關于綜采放頂煤安全開采間題的認識(一)

1、關于綜采放頂煤安全開采間題的認識(一)? 實踐證明，對于一般巖層覆蓋的采場，老頂總厚度大約為采高的4-6倍，老頂所包含的“傳遞巖梁”數目，一般不超過3個。組成老頂各“傳遞巖梁”的巖梁厚度為同時運動巖層的厚度之和。上下兩巖層同時運動的條件可由下式表示:? 在生產現場，可以根據實測所得采場支架阻抗力或頂板下沉量隨工作面推進距離關系曲線直接推斷老頂巖梁數目及運動步距值。? 老頂來壓時，直接頂和下位巖梁斷裂，破壞線深入煤壁前方，上覆巖層作用在煤(或巖)層上的“支承壓力”(或相對應的支承反力)明顯的分為兩個部分，是該采場條件下結構模型的重要特征.其中，處于“內應力場”(圖3中S1部分)中的煤體已經破壞，

2、其承受的壓力大小由直接頂和老頂運動的作用力決定。顯然，當老頂來壓完成進入穩(wěn)定狀態(tài)后，該部分煤體的支承反力只要平衡直接頂的作用力即可。分布于“外應力場”(圖3中S2部分)煤體上的支承壓力由上覆巖層的總體作用力所決定，其大小分布范圍受直接頂和老頂的影響較小。? 當開采深度較小，或者煤層強度較高，支承壓力不足以超前破壞煤壁的情況下，采場的結構模型如圖4所示，即直接頂及老頂的斷裂破壞將在煤壁處發(fā)生，“內應力場”的范圍(S1)將趨于零。? 目前，作為實用礦山壓力理論的核心礦山壓力分布、礦山壓力顯現與上覆巖層(直接頂及老頂)運動間關系的理論研究已經取得重要成果，通過礦山壓力顯現推斷上覆巖層運動和支承壓力分

3、布，實現對頂板活動和礦山壓力分布預測預報的“井下巖層動態(tài)觀測研究方法”，已有了廣泛的實踐基礎。在生產現場針對具體煤層和開采條件建立采場結構模型的工作已經進入到實用階段.? 采場結構模型的類型和相應的結構參數確定之后，開采方法的選擇、開采參數確定等設計決策，也就有了科學的基礎。例如:知道直接頂的厚度m2及老頂下位巖梁的厚度mE1和來壓步距CE1就能夠按下列要求選擇綜采支架，排除推垮工作面和壓死支架等重大事故:支架的允許縮量:rhA式中:Sr支架支護面積=支架寬度 (B)控頂距(Lk),m2;? hA下位巖梁裂斷來壓觸矸時的最大采場頂板下沉量，m;? hrmin上位巖梁裂斷前計算或實測到的最小采場

4、頂板下沉量;? ?x懸頂系數? 同樣，知道了采場結構力學模型，為相鄰工作面準備的回采巷道位置、開采或準備的時間以及正確的維護方法，也不難確定。其中，屬于有內應力場的結構模型(如圖3所示)，如果不出現底鼓等情況，則正確的設計決策分別為:? 沿空留巷(圖3中1的位置):此時支架阻抗力最小需平衡直接頂的作用力，支架的可縮量應適應下位巖梁觸研并壓實的沉縮全過程。其最小值hmin可由下式近似推出:式中:S1內應力場范圍，m;? B巷道寬度，m;? d老頂下位巖板側向裂斷寬度，一般接近推進方向來壓步距(C1)? 煤柱護巷(即圖3中4的位置):此時巷道應在接近原始應力區(qū)的部位開掘，支護方式和支護阻力應按相應

5、區(qū)域的巷道壓力設計。? 在內應力場(即圖3中2的位置)掘巷:此條件下掘巷的時間必須在老頂運動基本穩(wěn)定之后，支護方式應考慮內應力場煤體已經破壞的現實，支護阻抗力應不低于平衡直接頂作用力的要求，可縮量應能適應工作面推進至老頂來壓時的內應力場可能出現的最大巷道頂板下沉量。? 顯然出現內應力場結構的條件下，要絕對避免在高應力區(qū)(即圖3中3的位置)開掘和維護回采巷道。在該處布置巷道，圍巖將承受超過原始應力(rH)的幾倍，不僅巷道維護困難，而且經常在掘進時引發(fā)沖擊地壓和瓦斯煤層突出等重大事故。? 對于圖4所示不出現內應力場結構類型的采場，回采工作面控制設計以防止老頂動壓沖擊為前題，無需考慮煤壁片塌和直接頂

