5个方面 1 在条件适宜矿井，综放开采技术 的应用 范围迅速扩大 ，综放面的产量迅速提高 ，从 1 9 9 0 年的年产百万吨水平 提高到 1 9 9 8年的 5 0 0万 t 水 平 ， 2 0 0 2年的6 0 0万 t 装备与技术等。 2 难采厚煤层的综放开采技术取得了突破 性进展。如在煤与瓦斯突出厚煤层；煤与顶板坚硬 的 “ 两硬”厚煤层 ；大倾角厚煤层；煤层 、顶板 、 底板极软的 “ 三软”厚煤层 中，均成功地进行 了 综放开采技术试验研究与推广应用，取得 了良好效 果 ，并形成了针对一些特殊复杂条件综放开采的专 有技术。 3 轻型支架 支架重量小于 8 t 的综放开 采技术得到广泛应用。在一些井型较小、可连续开 采的块段小 、倾角较大 、对产量要求不高等工作 面，广泛应用 了轻型支架 ，其工作面年产量一般介 于 5 O一 1 0 0万 t 。轻型支架综放开采技术的应用也 与 2 0世纪 9 0年代中后期煤矿企业效益不好有一定 维普资讯 第 3 3 卷 第1 期 煤 炭科学技术 2 0 0 5 年1 月 关系。 4 基础理论研究取得 了重要进展。为了适 应放顶煤开采工程实践迅速发展的需要 ，国内许多 煤炭高校、研究单位及煤矿企业均开展了放顶煤开 采的相关基础理论研究，如在矿山压力规律与围岩 控制 、顶煤破碎机理 、支架与围岩关系、顶煤放出 规律 、瓦斯治理 、火灾与防尘等方面均有较深人研 究 ，国家 自然科学基金委于 1 9 9 8年将 厚煤层全 高开采方法基础研究作为重点项 目进行资助， 促进了放顶煤开采相关基础理论的研究与发展。 5 人才队伍迅速壮大。在我国综放开采技 术发展的 2 0余年时间里 ，尤其是 1 9 9 0年以后 ，涌 现出了许多研究综放开采技术相关问题的学者 、专 家、工程技术人员及管理者，许多工程技术人员在 放顶煤开采方面都具有独特的认识与观点。在全国 范围内形成了具有高水平的研究、设计 、生产和管 理队伍 ，为放顶煤开采的深入发展奠定了基础。 2 对综放开采的基本认识 综放开采与单一煤层开采的差异就是一次采高 成倍增大，支架上方存在着一层破碎的、强度低的 顶煤 ，因此采场上覆岩层及其结构所形成的载荷需 要通过直接顶传递给顶煤，然后再施加到支架上 ， 顶煤起到了传递上覆岩层载荷的媒介作用，如图 1 所示。 1 支承压力分布。在相同地质 、岩层等条件 下 ，与单一煤层开采相比，综放开采的支承压力分 布范围大，峰值点前移，支承压力集中系数没有显 著变化 图2 。这就导致工作面两巷受采动影响 范围大，超前加强支护距离长。煤层愈软、愈厚 ， 支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远。 图1 综放采场围岩支撑系统 图2 综放与单一煤层开采的支承压力分布 2 综放面支架工作阻力不大于单一煤层工 作面的支架工作阻力。综放面的初次来压、周期来 压规律同样存在，来压强度与单一煤层开采大体相 当。综放采场矿压显现程度不仅取决于上覆岩层的 活动 ，也取决于顶煤的破碎状况及其刚度大小。支 架上方破碎的顶煤，由于进入了塑性状态 ，具有较 小的刚度 ，岩层活动压力向煤壁前方迁移 ，同时也 可缓冲基本顶来压时的动载作用，因此，虽然放顶 煤开采的一次采高增大 ，但工作面矿压显现并不强 烈 ，见表 1 。 