厚煤層綜采放頂煤采煤技術(shù)研究

李文彥，楊立海，尹 彬

(1.霍州煤電集團(tuán)什林煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031499;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

放頂煤采煤法，就是在厚煤層中，沿底分層進(jìn)行采煤，支架移出后，由于礦山壓力的作用使上部頂煤和頂板冒落，通過液壓支架上的“天窗”將松散頂煤回收。該方法始于20世紀(jì)40年代，我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始研制厚煤層放頂煤的綜采設(shè)備，由于這種采煤法具有掘進(jìn)率低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)等特點(diǎn)，該技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展，現(xiàn)如今我國(guó)是世界上采用放頂煤采煤法最多的國(guó)家之一，在放頂煤綜采設(shè)備的制造、回采工藝、提高煤的回收率和降低含矸率、以及防止自燃發(fā)火措施等方面都積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)［1］。

1 頂煤放出規(guī)律

根據(jù)放礦理論，礦石從采場(chǎng)內(nèi)是按近似橢圓球體形狀留出來的，即原來所占的空間為一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體，如圖1所示。在放礦過程中形成的橢球體稱為放出橢球體1，停止擴(kuò)展而最終形成的橢球體稱為松動(dòng)橢球體3，放礦后形成放出漏斗2和移動(dòng)漏斗4。如果放頂煤高度為h，則放出橢球體1長(zhǎng)軸為2a，近似于h，短軸為2b1。高度為h的水平煤巖分界面將下降為一漏斗面2，由于下降時(shí)煤巖的滾動(dòng)，漏斗面實(shí)際上是由一定厚度的混矸層組成，最大直徑近似于4b1。生產(chǎn)實(shí)踐表明，放出橢球體短軸與長(zhǎng)軸的關(guān)系式如下:

圖1 放礦橢球體概念示意圖

從放礦理論上講，放出橢球體表面上的顆粒將大體上同時(shí)到達(dá)放煤口［2］。放煤的同時(shí)，放出橢球體周圍的煤巖也將向放煤口移動(dòng)，充填放煤留下的空間，且與放出橢球體相似，為一松動(dòng)橢球體，其高度H為:

由于工作面支架上的放頂煤口互相臨近，放煤時(shí)放煤口間距l(xiāng)直接影響放煤效果。當(dāng)l＞2b1時(shí)，當(dāng)?shù)诙€(gè)放煤口放煤時(shí)，不會(huì)因已放過第一放煤口而發(fā)生混矸現(xiàn)象，但放煤口之間有脊背煤損，l越大，脊背煤損越大;當(dāng)l＜2b1時(shí)，如放煤高度仍為h，必將有一部分矸石混入放出的煤中，但脊背煤損明顯降低。因此，在一定放煤高度條件下，合理確定放煤口間距是十分重要的。

值得注意的是頂板冒落的性能，當(dāng)直接頂較穩(wěn)定不隨放頂煤而運(yùn)動(dòng)時(shí)，放出體的頂部將出現(xiàn)缺球現(xiàn)象。但若直接頂在頂煤放空后冒落時(shí)，將給支架帶來沖擊載荷，因而直接頂?shù)姆€(wěn)定性是重要的。

2 放頂煤采煤工藝及綜采設(shè)備

1)采煤工藝簡(jiǎn)述。采煤機(jī)割煤分段進(jìn)行，一般每15 m為一段，先割上刀，然后移架放頂煤，再割下刀繼續(xù)放頂煤，移前部輸送機(jī)，一直把頂煤放完。再進(jìn)行第二階段的割煤和放頂煤工作，直到采完全部工作面為止［3］。頂煤較硬，可以上下刀一齊割煤，然后再移架放頂煤，推移輸送機(jī)并繼續(xù)放頂煤，直到放完為止，再采下段煤。放頂煤過程一般分兩個(gè)階段，第一階段是通過移架使頂煤垮落、破碎，不破碎的可以打眼放炮，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)。一般要求頂煤強(qiáng)度不大，普氏系數(shù)不大于1，這樣才能保證移架后，頂煤垮落自動(dòng)破碎。第二階段是放煤，即把已破碎頂煤最大限度的回收出來。