6、破碎等事故。滿足此要求的支護阻抗能力，應保證在直接頂和下位巖梁來壓時完全平衡其作用力，即不出現安全閥開啟、頂板沉降的情況。在該條件下考慮巷道礦壓控制設計決策的基本原則是沿空送道或把巷道布置在支承壓力分布區(qū)域(一般不超過810m)之外的任何位置。掘進時間不受巖層運動限制。如果采用沿空留巷方案，則支護阻抗力應平衡垮落直接頂的作用力，壓縮量則必須適應老頂穩(wěn)定過程中的全部巷道沉降量。? 放頂煤綜采條件下的采場結構模型如圖5所示，與同一煤層分層開采條件下的結構模型相比有以下特點:? 由于采出煤層的厚度(采高hd加放出頂煤厚度hr)增加，冒落巖層總厚度即直接頂厚度(m2)將比分層開采大的多，具體值仍可按頂

7、分層開采條件下的頂分層冒高即式(3)(8)的推斷方法確定。? 頂煤的實際回收情況對采場結構組成狀態(tài)及相關參數的影響很大。有關結構運動對采場礦壓顯現的影響要比分層開采復雜得多。因此，采場礦壓顯現的規(guī)律性是頂煤回收率是否均衡可靠的一個重要標志。在放頂煤開采條件下，垮落的直接頂厚度(m2)與采空區(qū)殘留的浮煤高度(hf)間的關系可用式(13)表出:? 由于一次采出煤層厚度增加，出現內應力場的可能性及應力場所伸展的范圍都比分層開采條件下大得多。研究證明，內應力場范圍與一次采出的煤層厚度(hr+ hd)近似成正比。? 針對放頂煤開采的采場結構模型特點，其開采設計決策應考慮下述原則:? a支架阻抗力的下限應

8、能按平衡頂煤和直接頂同時運動的作用力;上限不超過對老頂下位巖梁(mE1)采取限定變形工作方案設計，即:? 合力作用點距煤壁的距離，m? 對于放頂煤支架，合理的工作狀態(tài)應保證合力作用點處于控頂區(qū)的中央，即Li =0. 5Lk。? b鑒于內應力場范圍的擴大，更有條件考慮在內應力場中掘進布置回采巷道，以解決采場巷道礦壓控制方案問題.3提高放頂煤綜采回收率及實現條件? 鑒于能保證均勻分層開采的煤層條件并不多，加之分層開采巷道煤柱損失不可避免，因此簡單的得出繚放采區(qū)回收率將低于分層綜采的結論是不正確的。相反，對于厚度有變化，特別是構造復雜的厚煤層，只要頂煤? 頂煤在移架過程中.依靠反復支撐繼續(xù)剪切破壞頂

9、煤是一個非常重要的過程。但是，只有當頂煤的前述兩個破壞過程已經實現的條件下，才能起到作用。支架阻抗力愈高，初撐力愈大(接近工作阻力)，其作用的發(fā)揮效果愈好。? 綜上所述可知，頂煤能否超前煤壁破壞是判別煤層可放性的基礎。只有煤壁前方出現壓力顯現隨老頂活動而明顯變化的“內應力場”，才有可能在不采取爆破等輔助性破煤措施的情況下，實現較高回收率的目標。實踐證明，當頂煤超前破壞不能實現(即無“內應力場”)，特別是當頂板比較堅硬，不能隨頂煤放出而及時冒落的情況下，采用先開采頂分層，網下放頂煤的方案是十分有效的。采用該方案，可以通過在支架前上方打眼爆破松動后，依靠已經歷過一次運動的頂板壓力破碎頂煤，實現高回

10、收率放煤的目的。3. 2放煤工藝及支架工況的確定? 在頂煤能氣破碎放出，頂板條件適宜的前提下，相適應的正確的合理的放煤工藝及與之相適應的支架選型和工作狀況的確定，是保證較高回收率的關鍵。? 綜采放煤工藝包括放煤程序、放煤步距、放煤時間及放煤量的控制等。合理的放煤工藝的實現，與支架型式選擇、支架初撐力和工作阻力的確定，以及支架在采場的實際工作狀態(tài)緊密的聯系在一起。合理的放煤工藝應保證放煤過程中頂煤運動的連續(xù)性和規(guī)律性，保證直接頂板有規(guī)律的暴露(失去頂煤支承)和及時的冒落，見圖6(a)，保證支架及時有規(guī)律的承壓，并按要求的工作狀況控制頂板的運動和頂煤的活動。根據理論研究和實踐經驗的分析，可以歸納出