表 1 淮北朱仙庄矿预采顶层轻放面和一次采全高轻放面矿山压力显现比较 3 支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力。 放顶煤工作面综采支架前柱的工作阻力普遍大于后 柱 ，一般为 1 0 ％ 一1 5 ％ ，最高的可达到 4 0 ％。具 体情况与顶煤的硬度和冒落形态有关。对于软煤而 言，顶煤破碎和放出较充分，支架顶梁后部上方的 顶煤较少，不利于传递上覆岩层的作用，因此相对 硬煤而言，支架前柱的工作阻力大于后柱工作阻力 这一特点更加明显。 综放面支架工作阻力分布的这一特点对于支架 选型、设计尤其重要 ，支架的工作阻力作用线尽可 能要与顶板载荷的作用线一致。以保持支架稳定、 不发生偏转等。 4 采高对煤壁片帮有很大影响。对于软煤 层，降低采高是控制综放面煤壁片帮的有效措施之 一 ，图 3 是淮北芦岭矿极软 ≤0 ． 3 的 8煤层综 放开采不同割煤高度时煤壁状况的离散元模拟结 果。从图 3中可以看出，煤壁表面及其内部一定范 围内均有向 自由空间位移量。当采高 2 ． 0 m时，位 1 5 维普资讯 第 3 3 卷 第1 期 煤 炭科学技术 2 o 0 5 年1 月 移量较小，协调一致，煤壁没有产生破坏；当采高 2 ． 5 m时 ，煤壁上的局部块体分离整体 ，煤壁产生 片帮破坏。 2 ． 75 g 2． 2 5 1 ． 75 1 ． 25 1 辟 }{ 0 ． 7 5 0． 2 5 0 ． 25 1 ． 5 1 ．0 0 ． 5 0 0．5一1 ． 0 1 ． 5 测点至煤壁位移 ／ m a 采高 2 ． 0 m时煤壁情况 3 ． 2 5 2 ． 7 5 2 ． 25 1 ． 7 5 笔1 ． 2 5 毒0 ． 7 5 0 ． 2 5 0 ． 2 5 2 ． 0 1 ． 0 0 1 ． 0 2． 0 测点 煤壁位移 ／ m b 采高 2 ． 5 m时煤壁情况 图3 不同采高条件下煤壁情况 对于软煤层进行综放开采时 ，利用放顶煤开采 支承压力区前移，降低采高，使支架具有较高的工 作阻力和良好的护顶护帮功能 ，并能提供指向煤壁 的水平力 ，可保证煤壁与端面具有 良好的状态。 5 顶板瓦斯排放巷是解决放顶煤开采瓦斯 排放的有效措施。放顶煤开采后 ，一次采高增大， 出煤集中，导致瓦斯的绝对涌出量大。同时由于对 煤层及上覆岩层的扰动范围大，裂隙发育，会使煤 层和岩层整体 大范 围的压力卸荷 ，有利于瓦斯释 放 、上浮 ，飘移到上覆岩层 的裂隙带中，从而在工 作面的瓦斯相对涌出量并不与产 出煤量成 比例增 加。 尽管如此，放顶煤开采的瓦斯治理仍然是安全 开采的首要问题 ，尤其是对于瓦斯含量高的煤层 。 对瓦斯的防治除采取预抽排、开解放层等综合措施 外，沿顶板在煤层中开掘专用的瓦斯排放巷是排放 工作面 ，尤其是上隅角瓦斯的最有效措施之一。当 瓦斯排放巷距工作面上平巷 2 0 m以内的距离时， 会起到 良好的排放效果，否则 ，对解决上隅角瓦斯 效果不佳。当瓦斯含量不很高，或煤层厚度不足以 开掘专用瓦斯排放巷时，也可以采用走向钻孔抽排 上隅角瓦斯 ，也会收到良好效果。 6 保证工作面推进度是防止采空 区发火的 根本措施。采空区浮煤的 自然发火也是放顶煤开采 遇到的重要安全问题之一 ，目前常用防止采空区浮 煤 自然发火的措施是注人隋性气体 、黄泥灌浆 、避 免向采空区漏风等 ，但是保证工作面的推进度不低 于 3 5 m ／ 月，对于防止采空区浮煤 自然发火具有根 1 6 本性效果。