一放顶煤开采的基本理论与工程问题.docx

一放顶煤开采的基本理论与工程问题根据厚煤层赋存条件和放顶煤开采的技术特点，放顶煤开釆所遇到的煤层条件可分为如 下5类；(1) 条件适宜煤层煤层厚度6-12m,采放比在1： 2-1： 3之间，煤层硬度系数f=l〜 3,节理裂隙发育，低瓦斯，直接顶厚度不小于2m,或老顶II级以下该类煤层放顶煤开采 时，以高产高效为主要目标，其硏究的主要理论与技术问题是放顶煤理论、顶煤破碎机理、 矿山压力与围岩控制、高产高效开采工艺、设备选型与配套、设备的自动控制等2) 坚硬厚煤层煤层硬度系数f$3,节理裂隙不发育，裂隙密度vl条/mo对该类煤 层进行放顶煤开采时，以顶煤破碎和提高顶煤回收率为主耍FI标，其研究的主要理论与技术 问题是顶煤破碎机理、改善顶煤破碎的技术措施，顶煤流动与放出规律、采放工艺等若顶 板也坚硬时，即直接顶薄，小于Im,老顶坚硬f27,裂隙不发育时，还要研究顶板的破断 机理，顶板破断与来压时对工作面的冲击、控制与减缓顶板来压的理论与技术措施，适应坚 硬顶板放顶煤开采液压支架研制等3) 极软厚煤层煤层硬度系数fWl,主要是指fWO.5的厚煤层，一般而言，该类煤层 的顶板和底板也软，即属于常说的“三软”煤层。

对于该类厚煤层，所需解决的主要理论与 技术问题是煤壁片帮和端面漏冒的机理与控制技术，对顶煤全封闭的液压支架研制与釆放工 艺，软煤巷道支护理论与技术，提高顶煤回收率与降低含肝率的理论与技术等4) 特厚煤层定义特厚煤层为指煤层厚度在12m及以上的煤层，该类煤层的核心问题 是捉高顶煤回收率和缩短放煤时间，需耍研究的理论与技术问题是顶煤流动与放岀规律、高 效放煤技术、采放工艺若顶板坚硬难冒时，还应注重顶板垮落规律、顶板来压规律、减缓 顶板来压的控制理论与技术硏究等5) 较薄厚煤层煤层厚度4〜6m,该类煤层应用放顶煤开采时，一般煤层较软或井型 较小，否则煤层硬度较大和井型较大时，则建议釆用大采高开采因此，该类煤层放顶煤开 采时需要解决的主要问题是研究煤肝运移规律，提高回收率，降低含肝率上述是从放顶煤开采角度对煤层进行了分类，有些地方与常用的分类方法不相一致，而 且里面也没有包含瓦斯、煤层自燃等情况对于瓦斯含量高和突出煤层而言，釆前必须对工 作血区域进行解突，而且在放顶煤开采过程中，也需加强瓦斯治理，如开掘专用顶板瓦斯排 放巷，进行必要的瓦斯抽排等，这需在专门的著作中论述，本书仅就采矿主体范畴内放顶煤 开采的理论与技术问题进行论述。

通过对上述放顶煤开采5类煤层条件分析，可以归纳出放 顶煤开采的一些理论与工程技术问题1放顶煤开采的基本理论问题放顶煤开采的基本理论问题有的与一般长壁开采方法的基本理论问题相同，或者相近, 但也有一些是放顶煤开采方法所特有的，一般而言，其主要的基本理论问题可以概述如下1) 顶煤破碎机理顶煤破碎机理研究是放顶煤开采所特有的，主要研究在矿山压力作 用下，顶煤变形、移动和破裂的机理与过程，顶煤破裂过程与煤体力学性质、裂隙分布与密 度、矿山压力分布等有关，对于不同性质和外界作用条件的顶煤，其破裂机理和过程也有所 差异当顶煤极软时，如fWO.5,顶煤在矿山压力作用下能够完全破碎并在支架上方破碎成 散体，极容易流动和放出；当顶煤中硬、且裂隙较发育时，顶煤可在矿山压力作用下破碎成 满足放煤耍求的合适块度对于坚硬顶煤、且裂隙不发育时，一般需采用爆破等人工辅助措 施对顶煤进行预爆破作业，因此研究顶煤破裂机理，即要研究矿山压力作用下顶煤自然破裂 机理，也要研究坚硕顶煤在爆破作用下的破裂机理研究顶煤破裂机理的过程是确泄采放工 艺、进行支架设计、研究顶煤回收率、改善顶煤破碎技术的基础2) 散体顶煤流动与放出规律。

