頂煤冒落影響因素的分析

吳利軍

(大同煤礦集團(tuán)同家梁礦)

頂煤冒落影響因素的分析

吳利軍

(大同煤礦集團(tuán)同家梁礦)

放頂煤開采是我國應(yīng)用非常廣泛的開采方法。分別從地質(zhì)賦存，即開采深度、煤層強(qiáng)度、頂煤裂隙發(fā)育、夾石層以及頂板巖層5個部分；開采技術(shù)，即采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小以及機(jī)采高度4個部分，對影響放頂煤回收效果進(jìn)行了分析。

綜放 頂煤冒落 影響因素

長期以來，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中都占有十分重要的位置，實現(xiàn)礦井高效安全生產(chǎn)，提高煤炭生產(chǎn)能力具有非常重要的實際意義。

放頂煤開采技術(shù)是在20世紀(jì)初期歐洲國家開采復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤炭開始出現(xiàn)的，之后，很多西方的產(chǎn)煤大國都采用了這一方法[1]。由于受到很多因素的影響，目前國外采用這一開采技術(shù)的國家為數(shù)不多。但在我國得到了大量的應(yīng)用，也取得了良好的實際效果[2]。

放頂煤技術(shù)適宜開采厚及特厚煤層，通過在厚煤層下布置工作面，隨著工作面不斷推移，由于前方支承力影響，工作面上部的煤會被壓裂破碎，并在支架后端冒落，以此采出煤體。采用放頂煤開采法，即是在普通長臂采煤法的基礎(chǔ)上增加了支架后部的一個頂煤回收系統(tǒng)，由兩個采煤點組成一個工作面。

由于該方法利用礦壓主動壓碎煤體，因此有必要研究煤體的地質(zhì)賦存條件和開采技術(shù)條件來對煤體破碎冒落的影響程度，為煤炭企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)賦存條件的影響

1.1 開采深度

巷道圍巖壓力和頂板支撐壓力受煤層開采深度的直接影響，煤體內(nèi)部應(yīng)力隨著采深增加逐漸變大，其破壞力也加大[3]。此外，工作面煤壁前方的支撐壓力會對頂煤的變形、破碎、垮落產(chǎn)生直接影響。見圖1。

1.2 煤層強(qiáng)度

煤層強(qiáng)度是煤層本身承受破壞難易程度的一個參數(shù)，是由裂隙發(fā)育程度、煤體硬度、厚度等多個因素組成的綜合參數(shù)。煤層強(qiáng)度越大，頂煤破碎所需的壓力也就越大，開采難度也就越大。

圖1 頂煤變形范圍示意

1.3 頂煤裂隙發(fā)育

煤層在漫長的地質(zhì)發(fā)展形成過程中經(jīng)歷了很多的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，使得煤層中存在很多裂隙。在之后的采動影響下，既會產(chǎn)生新的裂隙，也會使原生裂隙發(fā)育，頂煤的變形和破壞冒落其實就是裂隙的發(fā)展與貫通。破碎冒落程度是由裂隙的密度和方向決定的，裂隙發(fā)育明顯的煤層中，煤體比較容易破碎，頂煤比較容易放出。

1.4 夾石層

厚煤層中通常都含有著不同厚度、不同層數(shù)的夾石層。如果夾石層厚度在采高范圍內(nèi)，對放頂煤開采沒有影響；如果夾石層厚度超過采高，則其厚度和強(qiáng)度的變化會直接影響頂煤的破碎程度和冒落效果。

另外，夾石層在頂煤中的層位也會影響頂煤的冒落效果。如果夾石層在下部，對頂煤冒放效果沒有影響；如果在中部，夾石層是偽頂，會受到支架的反復(fù)作用，容易冒落，可以通過放煤口放出，如果不是偽頂，則對頂煤冒放性影響最大，可能造成頂煤懸而不冒，嚴(yán)重影響頂煤出煤率；如果在上部，夾石層上的頂煤厚度一般比較小，如果夾石層薄就一并冒落放出，如果夾石層厚則難以冒落。

1.5 頂板巖層的影響

煤層頂板是由直接頂和老頂組成，其中直接頂只影響頂煤冒落效果，不影響其破碎效果；而老頂則相反，主要影響其破碎效果。堅硬的老頂，來壓步距比較大，壓力就比較大，破壞能力也就比較強(qiáng)。

2 開采技術(shù)的影響

如果頂煤破碎充分，放頂煤技術(shù)就與開采技術(shù)和工藝參數(shù)密切相關(guān)。開采技術(shù)和參數(shù)選擇合適，頂煤放落就比較容易，回收率就比較高；反之，則影響煤炭回收率。