当工作面推进度低时，需采取注入惰性 气体等综合防火措施。 对于软煤层 ，全煤巷道的及时封闭，避免冒顶 是防止巷道发火的基本措施 。一旦巷道冒顶 ，不及 时封闭 、充填 ，就会形成 冒顶 区内风流不畅、氧 化、发火 ，随开采高温煤落人采空区后 ，会引燃采 空区浮煤。 3 综放开采需要解决的理论与技术问题 3 ． 1 提高煤炭采出率 提高工作面和采区煤炭采出率仍然是未来综放 开采所面临的重要技术问题。解决这一问题主要有 4种途径。 1 减少煤柱损失。通过优化开采布局 、改 革巷道支护技术 、系统的矿山压力显现规律与控制 技术研究 ，减小区段煤柱。 2 加大工作面长度。通过优化开采 系统布 局 、生产能力、工作面装备配套、工作面推进度与 开采效益的关系等，尽可能的加大工作面长度 。 3 优化采放工艺。目前关于合理 的采放工 艺研究 比较多，其中主要是放煤工艺与参数，如合 理的放煤顺序、放煤步距、放煤轮次的研究等。 已经获得 的基本结论是合理的采放比介于 1 2 3 ，采用双轮顺序放煤，放煤步距为 “ 两采一 放”时会有较高的顶煤采出率和较低的含矸率。 4 散体顶煤放出理论研究。散体顶煤的放 出规律解释一直借用金属矿的放矿椭球体理论，但 是 由于目前广泛采用的低位放顶煤放煤过程，顶煤 在放煤 口流出方向与金属矿的放矿有本质差异 ，因 此金属矿放矿椭球体理论在低位放煤中很难适用， 借用椭球体理论确定的放煤参数 、合理放煤高度等 与实际工程均有很大差距 ，因此建立反映客观放煤 规律的散体顶煤放煤理论，如顶煤放出的散体介质 流理论u j ，用于确定合理放煤工艺与参数 、合理 的放煤高度等，对于提高顶煤采出率、降低含矸率 具有重要意义。图4是不同放煤步距时的顶煤状 态 ，用放矿椭球体理论已经无法解释。 3 ． 2 确定支架的合理工作阻力 1 确定支架的合理工作 阻力。 目前还没有 一 种准确的方法用于确定综放开采合理的支架工作 阻力，设计中绝大多数采用的是类比法，其实无论 对于何种采煤方法 ，准确地确定支架合理的工作阻 力都有相当大难度，但是这一工作必须进行，而且 维普资讯 第 3 3 卷 第1 期 煤 炭 科学 技 术 2 0 0 5 年1 月 a “一采 一 放”时项煤状态 b “三采一放”时顶煤状态 图5 不同放煤 步距时的顶煤状态 要给予充分重视。综放开采中曾经发生过支架被严 重压垮事故。支架处于周围破裂的煤体之中，煤体 的承载能力有限，尤其是当失去周边约束时 ，因此 支架就需要发挥较大作用，虽然顶煤垫层有利于缓 解顶板的动荷载，但对于保持整体支架 一围岩系统 平衡中，仍需支架发挥重要作用。建立一套实用的 确定综放支架合理工作阻力的方法势在必行。 2 确定支架载荷 的真实分布。除要确定支 架的合理工作阻力外，确定不同煤岩条件下综放支 架的载荷分布尤其重要。要研究不同煤层 、顶底 板 、支架形式 、开采参数等条件下 ，支架载荷的分 布规律 ，并用于指导支架设计。综放支架的前柱工 作阻力大于后柱等特点为支架的设计提供了参考， 但是当煤岩条件等不同时，情况会有所不同，因此 系统研究支架载荷分布规律，并用于支架设计。 3 ． 3 顶板垮落与上覆岩层裂隙演化 1 顶板垮落规律。