2)液壓支架。從放頂煤方式看主要有兩種:一種是底開門插板式，如FY280－14/28型;掩護(hù)梁開窗式，如FYS300－19/28型。從放頂煤效果看底開門插板式較好，因?yàn)樗档土朔琶焊叨?，底煤回收率比開天窗式的高，同時(shí)后面掩護(hù)梁可上下擺動(dòng)能增加放頂煤效果，也可壓碎大塊煤，使放煤窗口不易被堵。

從工作面輸送看，有單輸送機(jī)和雙輸送機(jī)兩種。單輸送機(jī)液壓支架雖然節(jié)省了一臺(tái)輸送機(jī)，同時(shí)放煤速度快，但主要缺點(diǎn)是，放煤時(shí)煤塊四濺，煤塵大，工作面被阻斷，很不安全;由于頂煤窗口高，頂煤回收率低;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。這種支架在緩傾斜厚煤層中使用缺點(diǎn)較大，然而在厚煤層傾斜工作面俯斜推進(jìn)時(shí)，由于用兩臺(tái)刮板輸送機(jī)比較困難，這種支架還是有一定價(jià)值的［4］。

3)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)。在緩傾斜長(zhǎng)壁工作面，放頂煤用的刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)與普通綜采工作面所用相似。底層煤采高一般在2.5～2.8 m，而且采比較松軟的煤層(f=1.5)常用的MLS3－170型和MLS3P－170型采煤機(jī)及其配套的SGW－250Ⅱ型和SGD－630/180PB型刮板式送機(jī)都能適用。

在急傾斜厚煤層中用水平分層放頂煤采煤法時(shí)，因工作面長(zhǎng)度短，用7 m長(zhǎng)機(jī)身的采煤機(jī)，需要斜切進(jìn)刀，這是很困難的。采用MS950－400型短壁采煤機(jī)及配套的2×18/400型刮板輸送機(jī)。這種采煤機(jī)只有3 m，功率小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，能自開缺口，操作維修也較方便。

3 放頂煤采煤的巷道布置

1)緩傾斜特厚煤層巷道布置。在底板開掘巖石集中巷，一方面可以集中運(yùn)輸，另一方面可作為灌漿巷。如果煤層自燃發(fā)火不嚴(yán)重，煤質(zhì)較硬，可把區(qū)段平巷布置在靠底板的煤層內(nèi)。

2)急傾斜水平分層放頂煤巷道布置。在急傾斜水平分層采煤中采用放頂煤，首先將原煤層分成若干分段，根據(jù)放頂煤經(jīng)驗(yàn)，分段高度為6～15 m，除在每分段底部煤層中布置分層回風(fēng)巷和封層運(yùn)輸巷外，如果煤自燃發(fā)火嚴(yán)重，在每段煤層底板巖石中布置分層灌漿巷，以便回采后及時(shí)通過鉆孔向采空區(qū)灌漿。為了運(yùn)送綜采設(shè)備，在底板巖石中開掘一條偽傾斜軌道上山，通往各分段巷道。

急傾斜特厚煤層放頂煤采煤，各分段高度h，以頂煤能全部垮落為依據(jù)。這樣:

式中:h1—煤層高度，m，一般為2.8;

ks—煤的一次松散系數(shù)，其值為1.15 ～1.3。

十七大報(bào)告中，對(duì)第二次飛躍的理論成果做了新的表述，從理論與實(shí)踐相對(duì)應(yīng)的視點(diǎn)，將作為對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義道路實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的理論，統(tǒng)稱為“中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系”。指出：“中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系，就是包括鄧小平理論、‘三個(gè)代表’重要思想以及科學(xué)發(fā)展觀等重大戰(zhàn)略思想在內(nèi)的科學(xué)理論體系。”[11]P11這是對(duì)當(dāng)代中國(guó)共產(chǎn)黨人馬克思主義中國(guó)化理論成果的最新概括。中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系，是中國(guó)化馬克思主義創(chuàng)新理論的科學(xué)體系。

對(duì)于緩傾斜特厚煤層，厚度h自然生成，這時(shí)可用上式反過來求底分層采高h(yuǎn)1，則:

當(dāng)厚煤層h大于12～15 m時(shí)，h1最大取3 m，h1太高，煤層容易片幫，煤堅(jiān)硬時(shí)h1可取大點(diǎn)。H大于20 m時(shí)，就要采用分層開采。