2.1 采放比

一般認(rèn)為，在特厚煤層放頂煤開采時，采高愈大，對頂煤的破碎冒落就越有利，煤體回收率也越高[4]。但是，由于受到液壓支架等設(shè)備的影響，采高不能無限制的增大。所以，在一定條件下，需要將采高與液壓支架合理配置。

通常，軟煤層中頂煤冒放相對較好，采高太大不易控制，需要縮小采放比，體現(xiàn)放頂煤的優(yōu)勢；中硬煤層中則需要增大采高，提升采放比，提高頂煤放落的空間和冒落效果。

2.2 放煤步距

在放頂煤開采中，放煤步距與頂煤的落放距離有直接關(guān)系。合理的放煤步距必須能夠與頂煤厚度、支架類型、頂煤垮落角度等多個因素關(guān)聯(lián)。采放比確定之后，最合理的放煤步距能夠使頂煤與采空區(qū)側(cè)的巖石一起到達(dá)放煤口。圖2為不同放礦步距下的放煤示意圖。圖2(a)放煤步距過大，頂煤落下先到達(dá)了出煤口，采空區(qū)矸石無法放下；圖2(b)步距合理，頂煤與采空區(qū)矸石同時到放煤口；圖2(c)放煤步距過小，采空區(qū)后方的矸石先到達(dá)出煤口。根據(jù)大量的理論分析和實踐經(jīng)驗總結(jié)，得出了放煤步距的經(jīng)驗計算公式[5]：

L=(0.15～0.21)h ，

(1)

式中，L為放頂煤步距；h為放煤口與煤層頂板的垂直距離。

圖2 不同放煤步距對放頂煤開采的影響

2.3 放煤口的位置與大小

綜放工作面液壓支架放煤口的位置和大小，對頂煤的放出形態(tài)和放出速度有重要的影響。一般根據(jù)放煤口位置，把放頂煤液壓支架分為3大類：即高位放頂煤支架、中位放頂煤支架和低位放頂煤支架。

由于單支架放煤時放煤口尺寸有限，在實際生產(chǎn)中，可以通過兩架或者多架同時放煤和升架，提高放煤尺寸。

2.4 機(jī)采高度

大采高綜放工作面，由于割煤高度變大，導(dǎo)致頂煤厚度有所下降，所以工作面礦壓會發(fā)生一定的變化。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，頂煤塑性破壞系數(shù)與采高之間存在的關(guān)系為

γ=1.872 8e0.249 4Mc，

(2)

式中，γ為頂煤塑性破壞系數(shù)；MC為機(jī)采高度。

從式(2)中可以看出，γ是隨MC增加而不斷變大的。所以，在一定情況下，通過增大MC能夠有效增強(qiáng)放煤效果。但是，機(jī)采高度過大可能導(dǎo)致頂板冒落，帶來安全隱患。

3 結(jié) 語

從地質(zhì)賦存條件和開采技術(shù)條件兩個方面，分析了影響放頂煤冒落效果的因素。采用放頂煤開采具有以下優(yōu)勢,值得推廣：①開采強(qiáng)度有所提高，開采作業(yè)時，受厚度影響比較小，可以做到一次采全高；②在長臂采煤法中增加了一個出煤點，共用刮板輸送機(jī)，減少了工作面的初次投資，節(jié)省了材料費用；③放頂煤開采技術(shù)主動利用了礦壓，以此完成落煤環(huán)節(jié)，節(jié)約了電能，提高了經(jīng)濟(jì)效益；④巷道布置簡單，節(jié)省了掘進(jìn)工作量，減少了搬家次數(shù)；⑤兩個出煤點同時出煤，提高了工作面產(chǎn)能。

[1] 王 君.厚煤層大采高綜放開采的煤巖冒放規(guī)律及放煤工藝參數(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

[2] 祝靈甫,閆少宏.大采高綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].煤礦開采,2011,16(1):11-14.

[3] 韓義斌,竇勝波,郭 超.松軟厚煤層綜放工作面頂煤運(yùn)移規(guī)律研究[J].山東煤炭科技,2014(12): 18-20.

[4] 王進(jìn)學(xué),王家臣,陳忠輝.“兩硬”淺埋深厚煤層頂煤頂板運(yùn)移規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2006,23(2):228-232.

[5] 宋金旺,高潤平,王愛午.塔山礦特厚煤層放頂煤開采頂煤運(yùn)移規(guī)律及其開采工藝的研究[J].中國西部科技,2010(9):6-7.

2015-04-20)

吳利軍(1988—)，男，科長，助理工程師，037025 山西省大同市。