放顶煤开采技术

张 毅

山西省晋中市阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 035400

我国厚煤层储量占到我国煤炭储量的44%左右。我国从20世纪60年代开始研究、试验厚煤层放顶煤开采技术。目前，厚煤层放顶煤开采技术已经成熟，在我国得到了迅速发展和推广应用。我国放顶煤开采技术已处于世界领先水平。

1 放顶煤采煤概述

1.1 放顶煤采煤法基本类型

放顶煤采煤法就是在厚煤层中，沿煤层（或分段）底部布置一个采高2m～3m的长壁工作面，用综合机械化采煤工艺进行回采，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方（或上方）放出，并予以回收的一种采煤方法。 放顶煤采煤法基本类型包括：1）一次采全厚放顶煤开采：一般适用于厚度6m～12m的煤层。其优点为掘进量小，设备少，系统简单，生产集中；缺点为煤质软时，两巷维护困难；2）预采顶分层网下放顶煤开采：其优点为由于顶层铺设金属网，可以减少放煤的含矸量；缺点为开采顶分层后一般矿山压力减弱，不利于顶煤的破碎，常有大块煤需要人工预裂。一般适用于12m以上、直接顶坚硬、瓦斯大的煤层；3）倾斜分层放顶煤开采：当煤层超过15m～20m以上时，可将煤层自顶板至底板分成8m～12m的分段，然后自上而下依次进行放顶煤开采。一般适用于15m以上的缓斜煤层[1]。

1.2 顶煤放出规律

1）椭球体放矿理论

椭球体放矿理论认为：矿石在采场破碎后，原来所占的空间形状为一个旋转椭球体，是按近似椭球体形状向下自然流动下来的，放煤椭球体表面上的颗粒将大体同时到达放煤口。

2）松动椭球体

松动椭球体理论认为：放煤时，放出椭球体周围的煤岩也将向放煤口移动，充填放煤留下的空间，此空间体与放出椭球体相似，称松动椭球体。 松动椭球体参数：松动椭球体高度为H，H=（2.2～2.6）h。

3）放出椭球体参数

h-放顶煤高度，短轴为2b1，设长轴2a=h。 生产实践及实验表明：

2b1=（0.25～0.3）h

b1=（0.25～0.3）h/2

（4）放煤口间距 放煤口间距1大小影响放煤效果；当1＞2b1（a）时，脊背煤损失大；1越大，损失越大；当1＜2b1时，脊煤损失小，煤矸石混杂；支架选取后，1是确定的，要求合理放煤工艺，减少煤损，不增加混矸。

2 放顶煤工作面矿压显现特点及顶煤破碎机理

2.1 岩层活动及矿压显现特点

放顶煤开采时，由于煤层一次采出厚度的增大，直接顶的垮落高度成倍增加，可达煤层采出厚度的2.0～2.5倍，其中1.0～1.2倍范围内的直接顶为不规则垮落带，而在上位直接顶中则形成某各临时性“小结构”，其活动可对采场造成明显影响。综放采场上方仍可形成稳定的“砌体梁”式基本顶结构，上位直接顶中可形式“半拱”式小结构，并与其上的“砌体梁”结构相结合，共同构成综放开采覆岩结构的基本形式。由于松软顶煤的参与，综放支架阻力通常不大于分开采的支架阻力。综放基本顶初次来压与分层开采相比步距增大，一般可达50m以上；周期来压步距相对减少，约为其初次来压步距的三分之一。

2.2 顶煤破碎机理

综放开采时，实现顶煤的有效破碎和顺利放出是放顶煤工作的核心问题，而顶煤的有效破碎又是顶煤顺利放出的前提，同时也是支架选型不确定放顶煤工艺的依据[2]。煤的普氏系数越小，有利于顶煤的放出；相反，f值越大，放煤效果越不理想。一般认为，煤的普氏系数f〈3的煤层更适合放顶煤开采。顶煤的破碎是支承压力。顶板运动及支架反复支撑共同作用的结果。支架对顶煤反复支撑的次数N与顶梁的长度L及采煤机截深B有关，可表示为：N=。根据顶煤的变形和破坏发展规律，沿工作面推进方向前将煤划分为四个破坏区，依次为：完整区、破坏发展区、裂隙发育区、垮落破碎区。

