放頂煤技術(shù)在煤炭開采的適用性研究

曹 偉

(山西寧武大運華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

據(jù)統(tǒng)計表明，我國每年煤炭產(chǎn)量及消耗量均在全球占據(jù)前列?？上攵?，煤炭對我國國民經(jīng)濟(jì)、人民生活水平提升的必要性和重要性。隨著科學(xué)技術(shù)和自動化水平的不斷進(jìn)步，我國煤炭開采已經(jīng)步入綜采自動化時代，其開采效率及安全性均得到了前所未有的提升。實際生產(chǎn)中，只有在開采技術(shù)與煤層所處地質(zhì)條件相匹配的情況下才能將綜采工作面大型綜采設(shè)備的效率發(fā)揮到最大[1]。針對煤炭地質(zhì)的研究已經(jīng)有上百年的歷史，可見地質(zhì)條件是影響煤炭開采的關(guān)鍵因素，具體表現(xiàn)為煤田地質(zhì)中的沉積相以及各種結(jié)構(gòu)對礦床穩(wěn)定性的影響等。

然而，近年來我國對煤炭的需求已不同于往年，而且在國家環(huán)保要求的影響下煤炭的開采進(jìn)入一個低谷期。但是，就煤炭對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長期影響來看，我國在未來幾年還需依賴煤炭發(fā)展經(jīng)濟(jì)。因此，根據(jù)煤田地質(zhì)情況設(shè)計相匹配的開采技術(shù)不僅能夠提升煤炭開采效率，還能夠降低煤炭開采的成本。通過在對煤田地質(zhì)、煤田特點、頂?shù)装鍑鷰r地質(zhì)特征充分掌握的基礎(chǔ)上，基于仿真軟件模擬礦山壓力，進(jìn)而對煤炭開采的支護(hù)及設(shè)備選型提供理論依據(jù)，最終為煤礦采煤系統(tǒng)提供指導(dǎo)性建議，將綜采工作面資源的利用達(dá)到最大化。本文將著重開展放頂煤技術(shù)在煤炭開采的適用性研究。

1 放頂煤技術(shù)發(fā)展歷程研究

目前，放頂煤技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于我國煤炭開采中，從其最終應(yīng)用開始距今已有200多年的歷史。放頂煤技術(shù)的發(fā)展大致可以分為以下三個階段。

1) 探索階段

放頂煤技術(shù)最早應(yīng)用于歐洲國家，主要針對軟煤層的開采。放頂煤開采技術(shù)的實施最初依靠拱形支架完成，主要是由焊接的金屬框組成的[2]。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)拱形支架的支撐能力有限，容易出現(xiàn)冒頂和片幫的事故發(fā)生，具有較大的技術(shù)局限性。

2) 發(fā)展階段

隨著放頂煤技術(shù)在急傾斜煤層的應(yīng)用，加之到二十世紀(jì)中葉液壓支架的發(fā)明，使得放頂煤技術(shù)得到了飛速發(fā)展，可以應(yīng)用于對厚煤層的開采。隨著液壓支架技術(shù)的進(jìn)步以及與其相配套刮板輸送機(jī)的研發(fā)將放頂煤技術(shù)真正應(yīng)用于厚煤層的開采中。

3) 成熟階段

由于放頂煤技術(shù)的技術(shù)局限性較大，加之在二十世紀(jì)后期煤礦開采進(jìn)入低谷期，使得該項技術(shù)沒有在全球范圍內(nèi)得到推廣。進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代以來，隨著我國自主研發(fā)的滑移頂梁支架和開窗式支架的應(yīng)用以及我國綜采工作面自動化水平的不斷提升，使得放頂煤技術(shù)在我國煤礦開采中取得了飛速的發(fā)展，逐步進(jìn)入成熟期。

2 放頂煤技術(shù)原理分析

在煤炭的實際開采中，根據(jù)工作面地質(zhì)及水文條件在其回采工作面煤層底部安裝一個長度為200 m～300 m的長壁工作面，并由一排液壓支架支撐工作面。在回采過程中，首先通過割煤機(jī)將長壁工作面的煤炭采出，并依靠前刮板輸送機(jī)從長壁工作面送出；而后在液壓支架的作用下，將刮板輸送機(jī)向前推進(jìn)；最后，頂部煤層在礦山壓力的作用下被破碎后垮落至液壓支架上方，基于人工操作將支架上方的煤炭通過后刮板輸送機(jī)進(jìn)入煤炭破碎機(jī)中破碎處理后運輸處工作面。圖1所示為綜采工作面放煤操作部署示意圖。