散体顶煤放出规律研究是放顶煤开采所特有的，与顶煤 破碎机理研究一起构成放顶煤开采的核心研究内容，可统称为顶煤破碎与放出规律研究该 内容主要是研究破裂与冒落后的散体顶煤在支架上方的流动与放出规律，运用正确的理论进 行描述，科学的指导采放工艺的确定，预测顶煤冋收率与含肝率，以及提高顶煤冋收率与降 低含肝率的技术措施该项研究一直是放顶煤开采理论研究的核心与主耍内容之一，自从我 国开始应用放顶煤开采技术以来，就开展了该项内容研究，主要涉及冒落顶煤的力学性质、 放顶煤的边界条件、顶煤流动场、煤肝分界面与混合带形状、流动与放出的理论描述等3) 矿山压力显现规律与岩层移动规律放顶煤开釆一次采高增大，一般的是整个煤层 厚度、采场矿山压力显现规律与上覆岩层移动规律备受关注，并多与分层开采顶分层的矿山 压力规律进行比较，目前有一些共性的认识，但也有许多分歧放顶煤开采的矿山压力显现 规律及上覆岩层移动规律研究与传统分层开采的研究内容相近似，但也有特有的内容，一般 来说涉及的内容有工作面来压规律、支承压力分布规律、顶煤顶板垮落规律、煤壁与端面顶 煤稳定规律、支架一围岩关系、工作面围岩控制原理、顶板破断规律、老顶岩层平衡结构与 传力原理、高位岩层移动与地表沉陷规律等。

该项研究是支架设计、开采沉陷预测、地血保 护、确定高效开采工艺等的理论基础近年來，放顶煤工作面支架设计的理论取得了一定进 展，但是与实际需要还有很大差距，现场的开采实践也带来了一些新的问题，比如大同塔山 煤矿开釆16〜20m厚的煤层，工作阻力为13000kN的支架仍然有压死现象等4) 全煤巷道支护机理由于放顶煤开采，工作面沿厚煤层下部布置，工作面巷道和切 眼均为沿煤层底板掘进，巷道四周均是强度较低的煤层，且开采过程中，前方支承压力分布 范围大，对巷道的影响范围大，有的达到百米以上，因此研究全煤巷道支护机理，巷道变形 与破坏规律，改善巷道破坏的技术措施等至关重要许多软煤层放顶煤工作而产量不高的重 要原因是由于巷道变形量大，工作面两端无法正常推进该项研究是指导全煤巷道实施科学 支护技术的基础5) 瓦斯涌出与运移规律对于高瓦斯和瓦斯含量较大的放顶煤工作面而言，瓦斯涌出 与运移规律研究尤其重耍，由于放顶煤开采的特殊性，一次采高大、岀煤集中、放煤量大等, 工作而瓦斯涌出与运移规律也具有其特殊性，到目前为止该项研究仍处于定性阶段，放顶煤 工作面经常会遇到上隅角和放煤时瓦斯超限问题，从而影响正常生产。

一般来说，该项研究 应涉及工作面瓦斯涌出规律、釆动影响范围内瓦斯析出规律、采空区范围内瓦斯分布规律、 放煤过程中瓦斯涌岀规律等，该项研究是解决工作面瓦斯问题，指导瓦斯抽排工艺与参数设 计等的基础对于不同的煤岩层条件，其具体研究内容应有所侧重6) 自然发火与防治机理由于放顶煤开采难以放出全部顶煤，通常会在采空区遗失一 定的顶煤，这些遗失在采空区的破碎煤体如遇到供氧与聚热条件等，则会发生自燃，同时工 作面顺槽和切眼如有支护质量问题，产生冒顶，形成聚热空洞等，也会发生自燃，因此放顶 煤开采的火灾防治机理研究涉及采空区与全煤巷道两部分该项研究主要是放顶煤开采采空 区口燃机理、条件与防治原理以及巷道自燃机理与防治放顶煤开采对防火的不利方面主要 表现在采空区遗失的浮煤、工作面推进速度较慢和采空区空洞较大，若顶板不能及时冒落易 形成漏风通道，客观上形成向采空区供氧条件但其有利方面是工作面一次推进，不再扰动 釆空区，只要在工作面推进过程中不引发火灾，就可以有效防治发火，不会形成二次或多次 扰动采空区后引起自燃2放顶煤开采的基本工程问题1)支架设计与三机配套放顶煤开采支架设计是成功实现综放开釆的核心，多年来国内一 直在探索科学的放顶煤液压支架形式，根据不同的煤岩赋存条件，放顶煤支架也是有不同的 工况特征，如对于坚硬顶煤需要支架具有强大放煤能和大的后部过煤空间，对于软煤层支架 除具有足够的工作阻力外，还应具有良好的对顶煤全封闭和护帮功能等。