3 放顶煤适用条件

煤层厚度以5m～12m为最好，过大破坏不充分，过小易超前冒顶；煤质中硬，f＜2最好，煤质松软，层理节理发育，f=3.1～3.9，层理节理发育亦可；煤层倾角不宜太大，太大影响支架的稳定性，缓倾斜煤层中一般煤层倾角小于15°，25°～30°煤层中也试验成功；顶煤中的夹矸总厚度不宜大于顶煤厚度的10%～15%，过厚过硬的夹矸影响顶煤放落，单层夹矸厚大于0.5m或f＞3要采取措施；顶板岩性最理想的条件是基本顶I、II级，直接顶有一定厚度，采空区不悬顶，冒落后松散体基本充满采空区；断层切割块段，地质构造复杂，煤层厚度变化大，阶段煤柱等无法应用分层长壁采煤法时，可放顶煤。

4 放顶煤采煤工艺

4.1 放顶煤综采主要工艺过程

放顶煤综采主要工艺过程为：采煤机割煤（破煤和装煤）→（移架）维护端面稳定用前探梁及时支护，后移架→推移前部输送机（推移时保证输送机弯曲长度大于15m）→移后输送机（把后输送机移到规定位置）→放顶煤（打开放煤口放顶煤）。

目前主要采取从工作面向顶煤打眼放炮的方法。若由工作面无法破碎顶煤或在高瓦斯矿井中，则应考虑布置工艺巷进行专门的爆破作业。另外，一些矿井采用高压注水软化顶煤，也取得良好的效果。

4.2 初采和末采放煤工艺

1）初采

多数工作面从开切眼处放煤，推出开切眼后即做到了及时放煤。根据采煤工作面顶板的结构和顶煤的性质，为减小初次放顶煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技术和切顶巷技术。目前在大多数综放工作面，推出开切眼后及时放煤，根据采煤工作面顶板的结构和顶煤的性质，为减小初次放顶煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技术和切顶巷技术。

2）末采

一般可提前10m左右停止放顶煤并铺顶网，但应注意解决好两个问题：一是选择合理的停采线位置，使撤架空间处于稳定的顶板条件之下；二是有效地防止后方矸石窜入工作面，即矸石应能够压住金属网。如不铺网，应在综放设备允许的坡度范围内加大爬坡度，减少放煤量，在到停采线时，使支架基本贴近顶板，将易燃的碎煤变为底板上的实体煤。

4.3 放煤步距

放煤步距：是指沿工作面推进方向前后两次放煤的间距。放煤过程中不能保证既不混矸又不丢煤，只是控制采出率和混矸率在一定范围内。 放煤步距L=n×移架步距B，经验 ：L=（0.15～0.21）h。

4.4 放煤方式

放煤可分为连续放煤和不连续放煤两种，其中低位放顶煤支架为连续放煤，中、高位放顶煤支架为不连续放煤。放煤方式按放煤轮次不同，可分为单轮放煤和多轮放煤。单轮放煤：打开放煤口，一次将能放出的顶煤全部放完；多轮放煤：每架支架的放煤口需打开若干次才能将顶煤放完的称。放煤方式按放煤顺序不同，可分为顺序放煤和间隔放煤。顺序放煤是指按支架排列顺序（1、2、3、…）依次打开放煤口的方式；间隔放煤是指按支架排列顺序每隔1架或几架（如1、3、5、…或1、4、7、…）依次打开放煤口。无论是顺序放煤还是间隔放煤都可以采用单轮或多轮放煤。

4.5 端头放煤

随着工作面输送机和支架的不断改进，使端头设备布置也不断更新。目前解决端头放煤的途径主要有以下3种：加大巷道断面尺寸，机头机尾置于巷道中，取消过渡支架；使用短机头和短机尾工作面输送机或侧卸式工作面输送机；采用带有高位放煤口的端头支架，实现端头及两巷放顶煤。

[1]鲁建成.综采放顶煤采煤法[J].煤炭技术，2008(10)：61-63.

[2]张居仁，魏国山，陈海江.浅谈综采放顶煤工作面回采工艺及提高回采率的措施[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，2010(7)：206-207.