11、符合上述要求的工藝原則為:要保持要求的安全割煤和移架放煤間距，防止出現圖6-(b)所示支架蹬空(上方頂煤放空)，誘發(fā)端部漏頂事故。盡可能將放煤步距、移架步距與直接頂，特別是足夠厚度的下位巖層垮落步距統一起來。應當考慮研究移架步距與一次割煤步距不同步的放頂煤支架。采用依次連續(xù)跟進順序放煤，以保證盡可能的擴大已經啟動的放煤口寬度和已啟動的頂煤順向流動的連續(xù)性，保證直接頂板暴露和垮落的連續(xù)性和規(guī)律性。如果單口放煤不能滿足運輸機運出能力的要求，可以采用分段同時工作方案。應當避免采用隨意間隔開口分點放煤的工作程序。? 放頂煤支架必須有足夠的工作阻力和盡可能高的初撐力，保證控制頂煤和頂板運動的需要。支架的

12、工作阻力絕對不能小于平衡垮落的直接頂作用力的需要。目前，由于不少放頂煤工作面頂煤回收不盡、采空區(qū)不均勻堆積的浮煤對頂板結構組成和支承狀況的影響，實測出的支架阻抗力要比分層綜采低得多。必須指出，這個結果是靠老塘丟煤換來的，不能由此得出放頂煤綜采工作面支架阻抗力可以比分層綜采低的結論。由圖6 - (a)可知，必須保證放頂煤支架在高承載(阻力高)和“高位態(tài)”(升架高度大.前后柱阻力和縮量相近)的狀況下工作。防止出現圖6- (b)所示支架上方蹬空和端部漏頂事故。實踐證明。對于采用低位放煤的四立柱支撐掩護式支架，使前后柱處于基本相同的高阻力狀態(tài)下工作，能保證在充分發(fā)揮頂板壓力破煤作用的同時，可靠的避免支

13、架上方頂煤在移架前片塌的危險。保持“放煤漏斗”中軸線偏向采空區(qū)是防止端部漏頂的關鍵。目前，某些放頂煤綜采工作面以想象有利于放煤需要.人為降低后立柱高度和阻抗力的做法是不正確的。? 在移架過程中保證支架前后柱能升到要求的高度并達到要求的初撐力.是保證支架按高承載和高位態(tài)狀況下工作的關鍵。3. 3提高放頂煤開采采區(qū)回收率的措施? 提高綜放采區(qū)回收率要從提高工作面頂煤放出率和減少護巷煤柱損失兩個方面同時入手。對于厚度超過10m的厚煤層，特別是在直接頂板堅硬的條件下，應采用在開切眼處強放直接頂，先采頂分層網下放頂煤的方案。這樣既發(fā)揮了網下綜放回收率高的優(yōu)勢，又能避免整層放頂煤綜采老頂第一次來壓期間高的

14、頂煤損失。在減少護巷煤柱損失方面的關鍵措施是改變開拓準備布置，實現在穩(wěn)定的內應力場中掘進和維護回采巷道。? 從前述“綜放采場結構模型”的特點可知，同一煤層“綜放”條件下，支承壓力影響范圍和其中的寬度，都要比分層開采條件下大得多。這一結果說明，如果采用在原始應力區(qū)開掘巷道的煤柱護巷布置，“綜放”條件下的煤柱損失，將會比同一煤層分層開采大得多。相反，由于“內應力場”范圍擴大.采取在穩(wěn)定的內應力場中開掘和維護巷道，就有了更加可靠的條件。4放頂煤綜采安全開才的條件? 在“綜放”采場是否更容易發(fā)生巖層運動和礦山壓力有關的沖擊地壓、瓦斯和煤層突出等重大事故?能否避免這些事故的發(fā)生? 可以想象，在“綜放”條件下，由于頂煤的厚度大，無論是巷道還是工作面，這類事故一旦發(fā)生，其突出強度都有可能比分層開采大得多。但必須指出，不考慮具體開采條件下巖層運動和礦山壓力分布的特點，不考慮巷道開掘的位置和開掘時間的區(qū)別，簡單得出“開采深度大，