由于放顶煤开采支 架载荷分布具有特殊性，因此支架设计小也应适应顶板压力分布类型，更好地发挥支架作用 与保障安全开采，所以该项研究内容主要是根据煤岩层条件、放顶煤开采顶板压力特点等设 计合理的液压支架与高效、高可靠性的三机配套设备2) 采放工艺采放工艺是放顶煤开采的核心内容，也是实现髙产高效的核心环节它 一般涉及工作面及系统装备、技术方案与参数和组织管理三方面内容在生产系统和装备都 满足要求的情况下，采放工艺的主要研究内容是割煤工艺、放煤工艺与参数等，实施高效、 高回收率、低含砰率的割煤与放煤工艺对于坚硬厚煤层，还需研究和实施顶煤人工破碎技 术，减小大块顶煤措施，快速高效放煤措施对于软煤层，实施的采放工艺要有利于煤壁稳 定和顶煤控制对于条件适宜的厚煤层，主要是实施高效、高回收率的放煤工艺和参数对 于较薄厚煤层，主要是实施减少混肝与提高顶煤回收率的措施根据工作面煤岩条件、倾角、 长度、生产系统不同等，要硏究与实施不同的采放工艺与参数，如有选煤厂且能力充足的矿 井，一般允许有较高的含肝率，可达到提高回收率的效果3) 坚硬顶板控制对于顶板坚硬，并直接顶薄或无直接顶的放顶煤工作面，顶板不易 垮落，采空区易形成大而积空洞，一旦顶板结构平衡破坏，大而积悬空顶板垮落，对工作而 产生冲击，若是高瓦斯煤层，还会将采空区瓦斯瞬间挤出，因此，对于该类顶板需研究和采 取人工技术措施，控制顶板活动规律，减少顶板垮落步距和增加采空区充填厚度，以减小顶 板垮落的冲击。

4) 全煤巷道支护技术针对放顶煤采动应力分布规律，全煤巷道特点等，研究和实施 有效的全煤巷道支护技术，最大限度在可接受的支护成本范闱内改善支护质量，尽可能地减 少巷道对开采的影响在一些小煤柱工作面，要研究和实施有效可靠的支护技术，根据实际 情况和地质条件，确定支护技术和参数，没有一种万能的支护技术和参数，要基于理论研究 和实践摸索为主，探索适合具体条件的支护技术和参数5) 地面沉陷控制放顶煤开采的地面沉陷控制是一个技术难题，如何缓解地面沉陷、 避免上覆岩层的突然垮落，以及避免河床的渗漏等需要研发专有的技术6) 瓦斯与火灾害防治对于高瓦斯易自燃煤层的瓦斯和发火的防治一直是一个重要的 技术难题目前虽然具有一些实用的瓦斯治理技术，如高位专用瓦斯排放巷、加大工作面割 煤高度等，但是放顶煤工作血的局部瓦斯超限仍然时有发生通过利用合理的采动影响等, 进行瓦斯的预抽采(排)是一条正确的途径放顶煤工作发火的防治，目前主要是采空区注惰 性气体、黄泥灌浆、防止采空区漏风、提高工作而推进速度等，目前需要解决的主要问题是 提髙各种防火技术的效果2放顶煤开采的顶煤破碎与放出理论放顶煤开采的核心是顶煤破碎与放出的理论及实施技术，这也是放顶煤开采技术应用之 初大量研究的主要内容，近年來，国内的学者仍然在这方面开展了大量的研究工作，取得了 一些基本认识，然而若想满足工程需耍，还耍开展大量的研究工作。

2・1顶煤破碎机理与运移规律放顶煤开采的实质是实现工作面煤炭和顶部煤炭同时采出，工作面煤炭开采依靠采煤机 组的切割来完成，可以通过人为的机械作用实现，顶部煤炭的开采是依靠矿山压力作用，使 其自行破碎和冒落，且口行流动和放出，难以进行人为的控制因此放顶煤开采的核心就是 实现顶煤破碎和顺利有效地放岀，而顶煤的合理破碎又是顶煤顺利放出的前提，也是支架选 型的依据之一因此研究顶煤的变形与破碎机理具有十分重要的意义顶煤的变形与破碎是一个十分复杂的过程，这一过程既与煤体本身强度、裂隙发育程度 及分布有关，也与顶板条件及支架作用有关实际上，在支架与顶板所组成的系统中，支架 通过顶煤对顶板实施控制，同时顶板的压力通过顶煤传递到支架上，顶煤在受力的过程中也 要发生移动、变形、破碎、冒落和放出，因此顶煤起到了一种媒介作用2. 1. 1顶煤的力学特征与力场条件2. 1・1. 1顶煤的力学特征煤体与其他岩体一样，在其形成过程中经历了漫长的地质作用，煤体内形成了大量的原 生裂隙与后续的构造裂隙等在顶煤破碎过程中，原有裂隙扩展与。