研究顶板垮落规律 、垮 落的高度与范围可用于指导工作面矿压显现规律、 支架设计 、围岩控制研究等。同时研究垮落岩石摩 擦 、撞击的热效应 ，以及打火的可能。大范围、大 高度顶板垮落过程中诱发瓦斯爆炸等灾害的可能性 及预防技术。给出综放开采适用的顶板结构以及对 于直接顶薄的工作面必须采取的技术措施。 2 上覆岩层的裂隙分布与演化 。上覆岩层 的裂隙分布与演化研究对于深入研究瓦斯在裂隙带 内的运移、工作面瓦斯涌出规律、地表移动、注浆 减沉、保护水资源等均具有重要意义，目前在这方 面的深入研究很不充分。 3 ． 4 瓦斯上浮及其运移规律和有效治理技术 结合上覆岩层的裂隙分布与演化，系统研究瓦 斯气体在宏观整体卸荷后，在裂隙岩体中的运移规 律 ，从定量的层面上进行分析研究 ，并进行有效地 防治技术开发。 4 综放开采技术深层次发展的几个方向 综放开采技术的继续发展中除需要解决上述的 理论与技术问题外，结合综放开采技术特点以及与 环境协调开采的总体方向，可进行研究。 4 ． 1 煤与瓦斯共采的理论研究与技术开发 放顶煤开采的上覆岩层裂隙发育、裂隙带的范 围大、工作面上方的煤体和顶板超前破裂、煤体的 卸荷范围大，有利于瓦斯释放，这就为借助采动裂 隙开采瓦斯气体，回收瓦斯资源，做到煤与瓦斯共 采创造了条件。 4 ． 2 离层注浆控制地表下沉 放顶煤开采将分层开采中 2 次甚至 3次采出的 煤量一次采出，因此其引起的上覆岩层离层具有范 围大、岩层活动强烈等特点 ，但是引起的地表沉降 量与分层开采的累计沉降量相当，实验和工程实践 均证明了上述事实。但是利用放顶煤开采引起的离 层量大、宏观易于把握的特点可进行离层 内注浆 ， 控制地面沉降。这较分层开采中每次的离层量小 ， 浆体不易注入而言，更易于工程实现。 4 ． 3 冲击矿压及其防治 近年冲击矿压逐渐增多 ，震级增加。放顶煤开 采后 ，引起的应力分布和顶板岩层活动随着采深增 大和应用范围迅速扩大，诱发冲击矿压的危害需要 进行系统的研究，以及开发相应的防治技术。其它 方面 ，如对水的影响研究及其水土保持、建设无矸 石开采矿井等也是重要的研究方向。 参考文献 [ 1 ] 王家臣． 低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论与应用 [ J ]． 煤炭学报，2 0 0 2 4 ． [ 2 ] 王家臣．综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究 [ J ]． 煤炭学报，2 0 0 4 2 ． 作者简介王家臣 1 9 6 3一 ，男，黑龙江哈尔滨人，教授， 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院副院长，从事放顶煤 开采、矿山压力、岩石开挖工程、系统工程等教学科研工作。T e l 0 1 0 6 2 3 3 1 4 4 7 8 3 2 9 ，E m a i l Wa n i a c h e n v i p ． s i n a ．c o m 收稿 日期2 0 0 4 0 8 1 0 ；责任编辑曾康生 致读者 煤炭科学技术随刊赠送的光盘， 文件格式为P D F ，须安装 A d o b e R e a d e r 方可浏览使 用，该软件可从各大网站 如新浪、搜狐 、网易 下载安装 ，特此说明。 煤炭科学技术编辑部 l 7 维普资讯