對(duì)自燃發(fā)火煤層，放頂煤采煤法的采區(qū)走向長(zhǎng)度L，主要根據(jù)自燃發(fā)火期決定，就是通過采取措施后，在煤層仍能自燃發(fā)火的期限內(nèi)把整個(gè)區(qū)段采完。對(duì)急傾斜特厚煤層，采區(qū)走向長(zhǎng)度L為:

式中:A月—工作面月產(chǎn)量，t;

T火—煤的自燃發(fā)火期，月;

α—煤層傾角，(o);

m—煤層厚度，m;

h—分段高度，m;

c—分段回采率，一般為0.8。

對(duì)緩傾斜煤層，采區(qū)走向長(zhǎng)度為:

式中:l—工作面長(zhǎng)度，m。

4 放頂煤開采的安全措施

放頂煤采煤法雖然有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，但由于放頂煤是利用礦山壓力破煤造成了大量的破碎煤體存在，因此，可以說放頂煤開采的主要安全問題是煤層的自燃發(fā)火。我國(guó)特厚煤層一般都具有自燃發(fā)火的危險(xiǎn)，所以在推廣放頂煤開采時(shí)亦應(yīng)著重研究自燃發(fā)火災(zāi)害的防治措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，防止地下自燃發(fā)火要從地面、井下以及工作面等方面開展工作，并要以預(yù)防為主［5］。

1)地面防滅火措施。一是用黃土、矸石等回填塌陷區(qū)，斷絕地下采空區(qū)與地面地空氣聯(lián)系，使采空區(qū)不漏風(fēng)，達(dá)到滅火的目的;二是打鉆孔向采空區(qū)進(jìn)行黃泥灌漿或灌入CO2氣體，達(dá)到滅火和防止自燃發(fā)火的目的。

2)回采中的防滅火措施。一是向采空區(qū)灌漿，主要是灌黃泥漿;二是向支架后面采空區(qū)噴灑阻化劑，目前使用較多的是MgCl2及CaCl2，取得了較好的效果;三是在工作面前方巷道中，向煤層打眼，用泵向煤層注水或注阻化劑溶液;四是均壓滅火，調(diào)整風(fēng)流負(fù)壓，防止向采空區(qū)漏風(fēng)。

3)采后滅火措施。主要是采后密閉采空區(qū)，并向采空區(qū)灌黃泥漿或阻化劑溶液。

4)預(yù)報(bào)措施。安裝束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集CO含量、溫度和其他有關(guān)參數(shù)，以便在地面集中監(jiān)測(cè)并預(yù)報(bào)井下自燃發(fā)火情況;同時(shí)派專人定期巡回檢查各可能發(fā)火點(diǎn)，遇見發(fā)火情況立即處理。

5)直接滅火措施。預(yù)先制定避災(zāi)路線并在井下儲(chǔ)備足夠的滅火器材和水源，井下出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，要及時(shí)撤出人員，并立即組織滅火和搶救傷員。

5 結(jié)論

放頂煤技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，使得該技術(shù)在厚煤層開采中被大量采用。文中基于放礦理論及大量生產(chǎn)實(shí)踐，得出如下結(jié)論:

1)在一定放煤高度條件下，合理確定放煤口間距是十分重要的。

2)直接頂?shù)姆€(wěn)定性對(duì)頂煤放出率及安全影響較大。

3)綜采設(shè)備的配套選擇及巷道的布置，應(yīng)依據(jù)煤層厚度及煤層傾角等因素選擇。

4)放頂煤技術(shù)自身的特點(diǎn)決定了防止煤層自燃發(fā)火是放頂煤采煤法安全工作的重點(diǎn)。

［1］徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009:124－125.

［2］于海涌，吳 健.放頂煤開采理論與實(shí)踐［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:43－45.

［3］張 坤.急傾斜厚煤層綜放工作面頂煤放出的可控性研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2010.

［4］蘇林軍，朱 峰.放頂煤液壓支架的創(chuàng)新與發(fā)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(4):85－88.

［5］付永水.綜采放頂煤開采在易燃煤層中防止煤層自燃的實(shí)踐［J］.煤礦安全，2004，35(8):8－10.