圖1 綜采工作面放煤操作示意圖

3 放煤系統(tǒng)

3.1 放煤技術(shù)適用性分析

1) 煤層厚度與采放比

據(jù)研究表明，煤層厚度是影響放頂煤技術(shù)適用性的關(guān)鍵條件。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將煤層厚度分為極薄、薄、中厚、厚以及特厚煤層[3]。由于我礦煤層的特殊性，使得在我礦區(qū)存在兩種放頂煤采放比的現(xiàn)象。不同的采放比決定了煤層厚度和底部割煤量。其中，煤層厚度決定綜采設(shè)備是否能夠合理布置于長壁工作面；底部割煤量過少使得頂煤無法完全破碎，底部割煤量過多增加了開采成本，因此應(yīng)該根據(jù)工作面實際情況確定采放比。本礦工作面的煤層厚度可達(dá)5 m，滿足放煤開采技術(shù)的使用條件。

3.2 煤層埋藏深度

煤層的埋藏深度在很大程度上決定工作面的開采難度。在實際采煤操作中，煤體會受到垂直于工作面的豎向壓應(yīng)力和水平向應(yīng)力，二者的計算如式(1)所示。

(1)

式(1)中，H代表采高，m；K代表應(yīng)力集中系數(shù)，取2～3；γ代表上覆巖平均密度，一般取γ=2.5 t/m3；μ代表煤體圍巖的泊松比，取μ=0.3；Rc代表煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；f代表煤體內(nèi)部的摩擦因數(shù)，一般取f=0.7。

通過分析可知，當(dāng)煤體單軸抗壓強(qiáng)度Rc較小時，即煤層較軟時適合使用放頂煤技術(shù)開采；當(dāng)煤層埋藏深度越大時，頂煤越容易脫落破碎，也較適合使用放頂煤技術(shù)，但是埋藏深度過大會導(dǎo)致開采成本增加。因此，煤層埋藏深度是放頂煤技術(shù)應(yīng)用的必要條件。

綜上所述，就煤層厚度而言，放頂煤開采技術(shù)適用于我礦，且我礦埋藏深度為450 m左右，滿足放頂煤技術(shù)的條件。

3.3 頂煤運移研究

所謂頂煤指的是當(dāng)工作面底部煤被采煤機(jī)采出后，頂部煤層就變?yōu)橹苯禹數(shù)囊徊糠帧Ｅc頂板不同的是，頂煤是由于人為原因造成其工程力學(xué)性質(zhì)與頂板的不同[4]。因此，需專門對頂煤的運移特性進(jìn)行研究。

本文以我礦5304工作面為研究對象，當(dāng)對其進(jìn)行回采操作時在工作面布置一定數(shù)量鉆孔觀察點，分別對距離底板5 m和6 m的頂煤累計位移進(jìn)行記錄，將記錄的數(shù)據(jù)基于Excel軟件進(jìn)行擬合處理，分別得出如第78頁圖2～圖3所示的擬合曲線。其中，圖2為距頂煤為5 m時，頂煤位移隨著距煤壁距離的變化曲線，圖3為頂煤為6 m時，頂煤位移隨著距煤壁距離的變化曲線。

分析圖2、圖3可知，盡管我礦煤層中煤炭硬度較大，但靠近煤壁處的頂煤累計位移較小，不會造成片幫漏頂?shù)默F(xiàn)象，滿足支架后方放煤窗口放煤的要求[5]。因此，盡管我礦工作面煤層較硬，采用合理的工程技術(shù)可以采用放頂煤開采技術(shù)。

4 結(jié)語

工作面采出率是衡量該煤層工作面是否能夠使用放頂煤開采技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。所謂工作面采出率指的是采出儲量與工作面儲量比分所得百分比。隨著綜采工作面自動化水平的提升，推進(jìn)我綜采工作面放頂煤開采技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，進(jìn)而不斷提高工作面的采出率。因此，針對不同的煤層特點，應(yīng)選擇合適的工程條件將先進(jìn)的開采技術(shù)應(yīng)用于其中，為降低工作面開采成本，提高開采效率奠定基礎(chǔ)。

圖2 h=5 m頂煤累計位移與距煤壁距離關(guān)系曲線

圖3 h=6 m頂煤累計位移與距煤壁距離關(guān)系曲線